第01章黄金时代 纯粹的科学家，把对真理的追求当作人生最大的价 值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景，也会不 屑去把它付诸实践的吧？也许，在美丽的森林和湖 泊间散步，思考自然的终极奥秘，在秋天落叶的校 园里，和学生探讨学术问题，这才是他真正的人生 吧。今天，他的名字已经成为频率这个物理量的单 位，被每个人不断地提起，可是，或许他还会嫌我 们打扰他的安宁呢？ 1.2上帝的神秘使者一一光 上次我们说到，1887年，赫兹的实验证实了 电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种， 两者具有共同的波的特性。这就为光的本性之争画 上了一个似乎已经是不可更改的句号。 说到这里，我们的故事要先回一回头，穿越时 空去回顾一下关于光的那场大战。这也许是物理史 上持续时间最长，程度最激烈的一场论战。它几乎 贯穿于整个现代物理的发展过程中，在历史上烧灼 21/700
第 01 章 黄金时代 21 / 700 纯粹的科学家，把对真理的追求当作人生最大的价 值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景，也会不 屑去把它付诸实践的吧？也许，在美丽的森林和湖 泊间散步，思考自然的终极奥秘，在秋天落叶的校 园里，和学生探讨学术问题，这才是他真正的人生 吧。今天，他的名字已经成为频率这个物理量的单 位，被每个人不断地提起，可是，或许他还会嫌我 们打扰他的安宁呢？ 1.2 上帝的神秘使者――光 上次我们说到，1887年，赫兹的实验证实了 电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种， 两者具有共同的波的特性。这就为光的本性之争画 上了一个似乎已经是不可更改的句号。 说到这里，我们的故事要先回一回头，穿越时 空去回顾一下关于光的那场大战。这也许是物理史 上持续时间最长，程度最激烈的一场论战。它几乎 贯穿于整个现代物理的发展过程中，在历史上烧灼
第01章黄金时代 下了永不磨灭的烙印。 光，是每个人见得最多的东西(“见得最多” 在这里用得真是一点也不错)。自古以来，它就被 理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一。在 远古的神话中，往往是“一道亮光”劈开了混沌和 黑暗，于是世界开始了运转。光在人们的心目中， 永远代表着生命，活力和希望。在《圣经》里，神 要创造世界，首先要创造的就是光，可见它在这个 宇宙中所占的独一无二的地位。 可是，光究竞是一种什么东西？或者，它究竞 是不是一种“东西”呢？ 远古时候的人们似乎是不把光作为一种实在 的事物的，光亮与黑暗，在他们看来只是一种环境 的不同罢了。只有到了古希腊，科学家们才开始好 好地注意起光的问题来。有一样事情是肯定的：我 们之所以能够看见东西，那是因为光在其中作用的 结果。人们于是猜想，光是一种从我们的眼睛里发 射出去的东西，当它到达某样事物的时候，这样事 物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒(Em pedocles)就认为世界是由水、火、气、土四大 22/700
第 01 章 黄金时代 22 / 700 下了永不磨灭的烙印。 光，是每个人见得最多的东西（“见得最多” 在这里用得真是一点也不错）。自古以来，它就被 理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一。在 远古的神话中，往往是“一道亮光”劈开了混沌和 黑暗，于是世界开始了运转。光在人们的心目中， 永远代表着生命，活力和希望。在《圣经》里，神 要创造世界，首先要创造的就是光，可见它在这个 宇宙中所占的独一无二的地位。 可是，光究竟是一种什么东西？或者，它究竟 是不是一种“东西”呢？ 远古时候的人们似乎是不把光作为一种实在 的事物的，光亮与黑暗，在他们看来只是一种环境 的不同罢了。只有到了古希腊，科学家们才开始好 好地注意起光的问题来。有一样事情是肯定的：我 们之所以能够看见东西，那是因为光在其中作用的 结果。人们于是猜想，光是一种从我们的眼睛里发 射出去的东西，当它到达某样事物的时候，这样事 物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒（Em pedocles）就认为世界是由水、火、气、土四大
第01章黄金时代 元素组成的，而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒(Aph rodite)用火点燃的，当火元素（也就是光。古时 候往往光、火不分)从人的眼睛里喷出到达物体时， 我们就得以看见事物。 但显而易见，这种解释是不够的。它可以说明 为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不行； 但它解释不了为什么在暗的地方，我们即使睁着眼 睛也看不见东西。为了解决这个困难，人们引进了 复杂得多的假设。比如认为有三种不同的光，分别 来源于眼睛，被看到的物体和光源，而视觉是三者 综合作用的结果。 这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代，伟 大的学者卢克莱修(Lucretius)在其不朽著作《物 性论》中提出，光是从光源直接到达人的眼睛的， 但是他的观点却始终不为人们所接受。对光成像的 正确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科 学家阿尔哈桑(al-Haytham)所提出：原来我们 之所以能够看到物体，只是由于光从物体上反射到 我们眼睛里的结果。他提出了许多证据来证明这一 点，其中最有力的就是小孔成像的实验，当我们亲 23/700
第 01 章 黄金时代 23 / 700 元素组成的，而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒（Aph rodite）用火点燃的，当火元素（也就是光。古时 候往往光、火不分）从人的眼睛里喷出到达物体时， 我们就得以看见事物。 但显而易见，这种解释是不够的。它可以说明 为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不行； 但它解释不了为什么在暗的地方，我们即使睁着眼 睛也看不见东西。为了解决这个困难，人们引进了 复杂得多的假设。比如认为有三种不同的光，分别 来源于眼睛，被看到的物体和光源，而视觉是三者 综合作用的结果。 这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代，伟 大的学者卢克莱修（Lucretius）在其不朽著作《物 性论》中提出，光是从光源直接到达人的眼睛的， 但是他的观点却始终不为人们所接受。对光成像的 正确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科 学家阿尔哈桑（al-Haytham）所提出：原来我们 之所以能够看到物体，只是由于光从物体上反射到 我们眼睛里的结果。他提出了许多证据来证明这一 点，其中最有力的就是小孔成像的实验，当我们亲
第01章黄金时代 眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像，我们就无 可怀疑这一说法的正确性了。 关于光的一些性质，人们也很早就开始研究了。 基于光总是走直线的假定，欧几里德(Euclid)在 《反射光学》(Catoptrica)一书里面就研究了光 的反射问题。托勒密(Ptolemy)、哈桑和开普勒 (Johannes Kepler)都对光的折射作了研究， 而荷兰物理学家斯涅耳(W.Snell)则在他们的工 作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后， 光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费 尔马(Pierre de Fermat.)所归结为一个简单的 法则，那就是“光总是走最短的路线”。光学终于 作为一门物理学科被正式确立起来。 但是，当人们已经对光的种种行为了如指掌的 时候，却依然有一个最基本的问题没有得到解决， 那就是：“光在本质上到底是一种什么东西？”这 个问题看起来似乎并没有那么难回答，但人们大概 不会想到，对于这个问题的探究居然会那样地旷日 持久，而这一探索的过程，对物理学的影响竞然会 是那么地深远和重大，其意义超过当时任何一个人 24/700
第 01 章 黄金时代 24 / 700 眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像，我们就无 可怀疑这一说法的正确性了。 关于光的一些性质，人们也很早就开始研究了。 基于光总是走直线的假定，欧几里德（Euclid）在 《反射光学》（Catoptrica）一书里面就研究了光 的反射问题。托勒密（Ptolemy）、哈桑和开普勒 （Johannes Kepler）都对光的折射作了研究， 而荷兰物理学家斯涅耳（W.Snell）则在他们的工 作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后， 光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费 尔马（Pierre de Fermat）所归结为一个简单的 法则，那就是“光总是走最短的路线”。光学终于 作为一门物理学科被正式确立起来。 但是，当人们已经对光的种种行为了如指掌的 时候，却依然有一个最基本的问题没有得到解决， 那就是：“光在本质上到底是一种什么东西？”这 个问题看起来似乎并没有那么难回答，但人们大概 不会想到，对于这个问题的探究居然会那样地旷日 持久，而这一探索的过程，对物理学的影响竟然会 是那么地深远和重大，其意义超过当时任何一个人
第01章黄金时代 的想象。 古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一 种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒非常 小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符 合当时流行的元素说，另外一方面，当时的人们除 了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这 种理论，我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说 从直观上看来是很有道理的，首先它就可以很好地 解释为什么光总是沿着直线前进，为什么会严格而 经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同 介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一 些显而易见的困难：比如人们当时很难说清为什么 两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开，人们也无 法得知，这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏 在何处的，它们的数量是不是可以无限多，等等。 当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有 了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究， 声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们 开始怀疑：既然声音是一种波，为什么光不能够也 是波呢？十七世纪初，笛卡儿(Des Cartes)在 25/700
第 01 章 黄金时代 25 / 700 的想象。 古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一 种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒非常 小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符 合当时流行的元素说，另外一方面，当时的人们除 了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这 种理论，我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说 从直观上看来是很有道理的，首先它就可以很好地 解释为什么光总是沿着直线前进，为什么会严格而 经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同 介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一 些显而易见的困难：比如人们当时很难说清为什么 两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开，人们也无 法得知，这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏 在何处的，它们的数量是不是可以无限多，等等。 当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有 了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究， 声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们 开始怀疑：既然声音是一种波，为什么光不能够也 是波呢？十七世纪初，笛卡儿（Des Cartes）在