光之本性大論戰(zhàn)

光，是每個人見得最多的東西。自古以來，它就被理所當(dāng)然地認(rèn)為是這個宇宙最原始的事物之一。在遠(yuǎn)古的神話中，往往是“一道亮光”劈開了混沌和黑暗，于是世界開始了運轉(zhuǎn)。光在人們心目中，永遠(yuǎn)代表著生命，活力和希望。在《圣經(jīng)》里，神要創(chuàng)造世界，首先要創(chuàng)造的就是光，可見它在這個宇宙中所占的獨一無二的地位。

可是，光究竟是一種什么東西？或者，它究竟是不是一種“東西”呢？

遠(yuǎn)古時候的人們似乎是不把光作為一種實在的事物的，光亮與黑暗，在他們看來只是一種環(huán)境的不同罷了。只有到了古希臘，科學(xué)家們才開始好好地注意起光的問題來。有一樣事情是肯定的：我們之所以能夠看見東西，那是因為光在其中作用的結(jié)果。人們于是猜想，光是一種從我們的眼睛里發(fā)射出去的東西，當(dāng)它到達(dá)某樣事物的時候，這樣事物就被我們所“看見”了。比如恩培多克勒就認(rèn)為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的，而人的眼睛是女神阿芙羅狄忒用火點燃的，當(dāng)火元素(也就是光。古時候往往光、火不分)從人的眼睛里噴出到達(dá)物體時，我們就得以看見事物。

但顯而易見，這種解釋是不夠的。它可以說明為什么我們睜著眼可以看見，而閉上眼睛就不行；但它解釋不了為什么在暗的地方，我們即使睜著眼睛也看不見東西。為了解決這個困難，人們引進(jìn)了復(fù)雜得多的假設(shè)。比如認(rèn)為有三種不同的光，分別來源于眼睛，被看到的物體和光源，而視覺是三者綜合作用的結(jié)果。

這種假設(shè)無疑是太復(fù)雜了。到了羅馬時代，偉大的學(xué)者盧克萊修在其不朽著作《物性論》中提出，光是從光源直接到達(dá)人的眼睛的，但是他的觀點卻始終不為人們所接受。對光成像的正確認(rèn)識直到公元1000年左右才被一個波斯的科學(xué)家阿爾·哈桑所提出：原來我們之所以能夠看到物體，只是由于光從物體上反射到我們眼睛里的結(jié)果。他提出了許多證據(jù)來證明這一點，其中最有力的就是小孔成像的實驗，當(dāng)我們親眼看到光通過小孔后成了一個倒立的像，我們就無可懷疑這一說法的正確性了。

關(guān)于光的一些性質(zhì)，人們也很早就開始研究了?；诠饪偸亲咧本€的假定，歐幾里德在《反射光學(xué)》一書里面就研究了光的反射問題。托勒密、哈桑和開普勒都對光的折射作了研究，而荷蘭物理學(xué)家斯涅耳則在他們的工作基礎(chǔ)上于1621年總結(jié)出了光的折射定律。最后，光的種種性質(zhì)終于被有“業(yè)余數(shù)學(xué)之王”之稱的費爾馬所歸結(jié)為一個簡單的法則，那就是“光總是走最短的路線”。光學(xué)終于作為一門物理學(xué)科被正式確立起來。

但是，當(dāng)人們已經(jīng)對光的種種行為了如指掌的時候，卻依然有一個最基本的問題沒有得到解決，那就是：“光在本質(zhì)上到底是一種什么東西？”這個問題看起來似乎并沒有那么難回答，但人們大概不會想到，對于這個問題的探究居然會那樣地曠日持久，而這一探索的過程，對物理學(xué)的影響竟然會是那么地深遠(yuǎn)和重大，其意義超過當(dāng)時任何一個人的想象。

古希臘時代的人們總是傾向于把光看成是一種非常細(xì)小的粒子流，換句話說光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。這種觀點一方面十分符合當(dāng)時流行的元素說，另外一方面，當(dāng)時的人們除了粒子之外對別的物質(zhì)形式也了解得不是太多。這種理論，我們把它稱之為光的“微粒說”。微粒說從直觀上看來是很有道理的，首先它就可以很好地解釋為什么光總是沿著直線前進(jìn)，為什么會嚴(yán)格而經(jīng)典地反射，甚至折射現(xiàn)象也可以由粒子流在不同介質(zhì)里的速度變化而得到解釋。但是粒子說也有一些顯而易見的困難：比如人們當(dāng)時很難說清為什么兩道光束相互碰撞的時候不會互相彈開，人們也無法得知，這些細(xì)小的光粒子在點上燈火之前是隱藏在何處的，它們的數(shù)量是不是可以無限多，等等。

當(dāng)黑暗的中世紀(jì)過去之后，人們對自然世界有了進(jìn)一步的認(rèn)識。波動現(xiàn)象被深入地了解和研究，聲音是一種波動的認(rèn)識也逐漸為人們所接受。人們開始懷疑：既然聲音是一種波，為什么光不能夠也是波呢？十七世紀(jì)初，笛卡兒在他《方法論》的三個附錄之一《折光學(xué)》中率先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質(zhì)里傳播。不久后，意大利的一位數(shù)學(xué)教授格里馬第做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔后照到暗室里的屏幕上，發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯(lián)想起了水波的衍射(這個大家在中學(xué)物理的插圖上應(yīng)該都見過)，于是提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光波動說。波動說認(rèn)為，光不是一種物質(zhì)粒子，而是由于介質(zhì)的振動而產(chǎn)生的一種波。我們想象一下水波，它不是一種實際的傳遞，而是沿途的水面上下振動的結(jié)果。光的波動說容易解釋投影里的明暗條紋，也容易解釋光束可以互相穿過互不干擾。關(guān)于直線傳播和反射的問題，人們很快就認(rèn)識到光的波長是很短的，在大多數(shù)情況下，光的行為就猶同經(jīng)典粒子一樣。而衍射實驗則更加證明了這一點。但是波動說有一個基本的難題，那就是任何波動都需要有介質(zhì)才能夠傳遞，比如聲音，在真空里就無法傳播。而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進(jìn)。舉一個簡單的例子，星光可以穿過幾乎虛無一物的太空來到地球，這對波動說顯然是非常不利的。但是波動說巧妙地擺脫了這個難題：它假設(shè)了一種看不見摸不著的介質(zhì)來實現(xiàn)光的傳播，這種介質(zhì)有一個十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫做“以太”。

就在這樣一種奇妙的氣氛中，光的波動說登上了歷史舞臺。我們很快就會看到，這個新生力量似乎是微粒說的前世冤家，它命中注定要與后者開展一場長達(dá)數(shù)個世紀(jì)之久的戰(zhàn)爭。他們兩個的命運始終互相糾纏在一起，如果沒有了對方，誰也不能說自己還是完整的。到了后來，他們簡直就是為了對手而存在著。這出精彩的戲劇從一開始的伏筆，經(jīng)過兩個起落，到達(dá)令人眼花繚亂的高潮。而最后絕妙的結(jié)局則更讓我們相信，他們的對話幾乎是一種可遇而不可求的緣分。17世紀(jì)中期，正是科學(xué)的黎明到來之前那最后的黑暗，誰也無法預(yù)見這兩朵小火花即將要引發(fā)一場熊熊大火。

（摘自《量子物理史話》）