四

上次說到，在微粒與波動的第一次交鋒中，以牛頓為首的微粒說戰勝了波動，取得了在物
理上被普遍公認的地位。

轉眼間，近一個世紀過去了。牛頓體系的地位已經是如此地崇高，令人不禁有一種目眩的
感覺。而他所提倡的光是一種粒子的觀念也已經是如此地深入人心，以致人們幾乎都忘了
當年它那對手的存在。

然而1773年的6月13日，英國米爾沃頓（Milverton）的一個教徒的家庭里誕生了一個男孩
，叫做托馬斯•楊（Thomas Young）。這個未來反叛派領袖的成長史是一個典型的
天才歷程，他兩歲的時候就能夠閱讀各種經典，6歲時開始學習拉丁文，14歲就用拉丁文
寫過一篇自傳，到了16歲時他已經能夠說10種語言，並學習了牛頓的《數學原理》以及拉
瓦錫的《化學綱要》等科學著作。

楊19歲的時候，受到他那當醫生的叔父的影響，決定去倫敦學習醫學。在以後的日子裡，
他先後去了愛丁堡和哥廷根大學攻讀，最後還是回到劍橋的伊曼紐爾學院終結他的學業。
在他還是學生的時候，楊研究了人體上眼睛的構造，開始接觸到了光學上的一些基本問題
，並最終形成了他的光是波動的想法。楊的這個認識，是來源于波動中所謂的“干涉”現
象。

我們都知道，普通的物質是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是兩滴水，而不會一起
消失。但是波動就不同了，一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果兩列波相遇
，當它們正好都處在高峰時，那麼疊加起來的這個波就會達到兩倍的峰值，如果都處在低
谷時，疊加的結果就會是兩倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外
一列波在它的谷底呢？

答案是它們會互相抵消。如果兩列波在這樣的情況下相遇（物理上叫做“反相”），那麼
在它們重疊的地方，將會波平如鏡，既沒有高峰，也沒有谷底。這就像一個人把你往左邊
拉，另一個人用相同的力氣把你往右邊拉，結果是你會站在原地不動。

托馬斯•楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候，被這個關于波動的想法給深深打動了
。為什麼會形成一明一暗的條紋呢？一個思想漸漸地在楊的腦海里成型：用波來解釋不是
很簡單嗎？明亮的地方，那是因為兩道光正好是“同相”的，它們的波峰和波谷正好相互
增強，結果造成了兩倍光亮的效果（就好像有兩個人同時在左邊或者右邊拉你）；而黑暗
的那些條紋，則一定是兩道光處於“反相”，它們的波峰波谷相對，正好互相抵消了（就
好像兩個人同時在兩邊拉你）。這一大膽而富於想象的見解使楊激動不已，他馬上着手進
行了一系列的實驗，並於1801年和1803年分別發表論文報告，闡述了如何用光波的干涉效
應來解釋牛頓環和衍射現象。甚至通過他的實驗數據，計算出了光的波長應該在1/36000
至1/60000英寸之間。

在1807年，楊總結出版了他的《自然哲學講義》，裡面綜合整理了他在光學方面的工作，
並在裡面第一次描述了他那個名揚四海的實驗：光的雙縫干涉。後來的歷史證明，這個實
驗完全可以躋身於物理學史上最經典的前五個實驗之列，而在今天，它已經出現在每一本
中學物理的教科書上。

楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個
點光源（從一個點發出的光源）。現在在紙後面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩
道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、暗交替
的條紋，這就是現在眾人皆知的干涉條紋。

楊的著作點燃了革命的導火索，物理史上的“第二次微波戰爭”開始了。波動方面軍在經
過了百年的沉寂之後，終於又回到了歷史舞台上來。但是它當時的日子並不是好過的，在
微粒大軍仍然一統天下的年代，波動的士兵們衣衫襤褸，缺少後援，只能靠游擊戰來引起
人們對它的注意。楊的論文開始受盡了權威們的嘲笑和諷刺，被攻擊為“荒唐”和“不合
邏輯”，在近20年間竟然無人問津。楊為了反駁專門撰寫了論文，但是卻無處發表，只好
印成小冊子，但是據說發行後“只賣出了一本”。

不過，雖然高傲的微粒仍然沉醉在牛頓時代的光榮之中，一開始並不把起義的波動叛亂分
子放在眼睛裡。但他們很快就發現，這些反叛者雖然人數不怎麼多，服裝並不那麼整齊，
但是他們的武器卻今非昔比。在受到了幾次沉重的打擊後，干涉條紋這門波動大炮的殺傷
力終於驚動整個微粒軍團。這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現象證據確鑿，幾乎無法反
駁。無論微粒怎麼樣努力，也無法躲開對手的無情轟炸：它就是難以說明兩道光疊加在一
起怎麼會反而造成黑暗。而波動的理由卻是簡單而直接的：兩個小孔距離屏幕上某點的距
離會有所不同。當這個距離是波長的整數值時，兩列光波正好互相加強，就形成亮點。反
之，當距離差剛好造成半個波長的相位差時，兩列波就正好互相抵消，造成暗點。理論計
算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。

在節節敗退後，微粒終於發現自己無法抵擋對方的進攻。於是它採取了以攻代守的戰略。
許多對波動說不利的實驗證據被提出來以證明波動說的矛盾。其中最為知名的就是馬呂斯
（Etienne Louis Malus）在1809年發現的偏振現象，這一現象和已知的波動論有牴觸的
地方。兩大對手開始相持不下，但是各自都沒有放棄自己獲勝的信心。楊在給馬呂斯的信
里說：“……您的實驗只是證明了我的理論有不足之處，但沒有證明它是虛假的。”

決定性的時刻在1819年到來了。最後的決戰起源於1818年法國科學院的一個懸賞徵文競賽
。競賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導光線通過物體附近時的運動情
況。競賽評委會由許多知名科學家組成，這其中包括比奧（J.B.Biot）、拉普拉斯（Pier
re Simon de Laplace）和泊松（S.D.Poission），都是積極的微粒說擁護者。組織這個
競賽的本意是希望通過微粒說的理論來解釋光的衍射以及運動，以打擊波動理論。

但是戲劇性的情況出現了。一個不知名的法國年輕工程師——菲涅耳（Augustin
Fresnel，當時他才31歲）向組委會提交了一篇論文《關於偏振光線的相互作用》。在這
篇論文裡，菲涅耳採用了光是一種波動的觀點，但是革命性地認為光是一種橫波（也就是
類似水波那樣，振子作相對傳播方向垂直運動的波）而不像從胡克以來一直所認為的那樣
是一種縱波（類似彈簧波，振子作相對傳播方向水平運動的波）。從這個觀念出發，他以
嚴密的數學推理，圓滿地解釋了光的衍射，並解決了一直以來困擾波動說的偏振問題。他
的體系完整而無缺，以致委員會成員為之深深驚嘆。泊松並不相信這一結論，對它進行了
仔細的審查，結果發現當把這個理論應用於圓盤衍射的時候，在陰影中間將會出現一個亮
斑。這在泊松看來是十分荒謬的，影子中間怎麼會出現亮斑呢？這差點使得菲涅爾的論文
中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果（François Arago）在關鍵時刻堅持要進行實
驗檢測，結果發現真的有一個亮點如同奇蹟一般地出現在圓盤陰影的正中心，位置亮度和
理論符合得相當完美。

菲涅爾理論的這個勝利成了第二次微波戰爭的決定性事件。他獲得了那一屆的科學獎（Gr
and Prix），同時一躍成為了可以和牛頓，惠更斯比肩的光學界的傳奇人物。圓盤陰影正
中的亮點（後來被相當有誤導性地稱作“泊松亮斑”）成了波動軍手中威力不下於干涉條
紋的重武器，給了微粒勢力以致命的一擊。起義者的烽火很快就燃遍了光學的所有領域，
把微粒從統治的地位趕了下來，後者在嚴厲的打擊下捉襟見肘，節節潰退，到了19世紀中
期，微粒說挽回戰局的唯一希望就是光速在水中的測定結果了。因為根據粒子論，這個速
度應該比真空中的光速要快，而根據波動論，這個速度則應該比真空中要慢才對。

然而不幸的微粒軍團終於在1819年的莫斯科嚴冬之後，又於1850年迎來了它的滑鐵盧。這
一年的5月6日，傅科（Foucault，他後來以“傅科擺”實驗而聞名）向法國科學院提交了
他關於光速測量實驗的報告。在準確地得出光在真空中的速度之後，他也進行了水中光速
的測量，發現這個值小於真空中的速度。這一結果徹底宣判了微粒說的死刑，波動論終於
在100多年後革命成功，登上了物理學統治地位的寶座。在勝利者的一片歡呼聲中，第二
次微波戰爭隨着微粒的戰敗而宣告結束。

但是波動內部還是有一個小小的困難，就是以太的問題。光是一種橫波的事實已經十分清
楚，它傳播的速度也得到了精確測量，這個數值達到了30萬公里/秒，是一個驚人的高速
。通過傳統的波動論，我們必然可以得出它的傳播媒介的性質：這種媒介必定是十分地堅
硬，比最硬的物質金剛石還要硬上不知多少倍。然而事實是從來就沒有任何人能夠看到或
者摸到這種“以太”，也沒有實驗測定到它的存在。星光穿越幾億億公里的以太來到地球
，然而這些堅硬無比的以太卻不能阻擋任何一顆行星或者彗星的運動，哪怕是最微小的也
不行！

波動對此的解釋是以太是一種剛性的粒子，但是它卻是如此稀薄，以致物質在穿過它們時
幾乎完全不受到任何阻力，“就像風穿過一小片叢林”（托馬斯•楊語）。以太在
真空中也是絕對靜止的，只有在透明物體中，可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假說
）。

這個觀點其實是十分牽強的，但是波動說並沒有為此困惑多久。因為更加激動人心的勝利
很快就到來了。偉大的麥克斯韋於1856，1861和1865年發表了三篇關於電磁理論的論文，
這是一個開天闢地的工作，它在牛頓力學的大廈上又完整地建立起了另一座巨構，而且其
輝煌燦爛絕不亞於前者。麥克斯韋的理論預言，光其實只是電磁波的一種。這段文字是他
在1861年的第二篇論文《論物理力線》裡面特地用斜體字寫下的。而我們在本章的一開始
已經看到，這個預言是怎麼樣由赫茲在1887年用實驗證實了的。波動說突然發現，它已經
不僅僅是光領域的統治者，而是業已成為了整個電磁王國的最高司令官。波動的光輝到達
了頂點，只要站在大地上，它的力量就像古希臘神話中的巨人那樣，是無窮無盡而不可戰
勝的。而它所依靠的大地，就是麥克斯韋不朽的電磁理論。


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飯後閒話：阿拉果（Dominique François Jean Arago）的遺憾

阿拉果一向是光波動說的捍衛者，他和菲涅耳在光學上其實是長期合作的。菲涅耳關於光
是橫波的思想，最初還是來源於托馬斯•楊寫給阿拉果的一封信。而對於相互垂直
的兩束偏振光線的相乾性的研究，是他和菲涅耳共同作出的，兩人的工作明確了來自同一
光源但偏振面相互垂直的兩支光束，不能發生干涉。但在雙折射和偏振現象上，菲涅耳顯
然更具有勇氣和革命精神，在兩人完成了《關於偏振光線的相互作用》這篇論文後，菲涅
耳指出只有假設光是一種橫波，才能完滿地解釋這些現象，並給出了推導。然而阿拉果對
此抱有懷疑態度，認為菲涅耳走得太遠了。他坦率地向菲涅耳表示，自己沒有勇氣發表這
個觀點，並拒絕在這部分論文後面署上自己的名字。於是最終菲涅耳以自己一個人的名義
提交了這部分內容，引起了科學院的震動，而最終的實驗卻表明他是對的。

這大概是阿拉果一生中最大的遺憾，他本有機會和菲涅耳一樣成為在科學史上大名鼎鼎的
人物。當時的菲涅耳還是無名小輩，而他在學界卻已經聲名顯赫，被選入法蘭西研究院時
，得票甚至超過了著名的泊松。其實在光波動說方面，阿拉果做出了許多傑出的貢獻，不
在菲涅耳之下，許多還是兩人互相啟發而致的。在菲涅耳面臨泊松的質問時，阿拉果仍然
站在了菲涅耳一邊，正是他的實驗證實了泊松光斑的存在，使得波動說取得了最後的勝利
。但關鍵時候的遲疑，卻最終使得他失去了“物理光學之父”的稱號。這一桂冠如今戴在
菲涅耳的頭上。

五

上次說到，隨着麥克斯韋的理論為赫茲的實驗所證實，光的波動說終於成為了一個板上釘
釘的事實。

波動現在是如此地強大。憑藉着麥氏理論的力量，它已經徹底地將微粒打倒，並且很快就
拓土開疆，建立起一個空前的大帝國來。不久後，它的領土就橫跨整個電磁波的頻段，從
微波到X射線，從紫外線到紅外線，從γ射線到無線電波……普通光線只是它統治下的一
個小小的國家罷了。波動君臨天下，振長策而御宇內，四海之間莫非王土。而可憐的微粒
早已銷聲匿跡，似乎永遠也無法翻身了。

赫茲的實驗也同時標誌着經典物理的頂峰。物理學的大廈從來都沒有這樣地金壁輝煌，令
人嘆為觀止。牛頓的力學體系已經是如此雄偉壯觀，現在麥克斯韋在它之上又構建起了同
等規模的另一幢建築，它的光輝燦爛讓人幾乎不敢仰視。電磁理論在數學上完美得難以置
信，著名的麥氏方程組剛一問世，就被世人驚為天物。它所表現出的深刻、對稱、優美使
得每一個科學家都陶醉在其中，玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）情不自禁地引用歌德的詩
句說：“難道是上帝寫的這些嗎？”一直到今天，麥氏方程組仍然被公認為科學美的典範
，即使在還沒有赫茲的實驗證實之前，已經廣泛地為人們所認同。許多偉大的科學家都為
它的魅力折服，並受它深深的影響，有着對於科學美的堅定信仰，甚至認為：對於一個科
學理論來說，簡潔優美要比實驗數據的準確來得更為重要。無論從哪個意義上來說，電磁
論都是一種偉大的理論。羅傑•彭羅斯（Roger Penrose）在他的名著《皇帝新腦》
（The Emperor’s New Mind）一書裡毫不猶豫地將它和牛頓力學，相對論和量子論並列
，稱之為“Superb”的理論。

物理學征服了世界。在19世紀末，它的力量控制着一切人們所知的現象。古老的牛頓力學
城堡歷經歲月磨礪風雨吹打而始終屹立不倒，反而更加凸現出它的偉大和堅固來。從天上
的行星到地上的石塊，萬物都必恭必敬地遵循着它制定的規則。1846年海王星的發現，更
是它所取得的最偉大的勝利之一。在光學的方面，波動已經統一了天下，新的電磁理論更
把它的光榮擴大到了整個電磁世界。在熱的方面，熱力學三大定律已經基本建立（第三定
律已經有了雛形），而在克勞修斯（Rudolph Clausius）、范德瓦爾斯（J.D. Van der
Waals）、麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等天才的努力下，分
子運動論和統計熱力學也被成功地建立起來了。更令人驚奇的是，這一切都彼此相符而互
相包容，形成了一個經典物理的大同盟。經典力學、經典電動力學和經典熱力學（加上統
計力學）形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結合在一塊兒，構築起了一座華麗而雄
偉的殿堂。

這是一段偉大而光榮的日子，是經典物理的黃金時代。科學的力量似乎從來都沒有這樣地
強大，這樣地令人神往。人們也許終於可以相信，上帝造物的奧秘被他們所完全掌握了，
再沒有遺漏的地方。從當時來看，我們也許的確是有資格這樣驕傲的，因為所知道的一切
物理現象，幾乎都可以從現成的理論里得到解釋。力、熱、光、電、磁……一切的一切，
都在控制之中，而且用的是同一種手法。物理學家們開始相信，這個世界所有的基本原理
都已經被發現了，物理學已經盡善盡美，它走到了自己的極限和盡頭，再也不可能有任何
突破性的進展了。如果說還有什麼要做的事情，那就是做一些細節上的修正和補充，更加
精確地測量一些常數值罷了。人們開始傾向於認為：物理學已經終結，所有的問題都可以
用這個集大成的體系來解決，而不會再有任何真正激動人心的發現了。一位著名的科學家
（據說就是偉大的開爾文勳爵）說：“物理學的未來，將只有在小數點第六位後面去尋找
”。普朗克的導師甚至勸他不要再浪費時間去研究這個已經高度成熟的體系。

19世紀末的物理學天空中閃爍着金色的光芒，象徵着經典物理帝國的全盛時代。這樣的偉
大時期在科學史上是空前的，或許也將是絕後的。然而，這個統一的強大帝國卻註定了只
能曇花一現。喧囂一時的繁盛，終究要像泡沫那樣破滅凋零。

今天回頭來看，赫茲1887年的電磁波實驗（準確地說，是他於1887－1888年進行的一系列
的實驗）的意義應該是複雜而深遠的。它一方面徹底建立了電磁場論，為經典物理的繁榮
添加了濃重的一筆；在另一方面，它卻同時又埋藏下了促使經典物理自身毀滅的武器，孕
育出了革命的種子。

我們還是回到我們故事的第一部分那裡去：在卡爾斯魯厄大學的那間實驗室里，赫茲銅環
接收器的缺口之間不停地爆發着電火花，明白無誤地昭示着電磁波的存在。

但偶然間，赫茲又發現了一個奇怪的現象：當有光照射到這個缺口上的時候，似乎火花就
出現得更容易一些。

赫茲把這個發現也寫成了論文發表，但在當時並沒有引起很多的人的注意。當時，學者們
在為電磁場理論的成功而歡欣鼓舞，馬可尼們在為了一個巨大的商機而激動不已，沒有人
想到這篇論文的真正意義。連赫茲自己也不知道，量子存在的證據原來就在他的眼前，幾
乎是觸手可得。不過，也許量子的概念太過爆炸性，太過革命性，命運在冥冥中安排了它
必須在新的世紀中才可以出現，而把懷舊和經典留給了舊世紀吧。只是可惜赫茲走得太早
，沒能親眼看到它的誕生，沒能目睹它究竟將要給這個世界帶來什麼樣的變化。

終於，在經典物理還沒有來得及多多體味一下自己的盛世前，一連串意想不到的事情在19
世紀的最後幾年連續發生了，仿佛是一個不祥的預兆。

1895年，倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen）發現了X射線。
1896年，貝克勒爾（Antoine Herni Becquerel）發現了鈾元素的放射現象。
1897年，居里夫人（Marie Curie）和她的丈夫皮埃爾•居里研究了放射性，並發現
了更多的放射性元素：釷、釙、鐳。
1897年，J.J.湯姆遜（Joseph John Thomson）在研究了陰極射線後認為它是一種帶負電
的粒子流。電子被發現了。
1899年，盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了元素的嬗變現象。

如此多的新發現接連湧現，令人一時間眼花繚亂。每一個人都開始感覺到了一種不安，似
乎有什麼重大的事件即將發生。物理學這座大廈依然聳立，看上去依然那麼雄偉，那麼牢
不可破，但氣氛卻突然變得異常凝重起來，一種山雨欲來的壓抑感覺在人們心中擴散。新
的世紀很快就要來到，人們不知道即將發生什麼，歷史將要何去何從。眺望天邊，人們隱
約可以看到兩朵小小的烏雲，小得那樣不起眼。沒人知道，它們即將帶來一場狂風暴雨，
將舊世界的一切從大地上徹底抹去。

但是，在暴風雨到來之前，還是讓我們抬頭再看一眼黃金時代的天空，作為最後的懷念。
金色的光芒照耀在我們的臉上，把一切都染上了神聖的色彩。經典物理學的大廈在它的輝
映下，是那樣莊嚴雄偉，溢彩流光，令人不禁想起神話中宙斯和眾神在奧林匹斯山上那亘
古不變的宮殿。誰又會想到，這震撼人心的壯麗，卻是斜陽投射在龐大帝國土地上最後的
餘輝。