版權所有：castor_v_pollux 原作 提交時間：04:39:19 05月17日
第一章 黃金時代
三
上次說到，關於光究竟是什麼的問題，在十七世紀中期有了兩種可能的假設：微粒說和波
動說。
然而在一開始的時候，雙方的武裝都是非常薄弱的。微粒說固然有着悠久的歷史，但是它
手中的力量是很有限的。光的直線傳播問題和反射折射問題本來是它的傳統領地，但波動
方面軍隊在發展了自己的理論後，迅速就在這兩個戰場上與微粒平分秋色。而波動論作為
一種新興的理論，格里馬第的光衍射實驗是它發家的最大法寶，但它卻拖着一個沉重的包
袱，就是光以太的假設，這個憑空想象出來的媒介，將在很長一段時間裡成為波動軍隊的
累贅。
兩支力量起初並沒有發生什麼武裝衝突。在笛卡兒的《方法論》那裡，他們還依然心平氣
和地站在一起供大家檢閱。導致“第一次微波戰爭”爆發的導火索是波義耳（Robert
Boyle，中學裡學過波馬定律的朋友一定還記得這個討厭的愛爾蘭人？）在1663年提出的
一個理論。他認為我們看到的各種顏色，其實並不是物體本身的屬性，而是光照上去才產
生的效果。這個論調本身並沒有關繫到微粒波動什麼事，但是卻引起了對顏色屬性的激烈
爭論。
在格里馬第的眼裡，顏色的不同，是因為光波頻率的不同而引起的。他的實驗引起了胡克
（Robert Hooke）的興趣。胡克本來是波義耳的實驗助手，當時是英國皇家學會的會員，
同時也兼任實驗管理員。他重複了格里馬第的工作，並仔細觀察了光在肥皂泡里映射出的
色彩以及光通過薄雲母片而產生的光輝。根據他的判斷，光必定是某種快速的脈衝，於是
他在1665年出版的《顯微術》（Micrographia）一書中明確地支持波動說。《顯微術》這
本著作很快為胡克贏得了世界性的學術聲譽，波動說由於這位大將的加入，似乎也在一時
占了上風。
然而不知是偶然，還是冥冥之中自有安排，一件似乎無關的事情改變了整個戰局的發展。
1672年，一位叫做艾薩克•牛頓的年輕人向皇家學會評議委員會遞交了一篇論文，
名字叫做《關於光與色的新理論》。牛頓當時才30歲，剛剛當選為皇家學會的會員。這是
牛頓所發表的第一篇正式科學論文，其內容是關於他所做的光的色散實驗的，這也是牛頓
所做的最為有名的實驗之一。實驗的情景在一些科學書籍里被渲染得十分impressive：炎
熱難忍的夏天，牛頓卻戴着厚重的假髮呆在一間小屋裡。四面窗戶全都被封死了，屋子裡
面又悶又熱，一片漆黑，只有一束亮光從一個特意留出的小孔裡面射進來。牛頓不顧身上
汗如雨下，全神貫注地在屋裡走來走去，並不時地把手裡的一個三稜鏡插進那個小孔里。
每當三稜鏡被插進去的時候，原來的那束白光就不見了，而在屋裡的牆上，映射出了一條
長長的彩色寬帶：顏色從紅一直到紫。牛頓憑藉這個實驗，得出了白色光是由七彩光混合
而成的結論。
然而在這篇論文中，牛頓把光的複合和分解比喻成不同顏色微粒的混合和分開。胡克和波
義耳正是當時評議會的成員，他們對此觀點進行了激烈的抨擊。胡克聲稱，牛頓論文中正
確的部分（也就是色彩的複合）是竊取了他1665年的思想，而牛頓“原創”的微粒說則不
值一提。牛頓大怒，馬上撤回了論文，並賭氣般地宣稱不再發表任何研究成果。
其實在此之前，牛頓的觀點還是在微粒和波動之間有所搖擺的，並沒有完全否認波動說。
1665年，胡克發表他的觀點時，牛頓還剛剛從劍橋三一學院畢業，也許還在蘋果樹前面思
考他的萬有引力問題呢。但在這件事之後，牛頓開始一面倒地支持微粒說。這究竟是因為
報復心理，還是因為科學精神，今天已經無法得知了，想來兩方面都有其因素吧。不過牛
頓的性格是以小氣和斤斤計較而聞名的，這從以後他和萊布尼茲關於微積分發明的爭論中
也可見一斑。
但是，一方面因為胡克的名氣，另一方面也因為牛頓的注意力更多地轉移到了運動學和力
學方面，牛頓暫時仍然沒有正式地全面論證微粒說（只是在幾篇論文中反駁了胡克）。而
這時候，波動方面軍開始了他們的現代化進程——用理論來裝備自己。荷蘭物理學家惠更
斯（Christiaan Huygens）成為了波動說的主將。
惠更斯在數學理論方面是具有十分高的天才的，他繼承了胡克的思想，認為光是一種在以
太里傳播的縱波，並引入了“波前”的概念，成功地證明和推導了光的反射和折射定律。
他的波動理論雖然還十分粗略，但是所取得的成功卻是傑出的。當時隨着光學研究的不斷
深入，新的戰場不斷被開闢：1665年，牛頓在實驗中發現如果讓光通過一塊大曲率凸透鏡
照射到光學平玻璃板上，會看見在透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環條紋，也
就是著名的“牛頓環”（對圖象和攝影有興趣的朋友一定知道）。到了1669年，丹麥的巴
塞林那斯(E.Bartholinus)發現當光在通過方解石晶體時，會出現雙折射現象。惠更斯將
他的理論應用於這些新發現上面，發現他的波動軍隊可以容易地占領這些新辟的陣地，只
需要作小小的改制即可（比如引進橢圓波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光論》（Tr
aite de la Lumiere）出版，標誌着波動說在這個階段到達了一個興盛的頂點。
不幸的是，波動方面暫時的得勢看來註定要成為曇花一現的泡沫。因為在他們的對手那裡
站着一個光芒四射的偉大人物：艾薩克•牛頓先生（而且馬上就要成為爵士）。這
位科學巨人——不管他是出於什麼理由——已經決定要給予波動說的軍隊以毫不留情的致
命打擊。為了避免再次引起和胡克之間的爭執，導致不必要的誤解，牛頓在戰術上也進行
了精心的安排。直到胡克去世後的第二年，也就是1704年，牛頓才出版了他的煌煌巨著《
光學》（Opticks）。在這本劃時代的作品中，牛頓詳盡地闡述了光的色彩疊合與分散，
從粒子的角度解釋了薄膜透光，牛頓環以及衍射實驗中發現的種種現象。他駁斥了波動理
論，質疑如果光如同聲波一樣，為什麼無法繞開障礙物前進。他也對雙折射現象進行了研
究，提出了許多用波動理論無法解釋的問題。而粒子方面的基本困難，牛頓則以他的天才
加以解決。他從波動對手那裡吸收了許多東西，比如將波的一些有用的概念如振動，周期
等引入微粒論，從而很好地解答了牛頓環的難題。在另一方面，牛頓把粒子說和他的力學
體繫結合在了一起，於是使得這個理論頓時呈現出無與倫比的力量。
這完全是一次摧枯拉朽般的打擊。那時的牛頓，已經再不是那個可以在評議會上被人質疑
的青年。那時的牛頓，已經是出版了《數學原理》的牛頓，已經是發明了微積分的牛頓。
那個時候，他已經是國會議員，皇家學會會長，已經成為科學史上神話般的人物。在世界
各地，人們對他的力學體系頂禮膜拜，仿佛見到了上帝的啟示。而波動說則群龍無首（惠
更斯也早於1695年去世），這支失去了領袖的軍隊還沒有來得及在領土上建造幾座堅固一
點的堡壘，就遭到了毀滅性的打擊。他們驚恐萬狀，潰不成軍，幾乎在一夜之間喪失了所
有的陣地。這一方面是因為波動自己的防禦工事有不足之處，它的理論仍然不夠完善，另
一方面也實在是因為對手的實力過於強大：牛頓作為光學界的泰斗，他的才華和權威是不
容質疑的。第一次微波戰爭就這樣以波動的慘敗而告終，戰爭的結果是微粒說牢牢占據了
物理界的主流。波動被迫轉入地下，在長達整整一個世紀的時間裡都抬不起頭來。然而，
它卻仍然沒有被消滅，惠更斯等人所做的開創性工作使得它仍然具有頑強的生命力，默默
潛伏着以待東山再起的那天。
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飯後閒話：胡克與牛頓
胡克和牛頓在歷史上也算是一對歡喜冤家。兩個人都在力學，光學，儀器等方面有着偉大
的貢獻。兩人互相啟發，但是之間也存在着不少的爭論。除了關於光本性的爭論之外，他
們之間還有一個爭執，那就是萬有引力的平方反比定律究竟是誰發現的問題。胡克在力學
與行星運動方面花過許多心血，他深入研究了開普勒定律，於1964年提出了行星軌道因引
力而彎曲成橢圓的觀點。1674年他根據修正的慣性原理，提出了行星運動的理論。1679年
，他在寫給牛頓的信中，提出了引力大小與距離的平方成反比這個概念，但是說得比較模
糊，並未加之量化（原文是：…my supposition is that the Attraction always is in
a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal）。在牛頓的
《原理》出版之後，胡克要求承認他對這個定律的優先發現，但牛頓最後的回答卻是把所
有涉及胡克的引用都從《原理》裡面給刪掉了。
應該說胡克也是一位偉大的科學家，他曾幫助波義耳發現波義耳定律，用自己的顯微鏡發
現了植物的細胞，他在地質學方面的工作（尤其是對化石的觀測）影響了這個學科整整30
年，他發明和製造的儀器（如顯微鏡、空氣唧筒、發條擺輪、輪形氣壓表等）在當時無與
倫比。他所發現的彈性定律是力學最重要的定律之一。在那個時代，他在力學和光學方面
是僅次於牛頓的偉大科學家，可是似乎他卻永遠生活在牛頓的陰影里。今天的牛頓名滿天
下，但今天的中學生只有從課本里的胡克定律（彈性定律）才知道胡克的名字，胡剋死前
已經變得憤世嫉俗，字裡行間充滿了挖苦。他死後連一張畫像也沒有留下來，據說是因為
他“太醜了”。
