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国际光年 | 光之本性的百年探索与论战

联合国教科文组织将2015年定为“国际光年”。公元1600年以来,人类对光的本性进行了不懈的探索。光的波动说与微粒说各领风骚上百年。它们之间除了激烈论战的一面外,还有相互吸收的另一面。经过不断努力,人们最终认识到“波粒二象性”才是光的本性。在这个过程中,惠更斯、牛顿、托马斯·杨、菲涅耳、麦克斯韦和爱因斯坦等众多科学家做出了卓越贡献。

方在庆 黄佳(中科院自然科学史所)

联合国教科文组织(UNESCO)将2015年定为“国际光年”(International Year of Light),将一系列与光有关的重大历史事件进行关联,其目的是增加人们对光科学及其应用成就的了解,为人类在能源、教育、农业、通信和健康等领域所面临的挑战提供解决方案。

1000年前(1015年),出生于今伊拉克巴士拉城(Basra)的阿拉伯物理学家伊本•海赛木(Ibn Al-Haytham,约965—约1040)发表了《光学之书》(Kitābal-Manāzir),不仅系统阐述了失传已久的古希腊光学知识,而且加上了他在透镜的放大效应、大气折射方面的见解,为文艺复兴和科学革命做了知识储备。200年前(1815年),法国外省工程师、物理学家菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel,1788—1827)吸收了光波动学说创始人惠更斯(Christiaan Huygens,1629—1695)的次波概念,复兴并完善了光的波动学说。150年前(1865年),英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879)预言了电磁波,认为光就是电磁波。100年前(1915年),爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955)创立了广义相对论,指出光线受到引力场的作用会发生弯曲。在此之前的1905年,他用光量子概念成功地解释了光电效应。50年前(1965年),彭齐亚斯(Arno Penzias,1933— )和威尔逊(Robert Wilson,1936— )预测了宇宙微波背景辐射,同年高锟(Charles K. Kao,1933— )在光导纤维通讯领域取得了革命性的突破。

几千年来,人类一直在寻找光的本质。光究竟是什么,它是如何产生的,它的构成如何?这些问题一直困扰着人们。从神的隐喻到科学分析,经历了漫长曲折的过程。古希腊哲学家就在思考“光的直进、折射和反射”等问题。恩培多克勒(Empedocles,约公元前490 年—前430 年)就是其中的典型代表。我国古代《墨经》中也有不少关于光学现象的论述。而真正对光的本质进行科学探讨,是从1600年左右开始的。法国哲学家笛卡儿(René Descartes,1596—1650)系统地阐述了关于光的本性的观点。之后,惠更斯、牛顿(Isaac Newton,1643—1727)、托马斯•杨(Thomas Young,1773—1829)、菲涅耳、麦克斯韦和爱因斯坦等众多科学家前赴后继,做出了卓越贡献。光学从几何光学、物理光学发展到量子光学的过程中,也极大地推动了物理学其他领域的发展。”在整个物理学发展中,还没有任何一个课题,能像对光的本性的研究那样,意义巨大,影响深远,为物理学开拓出这样多的新境界。”[1]

历史上,以牛顿、拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749—1827)、毕奥(Jean-Baptiste Biot,1774—1862)等为代表的光的微粒派,和以惠更斯、托马斯•杨、菲涅耳等为代表的波动派之间展开了多个回合的论争。两大阵营大将辈出,互有胜负,各领风骚上百年。这段历史也是史家之最爱,为了强调冲突的戏剧效果,往往将双方的对峙说成是阵线分明,你死我活。这与史实相差甚远。本文从波澜壮阔的历史中选择了三个典型阶段,试图通过展示其中被忽视的部分,还原真实曲折的研究过程,彰显科学研究成果得到承认之不易。

微粒说与波动说之争

笛卡儿首先提出了关于光的本性的两种假说:光是类似于微粒的一种物质;光是一种以“以太”为媒质的压力,“光在本质上是一种压力,在一种完全弹性的、充满一切空间的媒质(以太)中传递”。[2]

无论惠更斯还是牛顿,都是从笛卡儿的学说出发,在吸收并最终抛弃笛卡儿的思想基础上形成两大对立的流派——微粒说(emission theory, or corpuscular theory)和波动说(undulatory theory, or wave theory)。

微粒说是原子论(atomism)的一个变种。17世纪初,一直占据统治地位的亚里士多德哲学已经千疮百孔,自然哲学家们试图寻求一种新的学说来代替它。1610—1650 年,一种源于伊壁鸠鲁学派(Epicureanism)及其原子论的机械哲学(mechanical philosophy)流行起来。按照机械哲学,宇宙就是某种类型的机械装置,宇宙中的一切,包括一个人的身体、精神和心灵都由众多运动着的非常小的颗粒构成。[3]

光的微粒说类似于原子论,但两者又有所不同。在原子论中,原子本身是不可分的,而在微粒说中,微粒原则上是可分的。微粒是单一的、无限小的,具有形状、大小、颜色和其他物理性质。光就是由这些微小的离散颗粒组成,以光速并带有冲力沿着直线行进。按照这种设想,光的直线传播、反射、折射、镜面成像、透镜成像等光学现象都不难解释。[4]

惠更斯在1690年出版的《光论》(Traité de la lumiére,1690)一书中,主张“光同声一样,是以球形波面传播的”。按照以他名字命名的惠更斯原理,介质中任一波阵面上的各点,都是发射子波的新波源,在其后的任意时刻,这些子波的包络面就是新的波阵面。他由此解释了反射、折射以及冰洲石的奇异折射现象,由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质(“以太”)应该充满包括真空在内的全部空间。

牛顿早在1664年就开始了光学研究。1666年,他用三棱镜进行了著名的色散试验,发现白光是由各种不同颜色的光组成的。1668年,牛顿制成了第一架反射望远镜样机。1671年,牛顿把经过改进的反射望远镜献给了英国皇家学会。1672年,牛顿发表了《关于光和颜色的理论》一文,并到皇家学会阐述自己的观点,认为白光经过棱镜产生色散,分成七色光,这是因为不同颜色微粒的混合与分开造成的。牛顿的主张遭到赞成光波动说的胡克(Robert Hooke,1635—1703)的尖锐批评。牛顿特别生气,称胡克完全没有理解自己这一划时代发现的意义。胡克时任皇家学会的“实验秘书”(Curator of Experiments),脾气很大,两人的关系闹得很僵。牛顿的光学研究停顿了一段时间,不再公开发表这方面的论文,他将已完成的著作《光学》延迟到胡克过世后才出版。[5]


英国皇家学会保存的牛顿制造的反射式望远镜

牛顿认为波动说不能简洁明了地解释光的直线传播,不能说明光在晶体中传播时所显示出光的传播的不对称性。其次,光传播的“以太”介质假说让人难以置信。其实,这里涉及科学理论的解释力问题。反射、折射等现象属于几何光学范畴,用微粒说来解释比较直观,易于理解与接受,用波动说也能解释,只不过没有微粒说的解释那样直观。但对于像“牛顿环”这样的现象,用波动说解释就顺理成章,而用微粒说来解释就有点牵强。在惠更斯和牛顿的论争中,双方都只抓对方的弱项,用实验观察的结果来判定对方理论是否正确,惠更斯指出,如果光是微粒性的,那么来自不同光源的光线在交叉时就会因发生碰撞而改变方向,但当时并没有发现这种现象。而在牛顿看来,如果光是一种波,它应当同声波一样可以绕过障碍物,而不会产生影子,可在实验中,光线绕过障碍物的现象并没有出现。

1703年,胡克去世,同年,牛顿被选为皇家学会会长。此时的牛顿已俨然成为欧洲科学界的教皇。没有了惠更斯和胡克,波动学说阵营已无力应战。牛顿派的微粒说占了上风,统治光学界一个世纪之久。其实牛顿与惠更斯之间的关系,绝不是水火不容的敌我关系。惠更斯与牛顿之间在学术中互有交往,牛顿从惠更斯的著作中得到不少启示,称其为“德高望重的惠更斯”、“当代最伟大的几何学家”。惠更斯在60岁时,为了拜访牛顿和其他几位科学家,他带病从荷兰前往英国。

尽管牛顿不喜欢别人不同意他的观点,但在学术问题上他还是保持了学者应有的谦逊。他曾反复设计一些光学实验,详细记录了不同薄膜所呈现的各不相同的“牛顿环”。“在我关于光的粒子结构理论中,我作出的结论是正确的,但是,我作这结论并没有绝对肯定。只能用一个词来表示:可能。”[6]惠更斯更是如此。他在1690年出版的《光论》的序言中写道:“还有许多有关光的本性问题有待探究,我没有妄称已经揭示出光的本性,而我将非常感谢那些能弥补我在知识上的不足的人。”[7]

有学者认为牛顿并非纯粹的微粒说者,而是微粒说与波动说的某种“古怪混合”,甚至与“波粒二象性”有很大的相似性。[8]考虑到“波粒二象性”是一个全新的概念,绝非波动说与微粒说的简单组合或综合,这种说法是不合乎历史的,过于抬高牛顿了。

菲涅耳令波动说胜出

在1816至1819年间,几个著名的微粒说者已经意识到了干涉理论(theory of interference)可以解释微粒说无法解释的现象。他们面临着抉择,要么选择干涉理论,要么固执己见。最初的反应是仅将干涉理论作为一个唯象理论。

托马斯•杨的出现,让微粒说的一统地位开始出现动摇。牛顿之后的英国,微粒说占据主流。法国也是如此。其中的大将,是在当时被称为“法国牛顿”的拉普拉斯。拉普拉斯在政治上见风使舵,以政治投机闻名,曾毛遂自荐当过拿破仑的内政部长六个月。尽管微粒派极力捍卫,但在解释干涉、衍射等光学现象时却捉襟见肘,相反,用波动理论解释则简洁许多。菲涅耳优美的数学表述,从内部分化了微粒说的阵营;一些原先反对波动说的学者开始“改宗”或“倒戈”,就连一些最坚定的成员也开始动摇,在事实面前接受波动学说。以菲涅耳获得1819年法国科学院的奖项作为转折点,光的波动理论重新获得主导权。

托马斯•杨出生于英格兰萨默塞特郡(Somerset)的一个贵格会教徒家庭。他应该是当时英格兰最博学、最多才多艺的人。他在非常年轻时就掌握了几十种语言。他最初学医,1796年在格丁根获得博士学位。早在1794年,刚20岁出头的他成为英国皇家学会会员。1797年,他继承了舅公的遗产,从而衣食无忧,成为一名独立的开业医生。1801年至1804 年,他是英国皇家研究院(Royal Institute)的物理教授,后来成为经度委员会(Board of Longitude)的秘书。去世前不久,他开始对保险感兴趣。1827年,他被选为法国科学院仅有的8位外国院士之一。杨非常看重自己的医生角色,他的许多科学论文都是匿名发表的。他在解读古埃及象形文字,尤其是在“罗塞塔石碑”(Rosetta Stone)的文学辨认方面做出过显著贡献。在英语世界里,他被认为是引入“印欧语系”(indo-european)概念的人。[9]

一开始,杨是在一些实验事实的基础上对牛顿的光学理论产生怀疑。他把光和声进行了类比,发现两者在重叠后都有增强和减弱的现象。1801年,他进行了著名的双缝干涉实验。1803年,他根据光的干涉定律对光的衍射现象做了进一步的解释,写成了《物理光学的实验和计算》(Experiments and Calculations Relative to Physical Optics)一文,1804年发表在《哲学会刊》(Philosophical Transactions)上。[9]

杨的理论没有得到学界的足够重视,却引起了微粒派的警觉和反弹。1808年,拉普拉斯用微粒学说分析了光的双折射现象,以此批驳杨的波动学说。1809年,拉普拉斯的学生、曾参与拿破仑远征埃及的马吕斯(Étienne-Louis Malus,1775—1812)发现了光的偏振现象。进一步研究表明,光在折射时是部分偏振的。他用微粒说成功地解释了双折射。另一位牛顿派大将毕奥解释了色偏振,这是一个以前未被注意的新现象。1811年,布儒斯特(Sir David Brewster,1781—1868)发现了光的偏振现象的经验定律。而按照惠更斯和杨的理论,光应该是一种纵波,纵波是不可能发生这样的偏振的。为此,杨又进行了深入研究,1817年,他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法,提出了光是一种横波的假说,从而比较成功地解释了光的偏振现象。[9]

为了彰显光的微粒学说的统治地位,拉普拉斯和毕奥提出将光的衍射问题作为1818年法国巴黎科学院悬赏征求最佳论文的题目。但最终事与愿违,获奖的是试图复兴惠更斯波动学说的外省工程师菲涅耳。这件事本身就非常具有戏剧性。五个评奖委员中有三个——拉普拉斯、毕奥、泊松(Siméon-Denis Poisson,1781—1840)是微粒说的信奉者,但他们仍然把奖项给了菲涅耳。这个事件被视为表明连微粒说理论家都认为菲涅耳的理论优于微粒说的证据。

出生于厄尔省的菲涅耳并不是一个早慧的天才,恰恰相反,他到8岁时还不会阅读。但进入中学,尤其是大学后,他的卓越才华就显示出来了。菲涅耳1814年开始研究光学,写了一篇关于光行差的论文。1819年,他成功地完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验,当年底,他对光的传播方向进行定性实验后,与阿拉果(Francois Arago,1786—1853)一道建立了光的横波传播理论。菲涅耳的波动理论以高度发展的数学为特征,利用干涉理论对惠更斯原理进行补充,后世称之为惠更斯-菲涅耳原理(Huygens-Fresnel principle)。

如果不考虑理论背后的本体论承诺,科学家们在比较两种理论之间的优劣时,更多是从美学角度出发,看是否在数学上更简洁。微粒说可以很好地解释光的反射现象,但解释衍射和折射现象就比较困难。微粒理论并非不能解释折射,但是用波动理论解释起来更简单,无需另外添加辅助假设等。

菲涅耳的外省人、边缘人的身份,也许是另一个值得考虑的因素。一方面,他远离学术中心,没有太多顾忌,敢于提出全新的看法。另一方面,所谓初生牛犊不怕虎,他有敢于作出重大突破的心理素质。在历史上,恰恰是这些边缘人作出了重大发现。当用微粒说来解释一些光学现象变得越来越复杂和困难时,“随着观测继续进行,这些不连贯的附加部分越来越多,直到它们彻底颠覆了最初的框架”。[2]一个数学上简洁优美、更具有解释力的理论就被接受了。在解释光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等与光的传播有关的现象时,波动理论取得了完全的成功。

光的波动说获得承认之后,托马斯•杨多少有点不服气。他认为自己“早已植下了这棵树,而菲涅耳只不过摘下了树上的苹果”。菲涅耳与杨的关系从一开始就有点紧张,但还是维持着正常的学术交往。当菲涅耳于1927年英年早逝时,学界公正地评价了他们的贡献,承认了杨的作用。杨自己也承认,他的贡献更多是提出“准确的建议”(acute suggestion),而不是“实验说明”(experimental illustration)。作为一位“博学者”(polymath),他对大的方向有非常敏锐的感觉,但在细节方面却缺乏更加深入的研究。[9]他的干涉原理没有得到应有和及时的承认,与其博学者身份不无关系。


确立光之本性

苏格兰物理学家麦克斯韦被认为是处于牛顿和爱因斯坦之间的最伟大的物理学家。

1860年代,光的波动说已经确立很久了。麦克斯韦在总结前人关于电磁学方面的研究成果的基础上,于1861年提出了光本身就是一种电磁扰动的看法。麦克斯韦的观点并没有削弱那时已经建立的波动说的重要地位,因为他提出的电磁扰动具备了波动学说所有的标准特征。在1865年,麦克斯韦进一步指出光也是一种电磁波,从而产生了光的电磁理论。

1900年,为了解决经典物理学预测的黑体辐射能量分布同实验结果之间严重不符的矛盾,普朗克(Max Planck,1858—1947)提出了能量量子(energy quanta)的假设,从而得到了黑体辐射的普朗克公式。而对于量子概念背后的含义,普朗克并没有多想,只是把它作为权宜之计。1905年,爱因斯坦运用光量子假设,成功地解释了光电效应。令人遗憾的是,在爱因斯坦提出光量子假说后近20年的时间里,物理学家们一直拒绝接受它。只是当康普顿(Arthur Compton,1892—1962)和德拜(Peter Debye,1884—1966)通过实验证明,光子与电子在相互作用中不但有能量变换,还有一定的动量交换之后,爱因斯坦的光量子假说才被承认。[10]1925年量子力学建立后,物质波的概念得到承认。人们发现,原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性,波动性是物质运动的基本属性。那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已被“波粒二象性”所取代。经过200年的旅程,光的波动学说与微粒学说,在新的实验事实与理论面前,实现了融合。“波粒二象性”才是光的本性。20世纪50年代后,激光的出现和广泛应用,更加深了人们对光的本性的认识。

爱因斯坦在1917年左右曾说:“在我的余生中将对光的本性进行反思。”在他去世前四年,他在写给好朋友贝索(Michele Besso,1873—1955)的信中这样写道:“整整五十年的自觉思考没有使我更接近于解答 ‘量子是什么’这个问题。的确,现在每一个无赖都相信,他懂得它,可是他在欺骗他自己。”[11]

的确,爱因斯坦的一生与光结下不解之缘。早在中学阶段,他通过阅读伯恩斯坦(Aaron Bernstein,1818—1884)的《通俗科学大众读本》(Wissenschaftliche Volksbiier),了解了与光有关的一些有趣论述[12],这为后来的相对论埋下了思想伏笔。有趣的是,爱因斯坦获得1921年度的诺贝尔奖,是因为“光电效应”,而不是最能代表他成就的相对论。这件事常被用来诟病诺贝尔奖委员会。现在看来,这里面隐含了某种历史的必然。

从1910年起,爱因斯坦几乎每年(除1911年和1915年外)都获得诺贝尔奖的提名。1919 年11月6日,英国皇家学会和皇家天文学会举行联合会议宣布爱丁顿远征队考察结果。爱因斯坦一夜之间成为世界名人。诺贝尔委员会承受的压力也越来越大。他们很清楚,爱因斯坦早就应该获得诺贝尔奖。但诺贝尔委员会负责物理学的许多成员倾向于实验物理学,而不是理论物理学,再加上相对论不是很容易理解,所以爱因斯坦并没有得到委员们的青睐。


爱丁顿1919年拍摄的日全食照片

诺贝尔物理学奖委员会的负责人、1911年医学奖获得者古尔斯特兰德(Allvar Gullstrand,1862—1930),要对爱因斯坦未能因相对论获奖负责。古尔斯特兰德本人是一位出色的光学专家,是他那个时代几何光学领域中的佼佼者。他在物理学上颇为自负也是有原因的。他曾在1910年和1911年连续两年被提名获诺贝尔物理学奖,1911年同时被提名获生理学或医学奖。他拒绝了物理学奖而接受了生理学或医学奖。他之所以拒绝,可能跟他本人也是物理学奖委员会的成员有关。但他能得到物理学奖的提名,也绝非浪得虚名的。[13]

1921年,为慎重起见,诺贝尔奖委员会委托古尔斯特兰德和1903年度诺贝尔化学奖得主阿伦尼乌斯(Svante Arrhenius,1859—1927)对爱因斯坦的两大成就——相对论和光电效应分别进行评价。两个人都给了很低的评价。古尔斯特兰德认为相对论的结论是错的,他自己还试图提供另外一种解答。但从他提交的报告来看,他完全不懂相对论,误解并运用了其他学者对爱因斯坦的批评。由于有两份评价很低的报告,再加上古尔斯特兰德权力极大,爱因斯坦就没有获奖的可能。

诺贝尔委员会决定1921年的物理学奖先暂缓颁发。1922年,爱因斯坦又获得不少提名。委员会让古尔斯特兰德和一位刚加入诺贝尔物理奖委员会的学者奥辛(Carl W. Oseen,1879—1944)来提供学界对爱因斯坦的两项工作的最新评价。古尔斯特兰德同样负责提供学界对相对论的最新评价,奥辛负责评价光电效应。古尔斯特兰德照样提供了一份对相对论的相当低的评价意见,而奥辛对爱因斯坦在光电效应方面的工作则充满赞词。奥辛能理解爱因斯坦的工作,同时与古尔斯特兰德关系不错,他提出的让爱因斯坦以在“光电效应”方面的贡献获奖的折中方案很快获得通过。这样,在1922年时,诺贝尔奖委员会宣布爱因斯坦获得1921年度的诺贝尔物理学奖。更有趣的是,也许是出于补偿,诺贝尔奖委员会允许爱因斯坦的诺贝尔奖演讲不谈“在光电效应方面的工作”,而谈《相对论的基本思路和问题》。[14]

历史有让人难以捉摸的一面。当年反对爱因斯坦以相对论入选的理由,是因为它与诺贝尔(Alfred Nobel,1833—1896)本人的遗嘱不相符。诺贝尔的遗嘱是要将奖项授予在上一年度“为人类的福祉做出杰出贡献的人……在物理学界有最重大的发明或发现的人。”[15]

无论是相对论,还是光电效应,最终都深刻地改变了人类生活的面貌。我们现在的生活被以光电效应为基础的技术所包围,这也算是历史还爱因斯坦一个公正吧。

爱因斯坦的获奖过程为过度强调科学理论实际效用的评价体制提供了一面镜子。究竟应该由谁来评定一个科学理论的地位和作用,值得我们深思,这方面还有很长的路要走。

谨以此文献给国际光年。

参考文献:
[1] 苏汝铿.光的本性的探索.物理教学,1983(1):8-11.
[2] Nye M J, ed. The modern physical and mathematical sciences: The Cambridge history of science, volume 5. Cambridge: Cambridge University Press, 2002:273.
[3] Osler M J. Atoms, pneuma, and tranquillity, Epicurean and Stoic themes in european thought. Cambridge: Cambridge University Press,1991: 152; 276.
[4] Joy L S. Gassendi the atomist: advocate of history in an age of science. Cambridge: Cambridge University Press, 1987:3-21.
[5] Westfall R S. The construction of modern science-mechanisms and mechanics. Cambridge: Cambridge University Press,1977:69-70.
[6] Bell A E. Christian Huygens and the development of science in the seventeenth century. London: Edward Arnold & Co, 1950: 5.
[7] 惠更斯.惠更斯光论.蔡勖,译.北京院北京大学出版社,2007:序3.
[8] Newton I. Opticks: or a Treatise of the reflections, refractions, inflections & colours of light. New York,Mineola:Dover Publications Inc, 1952:lxii.
[9] Robinson A. The last man who knew everything. Oxford:Oneworld Publications, 2006.
[10] Wheaton B R. The tiger and the shark, empirical roots of waveparticle dualism. Cambridge:Cambridge University Press,1983:1.
[11] 爱因斯坦.爱因斯坦文集(增补本):第一卷. 许良英,李宝恒,赵中立等,编译.北京:商务印书馆,2009:706.
[12] Howard D, Stachel J. Einstein: the formative years, 1879-1909. Boston:Birkhauser Boston Inc, 2000:24.
[13] Gullstrand A. Allgemeine losung des statischen einkorperproblems in der Einsteinschen gravitationstheorie. Arkiv Mat Astron Fys,1922,16(8):1-15.
[14] Ravin J. Gullstrand, Einstein, and the Nobel Prize. Arch Ophthalmol,1999,117(5):670-672.
[15] Kant H. Alfred Nobel. Leipzig:Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH,1986:97.

(本文原载于上海《科学》杂志2015年第3期,标题《从惠更斯到爱因斯坦——对光本性的不懈探索》,《赛先生》获授权刊发,略有修订。)


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