Part 1
我們的故事要從1887年的德國小城——卡爾斯魯厄（Karlsruhe）講起。美麗的萊茵河從阿爾卑斯山區緩緩流下，在山谷中輾轉向北，把南方溫暖濕潤的風帶到這片土地上。它本應是法德兩國之間的一段天然邊界，但16年前，雄才大略的俾斯麥通過一場漂亮的戰爭擊敗了拿破侖三世，攫取了河對岸的阿爾薩斯和洛林，也留下了法國人的眼淚和我們課本中震撼人心的《最後一課》的故事。和阿爾薩斯隔河相望的是巴登邦，神秘的黑森林從這裡延展開去，孕育著德國古老的傳說和格林兄弟那奇妙的靈感。卡爾斯魯厄就安靜地躺在森林與大河之間，無數輻射狀的道路如蛛網般收聚，指向市中心那座著名的18世紀的宮殿。這是一座安靜祥和的城市，據說，它的名字本身就是由城市的建造者卡爾（Karl）和「安靜」（Ruhe）一詞所組成。對於科學家來說，這裡實在是一個遠離塵世喧囂，可以安心做研究的好地方。
現在，海因裡希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）就站在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室裡，專心致志地擺弄他的儀器。那時候，赫茲剛剛30歲，新婚燕爾，也許不會想到他將在科學史上成為和他的老師亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）一樣鼎鼎有名的人物，不會想到他將和汽車大王卡爾·本茨（Carl Benz）一起成為這個小城的驕傲。現在他的心思，只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。
赫茲給他的裝置拍了照片，不過在19世紀80年代，照相的網目銅版印刷技術還剛剛發明不久，尚未普及，以致連最好的科學雜誌如《物理學紀事》（Annalen der Physik）都沒能把它們印在論文裡面。但是我們今天已經知道，赫茲的裝置是很簡單的：它的主要部分是一個電火花發生器，有兩個大銅球作為電容，並通過銅棒連接到兩個相隔很近的小銅球上。導線從兩個小球上伸展出去，纏繞在一個大感應線圈的兩端，然後又連接到一個梅丁格電池上，將這套古怪的裝置連成了一個整體。
赫茲全神貫注地注視著那兩個幾乎緊挨在一起的小銅球，然後合上了電路開關。頓時，電的魔力開始在這個簡單的系統裡展現出來：無形的電流穿過裝置裡的感應線圈，並開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心裡面想像著電容兩端電壓不斷上升的情形。在電學的領域攻讀了那麼久，赫茲對自己的知識是有充分信心的。他知道，當電壓上升到2萬伏左右，兩個小球之間的空氣就會被擊穿，電荷就可以從中穿過，往來於兩個大銅球之間，從而形成一個高頻的振蕩回路（LC回路）。但是，他現在想要觀察的不是這個。
果然，過了一會兒，隨著細微的「啪」的一聲，一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間，整個系統形成了一個完整的回路，細小的電流束在空氣中不停地扭動，綻放出幽幽的螢光來。火花稍縱即逝，因為每一次的振蕩都伴隨著少許能量的損失，使得電容兩端的電壓很快又降到擊穿值以下。於是這個怪物養精蓄銳，繼續充電，直到再次恢復飽滿的精力，開始另一場火花表演為止。
赫茲更加緊張了。他跑到窗口，將所有的窗簾都拉上，同時又關掉了實驗室的燈，讓自己處在一片黑暗之中。這樣一來，那些火花就顯得格外醒目而刺眼。赫茲揉了揉眼睛，讓它們更為習慣於黑暗的環境。他盯著那串間歇的電火花，還有電火花旁邊的空氣，心裡面想像了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個裝置如何產生火花短路，他這個實驗的目的，是為了求證那虛無縹緲的「電磁波」的存在。那是一種什麼樣的東西啊，它看不見，摸不著，到那時為止誰也沒有見過，驗證過它的存在。可是，赫茲對此是堅信不疑的，因為它是麥克斯韋（Maxwell）理論的一個預言，而麥克斯韋理論……哦，它在數學上簡直完美得像一個奇跡！彷彿是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想像它是錯誤的。赫茲吸了一口氣，又笑了：不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證的呀。他站在那裡看了一會兒，在心裡面又推想了幾遍，終於確定自己的實驗無誤：如果麥克斯韋是對的話，那麼每當發生器火花放電的時候，在兩個銅球之間就應該產生一個振蕩的電場，同時引發一個向外傳播的電磁波。赫茲轉過頭去，在不遠處，放著兩個開口的長方形銅環，在接口處也各鑲了一個小銅球，那是電磁波的接收器。如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話，那麼它就會飛越空間，到達接收器，在那裡感生一個振蕩的電動勢，從而在接收器的開口處也同樣激發出電火花來。
圖1.1 赫茲的裝置及簡圖（Schleiermacher 1901）
實驗室裡面靜悄悄地，赫茲一動不動地站在那裡，彷彿他的眼睛已經看見那無形的電磁波在空間穿越。當發生器上產生火花放電的時候，接受器是否也同時感生出火花來呢？赫茲睜大了雙眼，他的心跳得快極了。銅環接受器突然顯得有點異樣，赫茲簡直忍不住要大叫一聲，他把自己的鼻子湊到銅環的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣裡躍過。是幻覺，還是心理作用？不，都不是。一次，兩次，三次，赫茲看清楚了：雖然它一閃即逝，但上帝啊，千真萬確，真的有火花正從接收器的兩個小球之間穿過，而整個接收器卻是一個隔離的系統，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲不斷地重複著放電過程，每一次，火花都聽話地從接收器上被激發出來，在赫茲看來，世上簡直沒有什麼能比它更加美麗了。
良久良久，終於赫茲揉了揉眼睛，直起腰來：現在一切都清楚了，電磁波真真實實地存在於空間之中，正是它激發了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個8年前由柏林普魯士科學院提出懸賞的問題[1]；同時，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學的一個新高峰——電磁理論終於被建立起來。偉大的法拉第（Michael Faraday）為它打下了地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，他——偉大的赫茲——為這座大廈封了頂。
赫茲小心地把接受器移到不同的位置，電磁波的表現和理論預測的分毫不爽。根據實驗數據，赫茲得出了電磁波的波長，把它乘以電路的振蕩頻率，就可以計算出電磁波的前進速度。這個數值在可容許的誤差內恰好等於30萬公里/秒，也就是光速。麥克斯韋驚人的預言得到了證實：原來電磁波一點都不神秘，我們平時見到的光就是電磁波的一種，只不過普通光的頻率正好落在某一個範圍內，而能夠為我們的眼睛所感覺到罷了。
無論從哪一個意義上來說，這都是一個了不起的發現。古老的光學終於可以被完全包容於新興的電磁學裡面，而「光是電磁波的一種」的論斷，也終於為爭論已久的光本性的問題下了一個似乎是不可推翻的定論（我們馬上就要去看看這場曠日持久的精彩大戰）。電磁波的反射、衍射和干涉實驗很快就做出來了，這些實驗進一步地證實了電磁波和光波的一致性，無疑是電磁理論的一個巨大成就。
赫茲的名字終於可以被閃光地鐫刻在科學史的名人堂裡。雖然他英年早逝，還不到37歲就離開了這個奇妙的世界，然而，就在那一年，一位在倫巴底度假的20歲意大利青年讀到了他的關於電磁波的論文。兩年後，這個青年已經在公開場合進行無線電的通信表演，不久他的公司成立，並成功地拿到了專利證。到了1901年，赫茲死後的第7年，無線電報已經可以穿越大西洋，實現兩地的實時通信了。這個來自意大利的年輕人就是古格列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi），與此同時俄國的波波夫（Aleksandr Popov）也在無線通信領域做了同樣的貢獻。他們掀起了一場革命的風暴，把整個人類帶進了一個嶄新的「信息時代」。如果赫茲身後有知，他又將會做何感想呢？
圖1.2 赫茲
但仍然覺得赫茲只會對此置之一笑。他是那種純粹的科學家，把對真理的追求當做人生最大的價值。恐怕就算他想到了電磁波的商業前景，也會不屑去把它付諸實踐的吧？也許，在美麗的森林和湖泊間散步，思考自然的終極奧秘；在秋天落葉的校園裡，和學生探討學術問題，這才是他真正的人生吧？今天，他的名字已經成為「頻率」這個物理量的單位，被每個人不斷地提起，可是，說不定他還會嫌我們打擾他的安寧呢？
無疑，赫茲就是這樣一個淡泊名利的人。1887年10月，基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）在柏林去世，亥姆霍茲強烈地推薦赫茲成為那個教授職位的繼任者，但赫茲卻拒絕了。也許在赫茲看來，柏林的喧囂並不適合他。亥姆霍茲理解自己學生的想法，寫信勉勵他說：「一個希望與眾多科學問題搏鬥的人最好還是遠離大都市。」
只是赫茲卻沒有想到，他的這個決定在冥冥中忽然改變了許多事情。他並不知道，自己已經在電磁波的實驗中親手種下了一個幽靈的種子，而頂替他去柏林任教的那個人，則會在一個命中注定的時刻把這個幽靈從沉睡中喚醒過來。在那之後，一切都改變了，在未來的30年間，一些非常奇妙的事情會不斷地發生，徹底地重塑整個物理學的面貌。一場革命的序幕已經在不知不覺中悄悄拉開，而我們的宇宙，也即將經受一場暴風雨般的洗禮，從而變得更加神秘莫測，光怪陸離，震撼人心。
但是，我們還是不要著急，一步一步地走，耐心地把這個故事從頭講完。
Part 2
上次我們說到，1887年，赫茲的實驗證實了電磁波的存在，也證實了光其實是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特性。這就為光的本性之爭畫上了一個似乎已經是不可更改的句號。
說到這裡，我們的故事要先回一回頭，穿越時空去回顧一下有關於光的這場大戰。這也許是物理史上持續時間最長，程度最激烈的一場論戰。它不僅貫穿於光學發展的全過程中，更使整個物理學都發生了翻天覆地的變化，在歷史上燒灼下了永不磨滅的烙印。
光，是每個人見得最多的東西（「見得最多」在這裡用得真是一點也不錯）。自古以來，它就理所當然地被認為是這個宇宙最原始的事物之一。在遠古的神話中，往往是「一道亮光」劈開了混沌和黑暗，於是世界開始了運轉。光在人們的心目中，永遠代表著生命，活力和希望，更由此演繹開了數不盡的故事與傳說。從古埃及的阿蒙（也叫拉Ra），到中國的祝融；從北歐的巴爾德（Balder），到希臘的阿波羅；從凱爾特人的魯（Lugh），到拜火教徒的阿胡拉·瑪茲達（Ahura Mazda），這些代表光明的神祇總是格外受到崇拜。哪怕在《聖經》裡，神要創造世界，首先要創造的也仍然是光，可見它在這個宇宙中所佔的獨一無二的地位。
可是，光究竟是一種什麼東西呢？雖然我們每天都要與它打交道，但普通人似乎很少會去認真地考慮這個問題。如果仔細地想一想，我們會發現光實在是一樣奇妙的事物，它看得見，卻摸不著，沒有氣味也沒有重量。我們一按電燈開關，它似乎就憑空地被創生出來，一下子充滿整個空間。這一切，都是如何發生的呢？
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果，但人們對具體的作用機制則在很長一段時間內都迷惑不解。在古希臘時代，人們猜想，光是一種從我們的眼睛裡發射出去的東西，當它到達某樣事物的時候，這樣事物就被我們所「看見」了。比如恩培多克勒（Empedocles）就認為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的，而人的眼睛是女神阿芙洛狄忒（Aphrodite）用火點燃的。當火元素（也就是光，古時候往往光、火不分）從人的眼睛裡噴出到達物體時，我們就得以看見事物。
但顯而易見，單單用這種解釋是不夠的。如果光只是從我們的眼睛出發，那麼只要我們睜開眼睛，就應該能看見。但每個人都知道，有些時候，我們即使睜著眼睛也仍然看不見東西（比如在黑暗的環境中）。為了解決這個困難，人們引進了複雜得多的假設。比如柏拉圖（Plato）認為有三種不同的光，分別來源於眼睛，被看到的物體以及光源本身，而視覺是三者綜合作用的結果。
圖1.3 視覺成像的兩種理論
這種假設無疑是太複雜了。到了羅馬時代，偉大的學者盧克萊修（Lucretius）在其不朽著作《物性論》中提出，光是從光源直接到達人的眼睛的，但是他的觀點卻始終不為人們所接受。對光成像的正確認識直到公元1000年左右才被著名的伊斯蘭科學家阿爾·哈桑（al-Haytham，也拼作Alhazen）所最終歸納成型：原來我們之所以能夠看到物體，只是由於光從物體上反射進我們眼睛裡的結果[2]。哈桑從多方面有力地論證了這一點，包括研究了光進入眼球時的折射效果以及著名的小孔成像實驗。他那阿拉伯語的著作後來被翻譯並介紹到西方，並為羅傑爾·培根（Roger Bacon）所發揚光大，這給現代光學的建立打下了基礎。
關於光在運動中的一些性質，人們也很早就開始研究了。基於光總是走直線的假定，歐幾里德（Euclid）在《反射光學》（Catoptrica）一書裡面就研究了光的反射問題。托勒密（Ptolemy）、哈桑和開普勒（Johannes Kepler）都對光的折射作了研究，而荷蘭物理學家斯涅耳（Willebrord Snell）則在他們的工作基礎上於1621年總結出了光的折射定律。最後，光的種種性質終於被有「業餘數學之王」之稱的費爾馬（Pierre de Fermat）所歸結為一個簡單的法則，那就是「光總是走最短的路線」。光學作為一門物理學科終於被正式確立起來。
但是，當人們已經對光的種種行為瞭如指掌的時候，我們最基本的問題卻依然沒有得到解決，那就是：「光在本質上到底是一種什麼東西？」這個問題看起來似乎並沒有那麼難以回答，沒有人會想到，對於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，對物理學的影響竟然會是那麼地深遠和重大，其意義超過當時任何一個人的想像。
古希臘時代的人們總是傾向於把光看成是一種非常細小的粒子流，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時流行的元素說，另外一方面，古代的人們除了粒子之外對別的物質形式也瞭解得不是太多。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麼光總是沿著直線前進，為什麼會嚴格而經典地反射，甚至折射現象也可以由粒子流在不同介質裡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：比如人們當時很難說清為什麼兩道光束相互碰撞的時候不會互相彈開，人們也無法得知，這些細小的光粒子在點上燈火之前是隱藏在何處的，它們的數量是不是可以無限多，等等。
圖1.4 光的微粒說和波動說
當黑暗的中世紀過去之後，人們對自然世界有了進一步的認識。波動現象被深入地瞭解和研究，聲音是一種波動的認識也進一步深入人心。人們開始懷疑：既然聲音是一種波，為什麼光不能夠也是波呢？17世紀初，笛卡兒（Rene Descartes）在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中率先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質裡傳播。不久後，意大利的一位數學教授格裡馬第（Francesco Maria Grimaldi）做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔後照到暗室裡的屏幕上，發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格裡馬第馬上聯想起了水波的衍射（這個大家在中學物理的插圖上應該都見過），於是提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光波動說。
波動說認為，光不是一種物質粒子，而是由於介質的振動而產生的一種波。我們想像一下足球場上觀眾掀起的「人浪」：雖然每個觀眾只是簡單地站起和坐下，並沒有四處亂跑，但那個「浪頭」卻實實在在地環繞全場運動著，這個「浪頭」就是一種波。池塘裡的水波也是同樣的道理，它不是一種實際的傳遞，而是沿途的水面上下振動的結果。如果光也是波動的話，我們就容易解釋投影裡的明暗條紋，也容易解釋光束可以互相穿過互不干擾。關於直線傳播和反射的問題，人們後來認識到光的波長是極短的，在大多數情況下，光的行為就猶同經典粒子一樣，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：既然波本身是介質的振動，那它必須在某種介質中才能夠傳遞，比如聲音可以沿著空氣、水乃至固體前進，但在真空裡就無法傳播。為了容易理解這一點，大家只要這樣想：要是球場裡空無一人，那「人浪」自然也就無從談起。
而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進。舉一個簡單的例子：星光可以從遙遠的星系出發，穿過幾乎是真空的太空來到地球而為我們所見，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：它假設了一種看不見摸不著的介質來實現光的傳播，這種介質有一個十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫做「以太」（Aether）。
就在這樣一種奇妙的氣氛中，光的波動說登上了歷史舞台。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，它命中注定要與後者開展一場長達數個世紀之久的戰爭。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。到了後來，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，經過兩個起落，到達令人眼花繚亂的高潮。而最後絕妙的結局則更讓我們相信，他們的對話幾乎是一種可遇而不可求的緣分。17世紀中期，正是科學的黎明將要到來之前那最後的黑暗，誰也無法預見這兩朵小火花即將要引發一場熊熊大火。
飯後閒話：說說「以太」
正如我們在上面所看到的，以太最初是作為光波媒介的假設而提出的。但「以太」一詞的由來則早在古希臘：亞里士多德（Aristotle）在《論天》一書裡闡述了他對天體的認識。他認為日月星辰圍繞著地球運轉，但其組成卻不同於地上的四大元素水、火、氣、土。天上的事物應該是完美無缺的，它們只能由一種更為純潔的元素所構成，這就是亞里士多德所謂的「第五元素」以太（希臘文的 αηθηρ ）。而自從這個概念被借用到科學裡來之後，以太在歷史上的地位可以說是相當微妙的。一方面，它曾經扮演過如此重要的角色，以致成為整個物理學的基礎；另一方面，當它榮耀不再時，也曾受盡嘲笑。雖然它不甘心地再三掙扎，改頭換面，賦予自己新的意義，卻仍然逃脫不了最終被拋棄的命運，甚至有段時間幾乎成了偽科學的專用詞。
但無論怎樣，以太的概念在科學史上還是佔有它的地位的。它曾經代表的光媒以及絕對參考系，雖然已經退出了舞台中央，但畢竟曾經擔負過歷史的使命。直到今天，每當提起這個名字，似乎仍然能夠喚起我們對那段黃金歲月的懷念。它就像是一張泛黃的照片，記載了一個貴族光榮的過去。今天，以太作為另外一種概念用來命名一種網絡協議（以太網Ethernet），生活在e時代的我們每每看到這個詞的時候，是不是也會生出幾許慨歎？
當路過以太的墓碑時，還是讓我們脫帽，向它表示致敬。
Part 3
上次說到，關於光本質上究竟是什麼的問題，在17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。微粒說固然有著悠久的歷史，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。波動論作為一種新興的理論，格裡馬第的光衍射實驗是它發家的最大法寶，但它卻拖著一個沉重的包袱，就是光以太的假設。這個憑空想像出來的媒介，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。導致歷史上「第一次波粒戰爭」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叫你頭痛的愛爾蘭人？）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係到微粒波動什麼事，但是卻引起了對顏色屬性的激烈爭論。
在格裡馬第的眼裡，顏色的不同，是因為光波頻率的不同而引起的。他的實驗引起了羅伯特·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（FRS），同時也兼任實驗管理員。他重複了格裡馬第的工作，並仔細觀察了光在肥皂泡裡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》是一本劃時代的偉大著作，它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，似乎也在一時佔了上風。
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年初，一位叫做艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的年輕人因為製造了一台傑出的望遠鏡而當選為皇家學會的會員。牛頓當時才29歲出頭，年輕氣盛，正準備在光學和儀器方面大展拳腳。我們知道，早在當年鄉下老家躲避瘟疫的時候，牛頓已經在光學領域做出了深刻的思考。在寫給學會秘書奧爾登伯格（Henry Oldenburg）的信裡，牛頓再一次介紹了他那關於光和色的理論，其內容是關於他所做的光的色散實驗的。2月8日，此信在皇家學會被宣讀，這也可以說是初來乍到的牛頓向皇家學會所提交的第一篇論文。它在發表後受到了廣泛的關注，評論者除了胡克之外，還包括惠更斯、帕迪斯（I.G.Pardies），以及牛頓後來的兩個眼中釘——弗萊姆斯蒂德（John Flamsteed）和萊布尼茲（Gottfried Leibniz）。
圖1.5 牛頓在做色散試驗（原畫John Houston 1870）
色散實驗是牛頓所做的最為有名的實驗之一。實驗的情景在一些科普讀物裡被渲染得十分impressive（令人印象深刻的）：炎熱難忍的夏天，牛頓卻戴著厚重的假髮待在一間小屋裡。窗戶全都被封死了，所有的窗簾也被拉上，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裡。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。這當然是一種簡單得過分的描述，不過正是憑借這個實驗，牛頓得出了白色光是由七彩光混合而成的結論。
然而在牛頓的理論裡，光的復合和分解被比喻成不同顏色微粒的混合和分開。他的文章被交給一個三人評議會審閱，胡克和波義耳正是這個評議會的成員，胡克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（也就是色彩的復合）是竊取了他1665年的思想，而牛頓「原創」的微粒說則不值一提，僅僅是「假說」而已。這個批評雖然不能說是全無道理，但很可能只是胡克想給牛頓來一個下馬威。作為當時在光學和儀器方面獨一無二的權威，胡克顯然沒把牛頓這個毛頭小伙放在眼裡，他後來承認說，自己只花了3－4小時來閱讀牛頓的文章。不過胡克顯然沒有意識到，這次的對手是那樣與眾不同。
圖1.6 光的色散
牛頓大概有生以來都沒見過這樣直截了當的批評。他勃然大怒，花了整整4個月時間寫了一篇洋洋灑灑的長文，在每一點上都進行了反駁。胡克慘遭炮轟，他的名字出現在第一句裡，出現在最後一句裡，在中間更出現了25次以上。韋斯特福爾（R.S.Westfall）在那本名揚四海的牛頓傳記《決不停止》（Never at Rest）中描述道：「（牛頓）實際上用胡克的名字串起了一首疊句詩。」而且越到後來，用詞越是尖刻難聽。就這樣，胡克大言不慚在前，牛頓惡語相譏於後，兩個人都格外敏感且心胸狹窄，最終不可避免地成為畢生的死敵。牛頓的狂怒並沒有就此平息，他對每一個批評都報以挑釁性的回復，包括用詞謹慎的惠更斯在內。他撤回了所有原本準備在皇家學會發表的文章，到了1673年3月，他甚至在一封信裡威脅說準備退出學會。最後，牛頓中斷與外界的通信，讓自己在劍橋與世隔絕。
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。在牛頓最初的理論中，微粒只是一個臨時的方便假設而已，根本不是主要論點。即使在胡克最初的批評之後，牛頓還是作出了一定的妥協，給波動說提出了一些非常重要的改進意見。但在此之後，牛頓與胡克的關係進一步惡化，他最終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。至少我們知道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。不過，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別的方面，牛頓當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）。而胡克被牛頓激烈的言辭嚇了一跳，也暫且鳴金收兵[3]。在胡克的文稿中我們可以發現一些反駁意見，其中描述的一個實驗幾乎就是150年後菲涅耳實驗的原型。不過這封信很可能並沒有寄出，即使牛頓讀到了，也顯然沒有為此而改變任何看法。在牛頓和胡克都暫時沉寂下去的時候，波動方面軍在另一個上帝擲骰子嗎？國家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）登上舞台，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裡傳播的縱波，並引入了「波前」等概念，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。當時隨著光學研究的不斷深入，新的戰場不斷被開闢：1669年，丹麥的巴塞林那斯（E.Bartholinus）發現當光通過方解石晶體時，會出現雙折射現象。而到了1675年，牛頓在皇家學會報告說，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」（對圖像和攝影有興趣的朋友一定知道）。惠更斯將他的理論應用於這些新發現上，發現他的波動軍隊可以容易地佔領這些新辟的陣地，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》（Traite de la Lumiere）出版，標誌著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注定要成為曇花一現的泡沫，因為在他們的對手那裡站著一個光芒四射的偉大人物：艾薩克·牛頓先生（而且很快就要被授予爵士的頭銜）。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。牛頓對胡克恨之入骨，只要胡克還在皇家學會一天，他就基本不去那裡開會。胡克終於在1703年眾叛親離地死去了——所有的人都鬆了一口氣。這也為牛頓不久後順理成章地當選為皇家學會主席鋪平了道路，他今後將用鐵腕手段統治這個協會長達24年之久。
胡剋死後第二年，也就是1704年，牛頓終於出版了他的煌煌巨著《光學》（Opticks）。在時間上這是一次精心的戰術安排，因為其實這本書早就完成了。牛頓在介紹中寫道：「為了避免在這些事情上引起爭論，我推遲了這本書的付梓時間。而且要不是朋友們一再要求，還將繼續推遲下去。」任誰都看得出胡克在其中扮演的角色。
《光學》是一本劃時代的作品，幾乎可以與《原理》並列的偉大傑作，在之後整整100年內，它都被奉為不可動搖的金科玉律。牛頓在其中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，質疑說如果光和聲音同樣是波，為什麼光無法像聲音那樣繞開障礙物前進。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、週期等引入微粒論，從而很好地解答了牛頓環的難題。在另一方面，牛頓把微粒說和他的力學體系結合在了一起，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，已經不再是那個可以被人隨便質疑的青年。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，造幣局局長，皇家學會主席，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，彷彿見到了上帝的啟示。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置疑的[4]。第一次波粒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佔據了物理界的主流。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，默默潛伏著以待東山再起的那天。
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、儀器等方面有著偉大的貢獻。兩人互相啟發，但是也無須諱言，他們之間存在著不少的激烈爭論，以致互相仇視。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（ISL）究竟是誰發明的問題，在科學史上也是一個著名的公案。
胡克在力學與行星運動方面花過多年心血，提出過許多深刻的洞見。1679-1680年，胡克與牛頓進行了一系列的通信，討論了引力問題。牛頓雖然早年就已經在此領域取得過一些進展，但不知是荒廢多年還是怎麼地，這次卻是大失水準，他竟然把引力看成不隨距離而變化的常量，並認為物體下落是一個圓螺線。胡克糾正了他的錯誤，並在年份1月6日的信中假設引力大小是與距離的平方成反比的，雖然說得比較模糊[5]。胡克把牛頓的錯誤捅到了皇家學會那裡，這使得牛頓極為光火，他認定胡克是存心炫耀，並有意讓他出洋相。於是乎兩人間波粒的舊怨未癒，引力的新仇又起，成為終生的對手[6]。
胡克與牛頓的這次通信是科學史上極為重要的話題。牛頓後來雖然打死也不肯承認胡克對其有所幫助，但多數科學史家都認為胡克在這裡提供給了牛頓關鍵性的啟發：沒有胡克的糾正，牛頓一直錯誤地以為行星運動是在兩個平衡力——向心力和離心力同時作用下進行的。到了1684年，胡克和牛頓分別試圖證明平方反比的引力導致橢圓軌道（也就是ISL定律）。胡克吹噓說他證明了，但從未拿出結果；牛頓也說他早就證明過——同樣沒有任何證據。不過幾個月後，牛頓重寫了一份手稿，也就是著名的《論運動》（De Motu），這成為後來《原理》的前身。
圖1.7 據稱是胡克的畫像
胡克的原始畫像全部逸失了，只有這幅Mary Beale的作品據說畫的是胡克，但仍有爭議。2003年，為紀念胡克誕辰300週年，曾舉行了一次對其畫像的徵集活動。
《原理》發表後，胡克要求牛頓承認他對於平方反比定律發現的優先權，在前言裡提及一下。牛頓再次狂怒：他暴跳如雷，從《原理》裡面刪掉了絕大多數有關胡克的引用，剩下不多的，用詞也從「非常尊敬的胡克先生」變成了簡單的「胡克」兩個字。他是如此怒氣衝天，甚至拒絕出版《原理》第三卷。在牛頓眼中，胡克完全是個江湖騙子，靠猜想和碰運氣來沽名釣譽。許多科學史家也曾以為胡克猜想的成分居多，不過，加州大學桑塔克魯茲分校的Michael Nauenberg教授從胡克的一幅最近披露的圖稿中得出結論：胡克在這個問題上的認識要比人們傳統認為的深刻得多，他所採用的幾何證明手法和牛頓後來在《原理》中所使用的是類似的，所差的只是胡克不懂微積分而已[7]。ISL定律的發明權仍應歸於牛頓，可是胡克顯然在其中佔有重要，甚至關鍵的地位。
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，《顯微術》更是17世紀最偉大的著作之一。他是最傑出的建築設計師和規劃師，親自主持了1666年倫敦大火後的城市重建工作，如今倫敦城中的許多著名古跡，都是從他手中留下的。在地質學方面，胡克的工作（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、發條擺鐘、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，胡克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裡。今天的牛頓名滿天下，但今天的中學生只有從課本裡的胡克定律（彈性定律）才知道胡克的名字。胡克的晚年相當悲慘：他雙目失明，被幾乎所有人拋棄（其侄女兼情人死了多年），1688年之後，胡克就再沒從皇家學會領過工資。他變得憤世嫉俗，字裡行間充滿了挖苦。胡剋死後連一張畫像也沒有留下來，據說是因為他「太醜了」，但也有學者言之鑿鑿地聲稱，正是牛頓利用職權有意毀棄了胡克的遺物，作為對他最後的報復。
從20世紀90年代中期開始，胡克逐漸迎來了翻身的日子，他的名字突然成為科學史界最熱的話題之一。2003年是胡克逝世300週年，科技史學者們雲集於胡克畢業的牛津和他生前任教的格雷夏姆（Gresham）紀念這位科學家。許多人都呼籲，胡克的科學貢獻應當為更多的世人所知。
Part 4
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說，取得了在物理界被普遍公認的地位。
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6月13日，英國米爾沃頓（Milverton）的一個教徒的家庭裡誕生了一個男孩，取名為托馬斯‧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2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。在語言上的天才使得楊日後得以破譯埃及羅塞塔碑上的許多神秘的古埃及象形文字，並為埃及學的正式創立作了突出的貢獻（當然，埃及學的主要奠基者還是商博良）。不過對於我們的史話來說更為重要的是，楊對自然科學也產生了濃厚的興趣，他學習了牛頓的《數學原理》以及拉瓦錫的《化學綱要》等科學著作，為將來的成就打下了堅實的基礎。
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，並最終形成了他那光是波動的想法。楊的這個認識，是來源於波動中所謂的「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，它有著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等等。但是，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的谷底呢？
圖1.8 波的疊加
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，被這個關於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裡成型：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）。這一大膽而富於想像的見解使楊激動不已，他馬上著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英吋之間。
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，它更是理所當然地出現在每一本中學物理的教科書上。
圖1.9 光的雙縫干涉
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[8]。
楊的著作點燃了革命的導火索，物理史上的「第二次波粒戰爭」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：兩條縫距離屏幕上某點的距離會有所不同。當這個距離差是波長的整數倍時，兩列光波正好互相加強，就在此形成亮帶。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，這個地方就變成暗帶。理論計算出的明暗條紋距離和實驗值分毫不差。
圖1.10 用波動來解釋干涉條紋
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。楊在給馬呂斯的信裡說：「……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（Pierre Simon de Laplace）和泊松（S.D.Poission），都是積極的微粒說擁護者。從這個評委會的本意來說，他們或許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。在這篇論文裡，菲涅耳採用了光是一種波動的觀點，並以嚴密的數學推理，極為圓滿地解釋了光的衍射問題。他的體系洋洋灑灑，天衣無縫，完美無缺，令委員會成員為之深深驚歎。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？這差點使得菲涅耳的論文中途夭折。但菲涅耳的同事，評委之一的阿拉果（Francois 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跡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。
菲涅耳理論的這個勝利成了第二次波粒戰爭的決定性事件。他獲得了那一屆的科學獎（Grand 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。但是，光的偏振問題卻仍舊沒有得到解決，微粒依然躲在這個掩體後面負隅頑抗，不停地向波動開火。為此，菲涅耳不久後又作出了一個石破天驚的決定：他革命性地假設光是一種橫波（也就是類似水波那樣，振子作相對傳播方向垂直運動的波），而不像從胡克以來所一直認為的那樣，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）。1821年，菲涅耳發表了題為《關於偏振光線的相互作用》的論文，用橫波理論成功地解釋了偏振現象，攻克了戰役中一個最難以征服的據點。
圖1.11 圓盤衍射與泊松亮斑
大反攻的日子已經到來。微粒說在偏振問題上失守後，已經是捉襟見肘，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（Jean-Bernard-Leon 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，只有前者的3/4。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，推翻了微粒王朝，登上了物理學統治地位的寶座。在勝利者盛大的加冕典禮中，第二次波粒戰爭隨著微粒的戰敗而塵埃落定。
但菲涅耳的橫波理論卻留給波動一個尖銳的難題，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，我們不難得出它的傳播媒介的性質：這種媒介必定是一種異常堅硬的固體！它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，哪怕是灰塵也不行！
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，這個預言是怎樣由赫茲在1887年用實驗予以了證實。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。
飯後閒話：阿拉果的遺憾
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。菲涅耳的參賽得到了阿拉果的熱情鼓勵，而菲涅耳關於光是橫波的思想，最初也是來源於托馬斯‧楊寫給阿拉果的一封信。他和菲涅耳共同作出了對於相互垂直的兩束偏振光線的相干性的研究，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，引起了科學界的震動。
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。當時的菲涅耳雖然嶄露頭角，畢竟還是無名小輩，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。
Part 5
上次說到，隨著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。憑藉著麥氏理論的力量，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著經典物理的頂峰。物理學的大廈從來都沒有這樣地金碧輝煌，令人歎為觀止。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，麥克斯韋最初的理論後來經赫茲等人的整理，提煉出一個極其優美的核心，也就是著名的麥氏方程組。它剛一問世，就被世人驚為天物，其表現出的簡潔、深刻、對稱使得每一個科學家都陶醉在其中。後來玻爾茲曼（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，許多偉大的科學家都為它的魅力所折服，並受它深深的影響，有著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。
圖1.12 麥克斯韋
物理學征服了世界。在19世紀末，它的力量控制著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吹雨打而始終屹立不倒，反而更加凸顯出它的偉大和堅固來。從天上的行星到地上的石塊，萬物都畢恭畢敬地遵循著它制定的規則運行。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裡得到解釋。力、熱、光、電、磁……一切的一切，都在人們的控制之中，而且所用的居然都是同一種手法。它是如此地行之有效，以致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。一位著名的科學家說：「物理學的未來，將只有在小數點第六位後面去尋找」[9]。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著金色的光芒，象徵著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注定了只能曇花一現。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年的電磁波實驗的意義應該是複雜而深遠的[10]。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裡，赫茲銅環接收器的缺口之間不停地爆發著電火花，明白無誤地昭示著電磁波的存在。但這個火花很黯淡，不容易觀察，於是赫茲把它隔離在一個黑暗的環境裡。為了使效果盡善盡美，他甚至把發生器產生的那些火花光芒也隔離開來，不讓它們干擾到接收器。
這個時候，奇怪的現象發生了：當沒有光照射到接受器的時候，接收器電火花所能跨越的最大空間距離就一下子縮小了。換句話說，沒有光照時，我們的兩個小球必須靠得更近才能產生火花。假如我們重新讓光（特別是高頻光）照射接收器，則電火花的出現就又變得容易起來。
赫茲對這個奇怪的現象百思不得其解，不過他忠實地把它記錄了下來，並寫成一篇論文，題為《論紫外光在放電中產生的效應》。這是一個神秘的謎題，可是赫茲沒有在這上面做更多的探尋與思考。他的論文雖然發表，但在當時也並沒有引起太多人的注意。那時候，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，他已經親手觸摸到了量子這個還在沉睡的幽靈，雖然還沒能將其喚醒，卻已經給剛剛到達繁盛的電磁場論安排下了一個可怕的詛咒。
不過，也許量子的概念太過爆炸性，太過革命性，命運在冥冥中規定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，彷彿是一個不祥的預兆。
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‧居裡研究了放射性，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。而我們，也即將衝進這暴風雨的中心，去看一看那場天崩地坼的革命。
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亙古不變的宮殿。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。
【註釋】
[1]不過顯然赫茲沒有領到獎金。由於問題太難而無人挑戰，這個懸賞於1882年就失效了。
[2]在他之前，畢達哥拉斯等人也已經有過類似的想法，不過比較原始粗糙。
[3]不過兩人相安無事的時間並不長，到了1675年他們又在光的問題上大吵了一架。
[4]丹皮爾在《科學史》裡說牛頓只是把粒子的假設放在書後的問題（Query）裡，並沒有下結論，所以不能把粒子說的統治歸結到牛頓的權威頭上，這似乎說不過去。不談牛頓一向的態度和行文中明顯的傾向，就算在《光學》正文裡，也有多處暗含了粒子的假設。
[5]原文是「…my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the Distance from the Center Reciprocal」。當然，牛頓十多年前就已經有了類似的概念，但兩人當時都無法給出（橢圓）運動軌道的證明，不能算作「發現了平方反比定律」。
[6]近來，科學史家們更傾向於認為，胡克並非有意難為牛頓。胡克是以皇家學會的名義與牛頓通信的，而討論問題並在學會朗讀交流結果本來就是他當時的本職工作，胡克後來仍舊不斷地給牛頓寫信討論，完全不知道對手已經怒不可遏（可見Koyre和Inwood的論述）。
[7]見Nauenberg1994,1998以及他2003年在胡克紀念會議上的報告。
[8]我在這裡描述的是較大眾化的版本。楊最早的實驗是用一張卡片把光束分割成兩半以達到同樣效果，實際上並未用到「雙縫」。
[9]據說這話是開爾文勳爵說的，不過實際上麥克斯韋在此之前也說過類似的話，雖然他本人對這種看法是持反對態度的。
[10]當然，準確地說，是他於1886－1888年進行的一系列實驗。