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四、西方古代光学发展史 什么是光？这是人们思考了很久很久的问题。就让我们抚去岁月的风尘打开历史的卷面踏着前人的足迹，回顾一下光学发展的历程吧。 光，是每个人见得最多的东西。自古以来，它就被理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一。有一本名为《圣经》的书里有这样一句话：神说，要有光，就有了光。在远古的神话中，往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗，于是世界开始了运转。光在人们的心目中，永远代表着生命，活力和希望。更由此演绎开了数不尽的故事和传说。就让我们对此作一最简单的回顾。 中国神话传说中的古帝祝融，以火施化，号赤帝，后人尊为火神。历史上最开始对火和光是没有严格的区分，中国的火神其实就是光明之神。 在古埃及有一个太阳神瑞 (Re) 与创世之神——阿蒙神一起被崇拜，在哪里天堂的统治权属于太阳神。自古以来，太阳从来是光明的源泉。 古代欧洲斯堪的维纳亚人也有一个美丽的神话传说。光明神巴尔德和黑暗神霍德尔是奥丁和芙莉嘉所生的一对孪生子。这对兄弟在体格和性情上都是完全相反的：霍德尔，黑暗之人格化，总是阴沉，忧郁、寡言少语；而巴尔德——光明之人格化，却英俊、天真、愉快，他的金发和白皙的脸像是永远在放射光芒。万物皆热爱他，而他也热爱万物。 阿波罗是古希腊神话中最著名的神祇之一，他是主神宙斯与暗夜女神勒托所生之子，阿尔忒弥斯的孪生哥哥，全名为福玻斯•阿波罗。被视为司掌文艺之神，主管光明、青春、医药、畜牧、音乐等，是人类的保护神、光明之神、预言之神、迁徙和航海者的保护神、医神以及消灾弥难之神。 公元前2000年活动在中欧的一些有着共同的文化和语言特质的有亲缘关系的民族被称为凯尔特人。他们尊“鲁”为太阳神，光明之神。 在基督教诞生之前中东最有影响的宗教是琐罗亚斯德教，是古代波斯帝国的国教。曾被伊斯兰教徒贬称为“拜火教”，主要流行于波斯、中亚等地的宗教。该教认为阿胡拉•玛兹达是最高主神，是全知全能的宇宙创造者，它具有光明、生命、创造等德行，也是天则、秩序和真理的化身。玛兹达创造了物质世界，也创造了火，即“无限的光明”，因此琐罗亚斯德教把拜火作为他们的神圣职责。 从中国的祝融到古埃及的瑞 (Re)，从北欧的巴尔德到希腊的阿波罗，从凯尔特人的鲁到拜火教徒的阿胡拉•玛兹达这些代表光明的神总是格外受到崇拜。《圣经》里，神要创造世界，首先要创造的就是光，可见它在这个宇宙中所占的独一无二的地位。但这句话避开了光的本质问题，因为这句话的意思是：光亮不过是黑暗的反面，是让人能看见东西的环境。 可是古希腊人确认为光具有客观现实性，是一种象从水龙头射出的水那样从人们的眼睛射出的东西。我们之所以能看见物体就是靠从眼睛里射出的一束这样的光击中了这个物体。这个说法从而解释了为什么我们睁着眼能看见物体但闭着眼却看不见了这一事实。不过，在黑暗的地方，为什么我们的眼睛睁的再大也看不见东西呢？ 毕达哥拉斯对此提出了一种新的理论：光是由发光体向四面八方射出的一种东西，这种东西碰到障碍物上就立刻被弹开。如果它偶然进入人的眼睛，就叫人感觉到看见使它最后被弹开的那个东西。 这种理论虽然有点符合经验事实，但光的问题根本没有因这种理论而得到解决。科学上的每一样新发现都带来一大堆新问题。就光而言，从发光体发出的光是怎样跃过空间进入人的眼睛里？光是凉的还是热的？它动不动？它动的有多快？ 远古时候的人们似乎是不把光作为一种实在的事物的，光亮与黑暗，在他们看来只是一种环境的不同罢了。后来，科学家们才开始好好地注意起光的问题来。有一样事情是肯定的：我们之所以能够看见东西，那是因为光在其中作用的结果。人们于是猜想，光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西，当它到达某样事物的时候，这样事物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒就认为世界是由水、火、气、土四大元素组成的，而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒用火点燃的，当火元素(也就是光。古时候往往光、火不分)从人的眼睛里喷出到达物体时，我们就得以看见事物。 但显而易见，这种解释是不够的。它可以说明为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不行；但它解释不了为什么在暗的地方，我们即使睁着眼睛也看不见东西。为了解决这个困难，人们引进了复杂得多的假设。比如认为有三种不同的光，分别来源于眼睛，被看到的物体和光源，而视觉是三者综合作用的结果。 这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代，伟大的学者卢克莱修(在其不朽著作《物性论》中提出，光是从光源直接到达人的眼睛的，但是他的观点却始终不为人们所接受。对光成像的正确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科学家阿尔?哈桑所提出：原来我们之所以能够看到物体，只是由于光从物体上反射到我们眼睛里的结果。他提出了许多证据来证明这一点，其中最有力的就是小孔成像的实验，当我们亲眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像，我们就无可怀疑这一说法的正确性了。 关于光的性质，人们也很早就开始研究了。基于光总是走直线的假定，欧几里德在《反射光学》一书里面就研究了光的反射问题。托勒密、哈桑和开普勒都对光的折射作了研究，而荷兰物理学家斯涅耳则在他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后，光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费尔马所归结为一个简单的法则，那就是“光总是走最短的路线”。光学终于作为一门物理学科被正式确立起来。 但是，当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候，却依然有一个最基本的问题没有得到解决，那就是：“光的本质是什么？”这个问题看起来似乎并没有那么难回答，但人们大概不会想到，对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久，而这一探索的过程，对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大，其意义超过当时任何一个人的想象。 古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面，当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论，我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的，首先它就可以很好地解释为什么光总是沿着直线前进，为什么会严格而经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一些显而易见的困难：比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开，人们也无法得知，这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处的，它们的数量是不是可以无限多，等等。 当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究，声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们开始怀疑：既然声音是一种波，为什么光不能够也是波呢？十七世纪初，笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出了这样的可能：光是一种压力，在媒质里传播。不久后，意大利的一位数学教授格里马第做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射，于是提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。 波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下水波，它不是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果。光的波动说容易解释投影里的明暗条纹，也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题，人们很快就认识到光的波长是很短的，在大多数情况下，光的行为就犹同经典粒子一样。而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题，那就是任何波动都需要有介质才能够传递，比如声音，在真空里就无法传播。而光则不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。举一个简单的例子，星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球，这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字，叫做“以太”。 就在这样一种奇妙的气氛中，光的波动说登上了历史舞台。我们以后就会看到，波动说是微粒说的前世冤家，它们注定要开展一场长达数个世纪之久的战争。他们两个的命运始终互相纠缠在一起，如果没有了对方，谁也不能说自己还是完整的。到了后来，他们简直就是为了对手而存在着。这出精彩的戏剧从一开始的伏笔，经过两个起落，到达令人眼花缭乱的高潮，到最后谁也不能奈何谁。于是现代人们只好给出这样的绝妙的结局：光好象一条美人鱼，粒子好比美人头，波就是鱼身。 |