光的真理

撰文/方舟子“惠更斯”号探测器在太空飞行了7年多之后，于2005年1月15日成功登陆土星最大的卫星土卫六，引起全球注目。这颗卫星是荷兰科学家惠更斯于1655年发现的，所以这个探测器以他的名字命名。惠更斯是科学史上罕见的天才，除了发现土卫六，还发现土星光环、离心力定理、动量守恒定律，创建了概率论，发明了摆钟，首次提出其他星系上也有行星和生命，并为此写了一本书！惠更斯最著名的科学贡献，是为光的波动学说奠定了理论基础。光是什么？古希腊自然哲学家就已经在思考这个问题了。最直观的答案是：光是由极细小的微粒组成的。这可以很容易地解释一些光学现象：光微粒的运动速度极快，所以光做直线传播；光线反射是由于光微粒碰撞反射面引起的；光从一种媒介进入另一种媒介（例如从空气进入水）时会发生折射，是因为光微粒在不同媒介的运动速度不同。与惠更斯同时代的牛顿就是光的微粒学说的集大成者，认为光微粒遵循他发现的三大运动定律。牛顿发现阳光是由不同颜色的光混合而成的，他认为不同质量的光微粒产生了不同颜色的光，这些光微粒混合在一起，就变成了白光。但是此前，意大利数学家格里马第已经注意到，让一束光穿过两个小孔，其投影的边缘出现明暗条纹。他联想到水波的衍射，提出光可能是一种波，不同颜色的光是由于光波的频率不同引起的。但是怎么用波动来解释光的反射和折射呢？惠更斯提出了一个后来被称为“惠更斯原理”的学说阐明波面在媒体中的传播性质，在此基础上用作图法巧妙地解决了这些问题。牛顿的死对头胡克也支持波动学说。牛顿刚提出微粒学说时，备受胡克的讥讽，声称牛顿学说正确的部分是剽窃他的，其他部分则荒诞不经。牛顿一气之下不再发表光学著作，等到胡克死后，才出版《光学》一书，全面论述微粒学说，构建了一个相当精致的体系。这时候惠更斯也已经死了，没有人能和牛顿唱对台戏。由于牛顿的权威，微粒学说被普遍接受，毕竟，这个巨人在那么多科学问题上都对了，这一个想必也不会错吧？牛顿死后70多年，才有人试图复兴惠更斯的波动学说。英国物理学家托马斯·杨、法国物理学家菲涅耳用干涉实验证明了光是一种波。不过，对牛顿微粒学说的致命一击发生于1850年。牛顿和惠更斯的学说都能解释光的折射现象，但是有一个重大差别：牛顿学说认为光从空气进入水发生折射，是因为光微粒在水中的运动速度比较快；而惠更斯学说恰恰相反，认为是由于光波在水中传播速度比较慢导致的。当时人们还没有办法精确地测量光速，不能验证谁对谁错。1850年，条件成熟了。法国物理学家傅科用实验证明了水让光速变慢，牛顿的学说被推翻了。此后，麦克斯韦建立电磁学，认为光就是一定频率范围内的电磁波，赫兹用实验证实了这个预见。波动学说取得了全面的胜利。但是赫兹同时也证实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子，这是波动学说没法解释的。为了解决这个问题，爱因斯坦提出光的发射和吸收都采取量子的形式，光波是由光子组成的，光具有波和粒子二重性质。这给人的印象似乎牛顿也没有错。经常有人在争论问题时引用这个所谓“波粒二像性”来说明真理不止一个，大家争来争去可能只是看到了问题的不同一面，最终会统一起来，证明大家都对。这个观点是错误的。爱因斯坦的光子和牛顿的微粒除了都是粒子之外，并无任何相同之处。光子不是牛顿所描绘的那种遵循经典力学运动定律的微粒。牛顿对光的反射、折射、衍射、颜色等等光学现象的解释都是错误的，波动学说才是正确的。在光的问题上，真理仍然只有一个。2005.1.21.（中国青年报2005.2.2）