序
如果要评选物理学展史上最伟大的那些年代，那ว么有两个时期是一定会入选的：1้7世纪末和2๐0世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为ฦ标志，宣告了现代经典物理学的正式创น立；而后者则为我们带来了相对论和量子论，并最彻底地推翻和重建了整个ฐ物理学体系。所不同的是，今天当我们再谈论起牛顿的时代，心中更多的已๐经只是对那ว段光辉岁月的怀旧和祭奠；而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰着我们至今，就像两ä颗青涩的橄榄，嚼得越久，反而更加滋味无穷。
我在这里先要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇，由á一个ฐ不起眼的线索ิ开始，曲径通幽，渐渐地落英缤纷，乱花迷眼。正在没个ฐ头绪处，突然间峰回路转，天地开阔，如河出伏流，一泄汪洋。然而还未来得及一览美景，转眼又大起大落，误入白云深处不知归路……量子力学的展史是物理学上最激动人心的篇章之一，我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中ณ得到了洗礼ึ和重生。我们会看到เ最革命的思潮席卷大地，带来了让人惊骇的电闪雷鸣，同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中ณ艰难地走来，却更加坚定了对胜利ำ的信念。
量子理论是一个复杂而又难解的谜题。她像一个ฐ神秘的少女，我们天天与她相见，却始终无法猜透她的内心世界。今天，我们的现代文明，从电脑，电å视，手机到เ核能，航天，生物技术，几乎ๆ没有哪个领ๆ域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么？这个ฐ问题至今却依然难以回答。在自然哲学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震动，甚至改变了整个物理世界ศ的基本思想。它的观念是如此地革命，乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利，而量子论无疑是理性的最高成就之一。但是它被赋予的力量太过强大，以致有史以来第一次，我们的理性在胜利ำ中同时埋下了能够毁灭它自身的种子。以致量子论的奠基人之ใ一玻尔nielsBohr都要说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那ว他就是没有理解量子论。”
掐指算来，量子论创立至今已经过1้00年，但它的一些基本思想却仍然不为普通的大众所熟ງ知。那么，就让我们再次回到那个ฐ伟大的年代，再次回顾一下那场史诗般壮丽ษ的革命，再次去穿行于那惊涛๙骇浪之ใ间，领略๓一下晕眩的感觉吧。我们的快艇就要出，当你感到恐惧或者震惊时，请务必抓紧舷边。但大家也要时刻记住，当年，物理史上最伟大的天才们也走过同样的航线，而他们的感觉，和我们是一模一样的。
第一章黄金时代
一
我们的故事要从1้8๖87年的德国开始。位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城市，在它的城中心，矗立着著名的18世纪的宫殿。郁郁葱葱的森林和温暖的气候也使得这座小城成为ฦ了欧洲的一个ฐ旅游名胜。然而这些怡人的景色似乎ๆ没有分散海因里希·鲁道夫·赫兹heinricນhrudolfhertz的注意力：现在他正在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里专心致志地摆弄他的仪器。那ว时候，赫兹刚刚30่岁，也许不会想到เ他将在科学史上成为和他的老师赫耳姆霍兹hermaທnnvonhelmholtz一样鼎鼎有名的人物，不会想到เ他将和卡尔·本茨9๗z一样成为这个ฐ小城的骄傲。现在他的心思，只是完完全全地倾注在他的那ว套装ณ置上。
赫兹的装ณ置在今天看来是很简单的：它的主ว要部ຖ分是一个电火花生器，有两个ฐ相隔很近的小铜球作为ฦ电容。赫兹全神贯注地注视着这两ä个相对而视的铜球，然后合上了电å路开关。顿ู时，电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装ณ置里的感应线圈，并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装ณ置，在心里面想象着电å容两段电å压不断ษ上升的情形。在电学的领ๆ域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是有充分信心的，他知道，随着电å压的上升，很快两个ฐ小球之间的空气就会被击穿，然后整个系统就会形成一个高频๗的振荡回路lcນ回路，但是，他现在想要观察的不是这个ฐ。
果然，过了一会儿，随着细微的“啪”的一声，一束美丽ษ的蓝ณ色电å花爆开在两个ฐ铜球之间，整个系统形成了一个ฐ完整的回路，细小的电流束在空气中ณ不停地扭动，绽放出幽幽的荧光。
赫兹反而更加紧ู张了，他盯着那串电å火花，还有电火花旁้边的空气，心里面想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个ฐ装置如何产生火花短路，他这个实验的目的，是为了求证那ว虚无飘渺的“电å磁波”的存在。那ว是一种什么เ样的东西啊，它看不见，摸不着，到เ那时为止谁也没有见过，验证过它的存在。可是，赫兹是坚信它的存在的，因为ฦ它是麦克斯ั韦maທ9ell理论的一个ฐ预言。而麦克斯韦理论……哦，它在数学上简直完美得像一个ฐ奇迹！仿佛是上帝的手写下的一诗歌。这样的理论，很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气，又笑了：不管理论怎样无懈可击，它毕竟还是要通过实验来验证的呀。他站在那ว里看了一会儿，在心里面又推想了几遍，终于确定自己的实验无误：如果麦克斯ั韦是对的话，那么在两个铜球之ใ间就应该产生一个振荡的电场，同时引一个向外传播的电å磁波。赫兹转过头去，在实验室的另一边，放着一个开口的铜环，在开口处也各镶了一个小铜球。那是电å磁波的接收器，如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话，那么เ它就会穿越这个房间到เ达另外一端，在接收器那里感生一个振荡的电å动势，从而在接收器的开口处也激出电火花来。
实验室里面静悄悄地，赫兹一动不动地站在那里，仿佛他的眼睛已๐经看见那无形的电å磁波在空间穿越。铜环接受器突然显得有点异样，赫兹简直忍不住要大叫一声，他把自己้的鼻子凑到铜环的前面，明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个ฐ铜球之间的空气里闪烁。赫兹飞快地跑到窗口，把所有的窗帘都拉上，现在更清楚了：淡蓝ณ色的电å花在铜环的缺口不断ษ地绽开，而整个铜环却是一个隔离的系统，既ຂ没有连接电池也没有任何的能ม量来源。赫兹注视了足足有一分钟็之久，在他眼里，那些蓝色的火花显得如此地美丽。终于他揉了揉眼睛，直起腰来：现在不用再怀疑了，电磁波真真实实地存在于空间之ใ中，正是它激了接收器上的电火花。他胜利了，成功地解决了这个8๖年前由á柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题；同时，麦克斯韦的理论也胜利了，物理学的一个ฐ新高峰——电磁理论终于被建立起来。伟大的法拉第micນhaelfaraday为ฦ它打下了地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体，而今天，他——伟大的赫兹——为这座大厦封了顶ะ。
赫兹小心地把接受器移到不同的位置，电å磁波的表现和理论预测的丝毫不爽。根据实验数据，赫兹得出了电磁波的波长，把它乘以电路的振荡频率，就可以计算出电磁波的前进度。这个ฐ数值精确地等于3๑0万公里秒，也就是光。麦克斯韦惊人的预言得到了证实：原来电å磁波一点都不神秘，我们平时见到的光就是电磁波的一种，只不过它的频๗率限定在某一个ฐ范围内，而能ม够为ฦ我们所见到เ罢了。
无论从哪一个ฐ意义上来说，这都是一个了不起的现。古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电å磁学里面，而“光是电å磁波的一种”的论断，也终于为ฦ争论已๐久的光本性的问题下了一个ฐ似乎是不可推翻的定论我们马上就要去看看这场旷日持久的大战。电å磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了，这些实验进一步地证实了电å磁波和光波的一致性，无疑ທ是电磁理论的一个巨大成就。
赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻๑在科学史的名人堂里，可是，作为ฦ一个纯粹的严å肃的科学家，赫兹当时却没有想到เ他的现里面所蕴藏的巨เ大的商业意义。在卡尔斯ั鲁厄大学的那ว间实验室里，他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘，根本没有料é到他的实验会带来一场怎么样的时代革命。赫兹英年早ຉ逝，还不到เ37岁就离开了这个ฐ他为之醉心的世界。然而，就在那一年，一位在伦巴底度假的20岁意大利青年读到了他的关于电å磁波的论文；两年后，这个ฐ青年已经在公开场合进行了无线电å的通讯表演，不久他的公司成立，并成功地拿到เ了专利证。到เ了19๗01年，赫兹死后的第7๕年，无线电报已๐经可以穿越大西洋，实现两ä地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列ต尔莫·马可尼gugliel摸mar9๗drpopov也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴，把整个ฐ人类带进了一个ฐ崭新า的“信息时代”。不知赫兹如果身后有知，又会做何感想？
但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑。他是那ว种纯粹的科学家，把对真理的追求当作人生最大的价值。恐怕就算他想到了电å磁波的商业前景，也会不屑去把它付诸实践的吧？也许，在美丽的森林和湖泊间散步，思考自然的终极奥秘，在秋天落叶的校园里，和学生探讨学术问题，这才是他真正的人生吧。今天，他的名字已经成为ฦ频๗率这个物理量的单位，被每个ฐ人不断ษ地提起，可是，或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢？
二
上次我们说到เ，1้8๖87年，赫兹的实验证实了电å磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种，两ä者具有共同的波的特性。这就为ฦ光的本性之争画上了一个似乎ๆ已经是不可更改的句号。
说到这里，我们的故事要先回一回头，穿越时空去回顾ุ一下有关于光的这场大战。这也许是物理史上持续时间最长，程度最激烈的一场论战。它几乎ๆ贯穿于整个现代物理的展过程中，在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印。
光，是每个人见得最多的东西“见得最多”在这里用得真是一点也不错。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。在远古的神话中ณ，往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗，于是世界ศ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。在《圣经》里，神要创น造世界ศ，先要创น造的就是光，可见它在这个宇宙中ณ所占的独一无二的地位。
可是，光究竟是一种什么เ东西？或者，它究竟是不是一种“东西”呢？
远古时候的人们似乎ๆ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。只有到了古希腊ຘ，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ม够看见东西，那ว是因为ฦ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射出去的东西，当它到เ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empedocles就认为ฦ世界ศ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aphrodite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ฦ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เ在暗的地方แ，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ฦ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เ了罗马时代，伟大的学者卢克莱修lucນretius在其不朽著作《物性论》中提出，光是从光源直接到เ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100่0年左ุ右才被一个波斯的科学家阿尔·哈桑aທl-ๅhaທytham所提出：原来我们之ใ所以能够看到เ物体，只是由á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ณ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ฐ倒立的像，我们就无可怀疑这一说法的正确性了。
关于光的一些性质，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eucນlid在《反射光学》caທtoptricaທ一书里面就研究了光的反射问题。托勒密ptolemy、哈桑和开普勒johanneskepler都对光的折射作了研究，而荷兰物理学家斯ั涅耳9๗snell则在他们的工作基础上于1้621้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ใ称的费尔马pierredefermat所归结为ฦ一个简单的法则ท，那ว就是“光总是走最短的路线”。光学终于作为ฦ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ฦ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：“光在本质上到底是一种什么东西？”这个ฐ问题看起来似乎ๆ并没有那么难回答，但人们大概不会想到เ，对于这个ฐ问题的探究居然会那ว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，其意义过当时任何一个ฐ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า说，另外一方面，当时的人们除了粒子之ใ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ใ为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的，先它就可以很好地解释为什么เ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á粒子流在不同介质里的度变化而得到解释。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เ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ใ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ທ：既然声音是一种波，为什么光不能ม够也是波呢？十七世纪初，笛卡儿descaທrtes在他《方แ》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ำ的一位数学教授格里马第fraທncescomaທriaທgrimaທldi做了一个ฐ实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，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这个大家在中学物理的插图上应该都见过，于是提出：光可能ม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เ光的波长是很短的，在大多数情况下，光的行为ฦ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ฐ基本的难题，那就是任何波动都需要有介质才能ม够传递，比如声音，在真空里就无法传播。而光则不然，它似乎ๆ不需要任何媒介就可以任意地前进。举ะ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๑的名字，叫做“以太”aether。
就在这样一种奇妙的气氛中，光的波动说登上了历史舞台。我们很快就会看到，这个新生力量似乎是微粒说的前世冤家，它命中ณ注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争。他们两ä个ฐ的命运始终互相纠缠在一起，如果没有了对方，谁也不能ม说自己还是完整的。到เ了后来，他们简直就是为了对手而存在着。这出的戏剧从一开始的伏笔，经过两ä个ฐ起落，到达令人眼花缭乱的gao潮。而最后绝妙的结局则ท更让我们相信，他们的对话几乎是一种可遇而不可求的缘分。17世纪中ณ期，正是科学的黎明到เ来之前那ว最后的黑暗，谁也无法预见这两朵小火花即将要引一场熊熊大火。
饭后闲话：说说“以太”aether。
正如我们在上面所看到的，以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的由á来则早ຉ在古希腊ຘ：亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为ฦ日月星辰围绕着地球运转，但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的，它们只能ม由一种更为纯洁的元素所构成，这就是亚里士多德所谓的“第五元素า”——以太希腊文的aηθηp。而自从这个ฐ概ฐ念被借用到科学里来之后，以太在历史上的地位可以说是相当微妙的，一方面，它曾经扮演过如此重要的角色，以致成为整个物理学的基础；另一方แ面，当它荣耀不再时，也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎，改换头面，赋予自己新า的意义แ，却仍然逃不了最终被抛弃的命运，甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。但无论怎样，以太的概念在科学史上还是占有它的地位的，它曾经代表的光媒以及绝对参考系，虽然已๐经退出了舞台，但直到今天，仍然能够唤起我们对那ว段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照ั片，记载了一个贵族光荣的过去。今天，以太ether作为另外一种概念用来命名一种网络协议ether，看到เ这个词的时候，是不是也每每生出几许慨叹？
向以太致敬。
三
上次说到，关于光究竟是什么的问题，在十七世纪中期有了两ä种可能的假设：微粒说和波动说。
然而在一开始的时候，双方的武装都是非常薄弱的。微粒说固然有着悠久的历史，但是它手中的力量是很有限的。光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领ๆ地，但波动方面军队在展了自己้的理论后，迅就在这两个ฐ战场上与微粒平分秋色。而波动论作为一种新า兴的理论，格里马第的光衍射实验是它家的最大法宝，但它却拖着一个ฐ沉重的包袱，就是光以太的假设，这个ฐ凭空想象出来的媒介，将在很长一段时间里成为ฦ波动军队的累็赘。
两支力量起初ม并没有生什么武装ณ冲突。在笛卡儿的《方แ》那ว里，他们还依然心平气和地站在一起供大家检阅。导致“第一次微波战争”爆的导火索是波义耳robertBoyle，中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人？在16๔63年提出的一个理论。他认为我们看到เ的各种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产生的效果。这个论调本身并没有关系到เ微粒波动什么事，但是却引起了对颜色属性的激烈争论。
在格里马第的眼里，颜色的不同，是因为光波频๗率的不同而引起的。他的实验引起了胡克robຘerthooke的兴趣。胡克本来是波义耳的实验助手，当时是英国皇家学会的会员，同时也兼任实验管理员。他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他的判断，光必定是某种快的脉冲，于是他在1้6๔65年出版的《显微术》micrographiaທ一书中明确地支持波动说。《显微术》这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，波动说由于这位大将的加入，似乎ๆ也在一时占了上风。
然而不知是偶然，还是冥冥之ใ中自有安排，一件似乎ๆ无关的事情改变了整个战局的展。
167๕2๐年，一位叫做艾萨克·牛顿ู的年轻人向皇家学会评议委员会递交了一篇论文，名字叫做《关于光与色的新理论》。牛顿当时才3๑0岁，刚刚当选为ฦ皇家学会的会员。这是牛顿所表的第一篇正式科学论文，其内容是关于他所做的光的色散实验的，这也是牛顿所做的最为有名的实验之一。实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive：炎热难忍的夏天，牛顿却戴着厚重的假呆在一间小屋里。四面窗户全都被封死了，屋子里面又闷又热，一片漆黑，只有一束亮光从一个ฐ特意留出的小孔里面射进来。牛顿不顾身上汗如雨下，全神贯注地在屋里走来走去，并不时地把手里的一个三棱镜插进那个ฐ小孔里。每当三棱镜被插进去的时候，原来的那ว束白光就不见了，而在屋里的墙上，映射出了一条长长的彩色宽带：颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个ฐ实验，得出了白色光是由七彩光混合而成的结论。
然而在这篇论文中ณ，牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波义แ耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称，牛顿ู论文中正确的部分也就是色彩的复合是窃取了他1้6๔65年的思想，而牛顿“原创น”的微粒说则不值一提。牛顿ู大怒，马上撤回了论文，并赌气般地宣称不再表任何研究成果。
其实在此之ใ前，牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇摆的，并没有完全否认波动说。1้6๔65๓年，胡克表他的观点时，牛顿还刚ธ刚从剑桥三一学院毕业，也许还在苹果树前面思考他的万有引力问题呢。但在这件事之后，牛顿开始一面倒地支持微粒说。这究竟是因为ฦ报复心理，还是因为ฦ科学精神，今天已经无法得知了，想来两ä方面都有其因素吧。不过牛顿ู的性格是以小气和斤斤计较而闻名的，这从以后他和莱布尼兹关于微积分明的争论中也可见一斑。
但是，一方面因为胡克的名气，另一方面也因为牛顿ู的注意力更多地转移到了运动学和力学方แ面，牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说只是在几篇论文中反驳了胡克。而这时候，波动方面军开始了他们的现代化进程——用理论来装备自己้。荷兰物理学家惠更斯ั9s成为了波动说的主ว将。
惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的，他继承了胡克的思想，认为光是一种在以太里传播的纵波，并引入了“波前”的概ฐ念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。他的波动理论虽然还十分粗略๓，但是所取得的成功却是杰出的。当时随着光学研究的不断深入，新า的战场不断被开辟：1665年，牛顿在实验中现如果让光通过一块大曲率凸透镜照射到เ光学平玻璃板上，会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹，也就是著名的“牛顿ู环”对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道。到เ了1669年，丹ล麦的巴๒塞林那ว斯eBartholinus现当光在通过方解石晶体时，会出现双折射现象。惠更斯ั将他的理论应用于这些新现上面，现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地，只需要作小小的改制ๆ即可比如引进椭圆波的概念。1690年，惠更斯ั的著作《光论》traທitedelaທlumiere出版，标志着波动说在这个ฐ阶段到达了一个兴盛的顶ะ点。
不幸的是，波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫。因为在他们的对手那里站着一个光芒四射的伟大人物：艾萨克·牛顿ู先生而且马上就要成为ฦ爵士。这位科学巨เ人——不管他是出于什么理由——已经决定要给予波动说的军队以毫不留แ情的致命打击。为ฦ了避免再次引起和胡克之间的争执，导致不必要的误解，牛顿在战术上也进行了精心的安排。直到胡克去世后的第二年，也就是17๕0่4年，牛顿ู才出版了他的煌ä煌ä巨著《光学》opticks。在这本划ฐ时代的作品中，牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中现的种种现象。他驳斥ม了波动理论，质疑如果光如同声波一样，为ฦ什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究，提出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难，牛顿则ท以他的天才加以解决。他从波动对手那里吸收了许多东西，比如将波的一些有用的概ฐ念如振动，周期等引入微粒论，从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方แ面，牛顿把粒子说和他的力学体系结合在了一起，于是使得这个ฐ理论顿时呈现出无与伦比的力量。
这完全是一次摧枯拉朽般的打击。那时的牛顿ู，已๐经再不是那ว个可以在评议会上被人质疑ທ的青年。那时的牛顿ู，已经是出版了《数学原理》的牛顿，已经是明了微积分的牛顿。那ว个时候，他已๐经是国会议员，皇家学会会长，已๐经成为科学史上神话般的人物。在世界各地，人们对他的力学体系顶ะ礼膜拜，仿佛见到เ了上帝的启示。而波动说则群龙无惠更斯也早ຉ于1้69๗5๓年去世，这支失去了领ๆ袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一点的堡垒，就遭到เ了毁灭性的打击。他们惊恐万状，溃不成军，几乎ๆ在一夜之ใ间丧ç失了所有的阵地。这一方แ面是因为波动自己的防御工ื事有不足之ใ处，它的理论仍然不够完善，另一方面也实在是因为对手的实力过于强大：牛顿ู作为ฦ光学界ศ的泰斗，他的才华和权威แ是不容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终，战争的结果是微粒说牢牢占据了物理界的主流。波动被迫转入地下，在长达整整一个ฐ世纪的时间里都抬不起头来。然而，它却仍然没有被消灭，惠更斯ั等人所做的开创น性工作使得它仍然具有顽强的生命力，默默潜伏着以待东山再起的那ว天。
饭后闲话：胡克与牛顿ู
胡克和牛顿ู在历史上也算是一对欢喜冤家。两ä个ฐ人都在力学，光学，仪器等方แ面有着伟大的贡献。两ä人互相启，但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之ใ外，他们之间还有一个争执，那ว就是万有引力的平方แ反比定律究竟是谁现的问题。胡克在力学与行星运动方面花过许多心血，他深入研究了开普勒定律，于1้964年提出了行星轨道因引力而弯曲成椭圆的观点。16๔7๕4年他根据修正的惯性原理，提出了行星运动的理论。1้67๕9年，他在写给牛顿ู的信中ณ，提出了引力大小与距离的平方แ成反比这个概念，但是说得比较模糊，并未加之量化原文是：…mysuppositionisthaທttheaທttraທ9al9aທpli9๗tothedistaທn9๗terrecນiprocນal。在牛顿的《原理》出版之后，胡克要求承认他对这个定律的优先现，但牛顿最后的回答却是把所有涉แ及胡克的引用都从《原理》里面给删ฤ掉了。
应该说胡克也是一位伟大的科学家，他曾帮助波义耳现波义แ耳定律，用自己的显微镜现了植物的细胞，他在地质学方面的工作尤其是对化石的观测影响了这个学科整整30่年，他明和制造的仪器如显微镜、空气唧筒、条摆轮、轮形气压表等在当时无与伦比。他所现的弹性定律是力学最重要的定律之ใ一。在那个时代，他在力学和光学方แ面是仅次于牛顿的伟大科学家，可是似乎ๆ他却永远生活在牛顿的阴影里。今天的牛顿名满天下，但今天的中学生只有从课本里的胡克定律弹性定律才知道胡克的名字，胡克死前已经变得愤世嫉俗，字里行间充满了挖苦。他死后连一张画ฑ像也没有留下来，据说是因为他“太丑了”。
四
上次说到，在微粒与波动的第一次交锋中ณ，以牛顿为的微粒说战胜了波动，取得了在物理上被普遍公认的地位。
转眼间，近一个世纪过去了。牛顿体系的地位已๐经是如此地崇高，令人不禁有一种目眩的感觉。而他所提倡的光是一种粒子的观念也已๐经是如此地深入人心，以致人们几乎ๆ都忘了当年它那对手的存在。
然而17๕73๑年的6๔月13日，英国米尔沃顿ูmilverton的一个教徒的家庭里诞生了一个ฐ男孩，叫做托马斯ั·杨thomasyoung。这个未来反叛派领袖的成长史是一个ฐ典型的天才历程，他两ä岁的时候就能够阅读各种经典，6岁时开始学习拉丁文，1้4岁就用拉丁文写过一篇自传，到了16๔岁时他已๐经能够说1้0种语言，并学习了牛顿ู的《数学原理》以及拉瓦锡的《化学纲要》等科学著作。
杨19岁的时候，受到เ他那ว当医生的叔父的影响，决定去伦敦学习医学。在以后的日子里，他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读，最后还是回到剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业。在他还是学生的时候，杨研究了人体上眼睛的构造，开始接触到了光学上的一些基本问题，并最终形成了他的光是波动的想法。杨的这个ฐ认识，是来源于波动中ณ所谓的“干涉”现象。
我们都知道，普通的物质是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是两滴水，而不会一起消失。但是波动就不同了，一列ต普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果两列波相遇，当它们正好都处在高峰时，那ว么叠加起来的这个ฐ波就会达到两ä倍的峰值，如果都处在低谷时，叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的谷底呢？
答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇物理上叫做“反相”，那ว么在它们重叠的地方，将会波平如镜，既没有高峰，也没有谷底。这就像一个人把你往左边拉，另一个人用相同的力气把你往右边拉，结果是你会站在原地不动。
托马斯ั·杨在研究牛顿ู环的明暗条纹的时候，被这个ฐ关于波动的想法给深深打动了。为什么เ会形成一明一暗的条纹呢？一个思想渐渐地在杨的脑海ร里成型：用波来解释不是很简单吗？明亮的地方แ，那是因为两ä道光正好是“同相”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，结果造成了两ä倍光亮的效果就好像有两个人同时在左边或者右边拉你；而黑暗的那ว些条纹，则一定是两道光处于“反相”，它们的波峰波谷相对，正好互相抵消เ了就好像两个ฐ人同时在两边拉你。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已๐，他马上着手进行了一系列ต的实验，并于180่1年和1803年分别ี表论文报告，阐述了如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据，计算出了光的波长应该在136๔00่0่至16๔00่0่0英寸之间。
在180่7年，杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工ื作，并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。后来的历史证明，这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个ฐ实验之ใ列，而在今天，它已๐经出现在每一本中学物理的教科书上。
杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个ฐ小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源从一个点出的光源。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中ณ射出的光穿过两道狭缝投到เ屏幕上，就会形成一系列ต明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的干涉条纹。
杨的著作点燃了革命的导火索，物理史上的“第二次微波战争”开始了。波动方แ面军在经过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不是好过的，在微粒大军仍然一统天下的年代，波动的士兵们衣衫褴褛，缺少后援，只能ม靠游击战来引起人们对它的注意。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺๐，被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”，在近20年间竟然无人问津。杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处表，只好印成小册子，但是据说行后“只卖出了一本”。
不过，虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中，一开始并不把起义的波动叛乱分子放在眼睛里。但他们很快就现，这些反叛者虽然人数不怎么多，服装并不那ว么整齐，但是他们的武器却今非昔比。在受到เ了几次沉重的打击后，干涉แ条纹这门波动大炮的杀伤力终于惊动整个ฐ微粒军团。这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿，几乎ๆ无法反驳。无论微粒怎么样努力，也无法躲开对手的无情轰炸：它就是难以说明两ä道光叠加在一起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的：两ä个ฐ小孔距离屏幕上某点的距离会有所不同。当这个ฐ距离是波长的整数值时，两列ต光波正好互相加强，就形成亮点。反之，当距离差刚ธ好造成半个波长的相位差时，两列ต波就正好互相抵消，造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。
在节节败退后，微粒终于现自己无法抵挡对方แ的进攻。于是它采取了以攻代守的战略。许多对波动说不利的实验证据被提出来以证明波动说的矛盾。其中最为知名的就是马吕斯ัetiennelouismalus在1้8๖09年现的偏振现象，这一现象和已๐知的波动论有抵触的地方แ。两大对手开始相持不下，但是各自都没有放弃自己获胜的信心。杨在给马吕斯的信里说：“……您的实验只是证明了我的理论有不足之处，但没有证明它是虚假的。”
决定性的时刻๑在1้8๖19年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛。竞赛的题目是利ำ用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情况。竞赛评委会由á许多知名科学家组成，这其中包括比奥jBBiot、拉普拉斯pierresi摸ndelaທpla9๗，都是积极的微粒说拥护者。组织这个ฐ竞赛的本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动，以打击波动理论。
但是戏剧ຕ性的情况出现了。一个不知名的法国年轻工ื程师——菲涅耳aທugustinfresnel，当时他才31岁向组委会提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。在这篇论文里，菲涅耳采用了光是一种波动的观点，但是革命性地认为ฦ光是一种横波也就是类似水波那样，振子作相对传播方แ向垂直运动的波而不像从胡克以来一直所认为ฦ的那样是一种纵波类似弹簧波，振子作相对传播方向水平运动的波。从这个观念出，他以严密的数学推理，圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。他的体系完整而无缺，以致委员会成员为之ใ深深惊叹。泊松并不相信这一结论，对它进行了仔细的审查，结果现当把这个ฐ理论应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间将会出现一个ฐ亮斑á。这在泊松看来是十分荒谬的，影子中间怎么เ会出现亮斑á呢？这差点使得菲涅ื尔的论文中途夭折。但菲涅ื耳的同事阿拉果fraທn&edil;oisarago在关键时刻๑坚持要进行实验检测，结果现真的有一个ฐ亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置亮度和理论符合得相当完美。
菲涅尔理论的这个ฐ胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那ว一届的科学奖graທndprix，同时一跃成为了可以和牛顿，惠更斯ั比肩的光学界的传奇人物。圆盘阴影正中的亮点后来被相当有误导性地称作“泊松亮斑”成了波动军手中ณ威力不下于干涉แ条纹的重武器，给了微粒势力以致命的一击。起义แ者的烽火很快就燃遍了光学的所有领ๆ域，把微粒从统治的地位赶了下来，后者在严厉的打击下捉襟见肘，节节溃退，到เ了1้9๗世纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这个ฐ度应该比真空中的光要快，而根据波动论，这个度则ท应该比真空中ณ要慢才对。
然而不幸的微粒军团终于在181้9๗年的莫斯ั科严冬之后，又于1้85๓0่年迎来了它的滑铁卢。这一年的5月6๔日，傅科foucault，他后来以“傅科摆”实验而闻名向法国科学院提交了他关于光测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的度之后，他也进行了水中光的测量，现这个值小于真空中的度。这一结果彻底宣判了微粒说的死刑é，波动论终于在10่0多年后革命成功，登上了物理学统治地位的宝座。在胜利者的一片欢呼声中，第二次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。
但是波动内部ຖ还是有一个ฐ小小的困难，就是以太的问题。光是一种横波的事实已经十分清楚，它传播的度也得到了精确测量，这个ฐ数值达到了3๑0万公里秒，是一个ฐ惊人的高。通过传统的波动论，我们必然可以得出它的传播媒介的性质：这种媒介必定是十分地坚硬，比最硬的物质金刚石还要硬上不知多少倍。然而事实是从来就没有任何人能够看到เ或者摸到เ这种“以太”，也没有实验测定到它的存在。星光穿越几亿亿公里的以太来到เ地球，然而这些坚硬无比的以太却不能阻挡任何一颗行星或者彗星的运动，哪怕是最微小的也不行！
波动对此的解释是以太是一种刚ธ性的粒子，但是它却是如此稀薄，以致物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力，“就像风穿过一小片丛林”托马斯·杨语。以太在真空中也是绝对静止的，只有在透明物体中，可以部ຖ分地被拖曳菲涅耳的部ຖ分拖曳假说。
这个观点其实是十分牵强的，但是波动说并没有为此困惑多久ื。因为ฦ更加激动人心的胜利很快就到来了。伟大的麦克斯ั韦于1856，1้86๔1้和1้8๖65๓年表了三篇关于电磁理论的论文，这是一个开天辟地的工作，它在牛顿力学的大厦上又完整地建立起了另一座巨เ构，而且其辉煌灿烂绝不亚于前者。麦克斯韦的理论预ไ言，光其实只是电磁波的一种。这段文字是他在1861้年的第二篇论文《论物理力线》里面特地用斜ฒ体字写下的。而我们在本章的一开始已经看到，这个预ไ言是怎么เ样由赫兹在1้88๖7年用实验证实了的。波动说突然现，它已经不仅仅是光领域的统治者，而是业已๐成为ฦ了整个电å磁王国的最高司令官。波动的光辉到达了顶点，只要站在大地上，它的力量就像古希腊ຘ神话中ณ的巨人那ว样，是无穷无尽而不可战胜的。而它所依靠的大地，就是麦克斯韦不朽的电å磁理论。