光的科学史

宇宙中最不可理解的事情，就是宇宙居然是我们可以理解的。
　　　　　　　　　　　　　　　　　——阿尔伯特·爱因斯坦


　　宇宙中最奇妙，最深奥的问题，恐怕就是对光的研究。

　　光是什么呢？是物质？是振动？还是能量？又是如何产生的，
如何传播的呢？多少个世纪以来，人们不断研究，探索光的问题，
企图解开光之迷。客观的说，到目前为止，科学界依然没有完全
了解光的全部内涵，不过，正是由于科学家们对光的不断深入和
细致的研究，导致了物理学上的两次革命：相对论的建立和量子
力学的建立。

　　光学是一门古老的科学，早在古希腊时期，著名的科学家和
哲学家如欧几里德，托勒密都曾先后研究过光的问题。但是，由
于光学涉及到自然科学的各个领域，再加上古代人的观测试验手
段十分的落后，导致没有人能详细解释关于光的各种特性。到了
17世纪，以笛卡儿、开普勒和斯涅尔为代表的科学家们对光在传
播中的直射，反射和折射做了大量详细深入的研究分析，改变了
古希腊人对光的折射性的错误观念，笛卡儿在他的著作《折光学》
中提出了一个著名的折射定律，即入射角与折射角的正弦之比为
常数，并由此而奠定了几何光学的基础。

　　18世纪，牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域：
物理光学。牛顿认为，光是一种直线运动的微粒粒子流，由于微
粒粒子流的运动，使得人类眼睛的视网膜对此作出反应，由此产
生光的视觉现象。而在此之前，以笛卡儿为代表的科学家们一直
认为光是一种脉冲波动。牛顿的微粒说的提出在物理学界引起了
轩然大波，并由此而产生激烈的争议和探讨，科学家们就光是波
动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉锯战。

　　直到19世纪，随着麦克斯韦通过对电磁现象的研究，建立了
电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围
内的电磁波，从而确立了波动说的地位（值得一提的是，同一时
期，德国物理学家基尔霍夫通过对太阳光谱的研究，创建了光谱
分析的方法。而光谱分析不仅是现代天文学的最主要的研究手段，
也是现代原子学的基石）。电磁学与经典力学的结合使得物理学
显示出一种形式上的完整，从而使经典物理学产生了一种美的境
界。

　　但实际上，电磁学在解释光的传播性上远不完美，尚存在着
巨大缺陷。按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（光速）应
该是一个恒量，然而根据经典力学对光速的解释，不同惯性系中
的光速不同，光速究竟是否应该遵从相对性原理？电磁学对光速
的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾，
而正是这一矛盾，导致了人类历史上最伟大的科学家的出现——
阿尔伯特·爱因斯坦。

　　爱因斯坦通过对麦克斯韦电磁理论的研究，特别是对经过赫
兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学的研究，发现了一个奇怪的漏
洞：绝对参照系以太的问题。在爱因斯坦之前的科学家们都相信，
宇宙中存在一种可以激励光传播的物质媒介——以太。通过测量
光穿过以太运动来证明光的速度。但是，无数科学家企图证明以
太的存在，却无一成功，这不能不使爱因斯坦感到疑惑：世界上
是否存在以太？电磁场是否存在荷载物？


1905年，《论动体的电动力学》

　　爱因斯坦坚信宇宙中一切物理现象的背后都蕴藏着完整的统
一性，因此，麦克斯韦的电磁学理论必须要与经典力学统一起来。
爱因斯坦为了解决这一矛盾，做出了一个假设：假设有个人能够
达到光的速度，与光并肩齐行，那么他就会发现静止的光。但是，
根据麦克斯韦的电磁学原理，振动的电磁波是不可能观测到的，
而且波也不可能处于静止状态，也就是说，宇宙中不可能存在光
在静止状态的参照系，对于任何一个参照系来说，都只有属于这
个参照系的时间与空间。因此，爱因斯坦确信，光在所有参照系
中速度必然相同。根据这一物理法则，爱因斯坦进行了多年的探
索和研究，于1905年与洛伦兹、闵科夫斯基、外尔合著了《运动
物体电磁动力学》，提出了狭义相对论，建立了全新的时间和空
间理论。爱因斯坦的相对论与麦克斯韦的电磁学理论完美的结合
在一起，从而推动了物理学上的一次意义深远的重大革命。
1905年，爱因斯坦发表了他一生中最重要的成果——狭义
相对论。但是，在当时的科学界，人们尚不能摆脱旧有的时间
和空间观念，对狭义相对论保持一定的谨慎态度，狭义相对论
的提出，并没有马上引起很大的反响。值得庆幸的是，德国物
理学的权威人士普朗克首先注意到了狭义相对论的重要性。

　　1900年，普朗克为了解决黑体辐射的紫外灾难问题，曾提
出了辐射的量子理论，即是光辐射必须采取一种称作量子的波
包形式。普朗克认为各种频率的电磁波，包括光只能以各自确
定分量的能量从振子射出，他根据这个模型计算出的黑体光谱
与实际观测到的相一致，这意味着，近代物理学的基石——量
子论已经诞生。

　　和爱因斯坦一样，普朗克所提出的量子假说与旧有的物理
经典理论之间产生了巨大的矛盾，显示出不相容的问题。与爱
因斯坦不同的是，普朗克没有迈出关键一步的勇气，由于当时
他的假说不被物理学界所接受，普朗克开始考虑用能量的连续
变化来解决辐射的问题，这实际上意味着普朗克放弃了量子论。
但是，科学是一门不断进步，不断开拓的自然学科，量子假说
一旦被提出，其发展就不可阻挡。

　　普朗克作为爱因斯坦狭义相对论的审稿人，敏锐的发现，
爱因斯坦的狭义相对论所提出的光子理论——光以粒子即光子
的形式存在，肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义，
有力的支持了他的理论。普朗克认为，爱因斯坦的成就无以伦
比，甚至与科学史上最伟大的哥白尼、牛顿相比，也毫不逊色。
就此，在普朗克的鼓舞和推动下，狭义相对论逐渐成为科学界
评论研究的焦点，爱因斯坦本人也因此受到了学术界的重视和
肯定。

　　尽管爱因斯坦的狭义相对论取得了辉煌的成就，但爱因斯
坦本人却并不满足。因为狭义相对论尚存在着一定的缺陷。狭
义相对论详细的解释了力学，热力学和电动力学的物理规律，
阐述了光在运动中的行为，但不能解释经典力学中的引力问题。
牛顿的引力理论是超距的，两个物体之间的引力作用在瞬间传
递，即以无穷大的速度传递，这与相对论的光速是物质运动的
极限相互冲突。爱因斯坦基于对宇宙统一性的认识，意识到狭
义相对论只考虑到了理想状态下的物质运动，即恒速运动参照
系。但是，宇宙中不可能存在恒速参照系，一切自然规律不应
该局限于惯性系，必须考虑非惯性系。因此，就在爱因斯坦发
表狭义相对论的同时，他就已经开始考虑狭义相对论的限制及
外延。

　　爱因斯坦的首要任务，是解开重力之迷。在经典物理学里，
重力是一种受引力制约的超距的力，伽里略对重力的描述是在
地球的万有引力场中，不同质量的物体以同样的速度落下。爱
因斯坦意识到，根据惯性质量和引力质量成正比的物理定律，
在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照
系，重力与加速度之间具有明显的等效性，匀速加速参照系与
在均匀万有引力场中静止的参照系必然等效。这是爱因斯坦根
据狭义相对论中参照系的运动来解释重力的一种全新的观念，
由此，构成了广义相对论的基础。

　　1907年，爱因斯坦在科学界还没有很好的理解和吸收狭义
相对论的时候，又发表了关于狭义相对论的文章《关于相对性
原理和由此得出的结论》。在这篇文章中，爱因斯坦首次阐述
了等效性的问题，提出了等效原理。为了证明等效原理，爱因
斯坦提出了封闭箱的假想实验：在一封闭箱中，处于静止于一
个引力场状态，和处于没有引力场却在作加速运动状态是完全
相同的，没有任何方法能将二者区分开。因此，爱因斯坦认为，
加速参照系完全可以取代引力场，而重力与加速度之间的关系，
将很大程度上改变原有的经典物理体系，从而勾勒出一幅全新
的时空观。

　　爱因斯坦对等效原理不断拓展和完善，经过10年艰苦的探
索和研究，在一次又一次的失败后，终于在1916年发表了《广
义相对论的基础》。在这篇文章中，爱因斯坦将以前适用于惯
性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样
成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性
原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成
立。广义相对论由此诞生。