第二章　 机械观的衰落

两种电流体

    下面是关于几种简单实验的一个枯燥无味的报告。报告之所以令人厌烦，不单是因为描写一个实验总不如做实验那样有趣，同时还因为在未阐明理论之前它的意义还是不明显的。我们的目的在于供给一个鲜明的例子以表明理论在物理学中的作用。

    1．把一根金属棒放在一块玻璃底板上，棒的两端用金属线连接在验电器上。验电器是什么东西呢？这是一个很简单的仪器，它主要是由悬挂在一根短短的金属棒的头上的两片金箔所组成的，注意使金属棒只跟非金属，即所谓绝缘体接触。除了验电器和金属棒之外，我们还要有一根硬橡皮棒和一块法兰绒。

    实验进行如下：先察看一下两片金箔是否合在一起，因为这是它们的正常位置。万一它们没有合拢，那么用手指接触一下金属棒，让它们合起来。做了这些初步准备以后，用法兰绒用力摩擦橡皮棒，再使它接触金属棒，两片金箔就立刻分开，甚至在橡皮棒移开以后，它们还是分开的（图23）。

    2．我们再做另外一个实验。它所用的器具和以前一样，开始实验时金箔仍然要合在一起。这次我们不使橡皮棒接触金属棒，而只放在金属棒附近，验电器的金箔又重新分开，但是这次的分开有点不同了，当橡皮棒（它完全没有接触金属）移开后，金箔不继续分开，而是立即合拢，恢复到原来的位置。

    3．我们把器具稍微改变一下，来做第三个实验，假定金属棒是由两节连接起来的。我们用法兰绒把橡皮棒摩擦过以后，再把它接近金属棒，同样的现象又产生了——金箔分开了。但是现在先把金属棒的两节分开，然后才把橡皮棒移开。我们发现，在这个情况中金箔仍旧分开，而不像在第二个实验中那样恢复原来的位置（图24）。

    这些最简单实验很难引起热烈的兴趣。在中世纪，做这些实验的人也许已经受过非难了，对我们来说，这些实验看来是枯燥和不合理的。把上面的实验报告读了一次以后，再要重述一遍而不至条理不清，恐怕都不是容易的事。有了一些理论观念，就可以帮助我们了解它们的意义。我们甚至可以进一步说，这样的实验绝不会是偶然做着好玩的，一定预先已经多多少少知道了它们的意义。

    现在我们把一个非常简单和朴素的理论的基本观念说出来，这个理论能说明上面的各种事实。

    有两种电流体，一种叫作正的（＋），而另一种叫作负的（－）。它们在过去表述过的意义上跟物质是很相似的，因为它们的数量既可以增加，也可以减少，而在任一个封闭系统里其总量是守恒的。但是电的情况跟热、物质或能之间有一个重要的差别。电的物质有两种。除非作出某些概括，这里就不能应用以前所作的钱的比拟了。如果物体正的电流体和负的电流体完全相互抵消，这个物体就是电中性的。一个人若一无所有，可能是因为他确实一无所有，也可能是因为他放在保险柜里的钱的总数恰恰等于他负债的总数。我们可以把正负电流体比作是帐簿中的借项和贷项。

    这个理论的第二个假定是，同类的两种电流体互相推斥，而异类的两种电流体互相吸引。这可以用图来表达，如图25所示。

    最后还必须有一个理论上的假定：物体有两类，电流体可以在物体中自由运动的一类叫做导体，电流体不能在物体中自由运动的一类叫做绝缘体。物体的试种分类不能认为是很严格的，理想导体和理想绝缘体都是永远不能实现的一种假设。金属、地面、人体都是导体的例子，但是它们的传导程度并不相同。玻璃、橡皮、磁器之类都是绝缘体。空气只有局部的绝缘作用，这是看见过上述实验的人都知道的。静电实验的效果不好，通常都归因于空气的湿度，因为空气的湿度大了，会增加它的导电性。

    这些理论性假定已经足以解释上面的3个实验了。现在我们把这3个实验仍按原来的次序，用电流体理论再来讨论一番。

    1．橡皮棒也和其他物体一样，在正常情况下是电中性的。它包含正、负两种电流体，数量相等。用法兰绒摩擦它，就把两种电流体分开了。这完全是一种习惯上的说法，因为这种说法是应用理论所创造的术语来描述摩擦过程的。橡皮棒被擦以后，有一种多余的电叫做负电，这个名词当然只不过是相沿成习而已。假如实验是用毛皮摩擦玻璃棒，我们必须把这种多余的电叫做正电，因为只有这样才不至于跟前面的说法相矛盾。我们把实验继续做下去。把橡皮棒接触金属导体，于是我们就把电流体传送过去了。这些电流体在导体内自由地运动，于是它们就分布在包括金箔在内的整个导体上了。因为负电与负电相互推斥，所以两片金箔尽量地相互离开，其结果就是我们以前观察到的金箔的分开。金属要放在玻璃或其他绝缘体上，这样，只要空气的导电率很微弱，就可使电流体一直留在导体上。现在我们懂得在实验开始以前必须用手指去接触金属棒的道理了，在这个情况下，金属、人体和地面构成了一个大的导体，因此电流体便分散得极为稀少，验电器上实际上已经没有什么电流体了。

    2．第二个实验在开始时是和第一个实验完全一样的。但是这次橡皮棒不接触金属棒而只是接近它。导体上的两种电流体因为都可以自由流动，所以被分开了，一种被吸引，而另一种被推斥。如果把橡皮棒移开，它们又重新混在一起，因为不同类的两种电流体是互相吸引的。

    3．现在把金属棒先分为两节，然后把橡皮棒移开。在这种情况下，两种流体不能混在一起了，金箔保留了多余的那一种电流体，所以继续张开。

    按照这个简单的理论，上述的所有情况似乎都是能够理解的。这个理论的作用还不止于此，它不仅使我们能够理解这些现象，而且还可以使我们理解“静电学”范围内的其他许多现象。任何一个理论的目的是指导我们理解新的现象、启发我们做新的实验从而发现新的现象和定律。举一个例子就明白了。设想把第二个实验加以改变，假使当我把橡皮棒放在金属棒旁边，同时又用自己的手指接触金属棒，现在会发生什么呢？理论能作出答案：受橡皮棒推斥的负（－）的电流体现在通过我的身体逃走了，结果在金属棒上留下的只有一种正（＋）的电流体。只有接近橡皮棒的一个验电器的金箔仍旧分开，做一做真实的实验就能确认这个预言（图26）。

    这个理论自然很简陋，而且不能满足现代物理学的观点，可是它却是说明任何一种物理学理论的特色的一个很好的例子。科学没有永恒的理论，一个理论所预言的事件常常被实验所推翻。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期，经过这个时期以后，它就很快地衰落。上面讲过的热的物质说的盛衰便是许多例子中的一个。还有其他更深刻更重要的例子，以后还会讨论到。科学上的重大进步几乎都是由于旧理论遇到了危机，通过尽力寻找解决困难的方法而产生的。我们必须检查旧的观念和旧的理论，虽然它们是过时了，然而只有先检查它们，才能了解新观念和新理论的重要性，也才能了解新观念和新理论的正确程度。

    本书开端处，我们曾把科学家比作首先搜集必要的情况、然后用纯粹的思维去寻找正确答案的侦探家。至少在一个论点上，这个比喻是很不恰当的，无论在现实生活中或在侦探小说里面，必定先知道有人犯罪，然后侦探才去检查信件、指纹、子弹、枪支等，他至少是知道发生了一件暗杀案子。科学家就不是这样。我们很容易想象有些人对于电一无所知，因为所有的古人对于它都没有一点知识，但也生活得很快乐。假使你把金属棒、金箔、瓶子、硬橡皮棒、法兰绒，总之是要做那3个实验所必需的东西都交给这样一个人。他即使是一个很有文化的人，他也许会用瓶子盛酒，把法兰绒做抹布，而从不会想到拿它们去做我们上面所描述的实验。对侦探来说，犯罪是已知的，而问题就是：究竟谁杀了人呢？科学家却多少要自己犯罪，还要自己来侦察它。此外，他不但要解释一个案子，而且所有跟它有关的已经发生或可能发生的现象他都要解释。

    在引用电流体的概念时，我们知道这里是受到机械观影响的，因为机械观是要用物质和作用于物质之间简单的力来解释一切事物的。要知道机械观能否用来描写电的现象，我们必须考察下面的一个问题。有两个圆球，都有电荷，就是说都带有某种多余的电流体。我们知道这两个圆球或者会互相吸引，或者会互相推斥。但是力只与距离有关吗？倘若确实如此，具体的关系又是怎样的呢？最简单的猜测是这种力跟距离的关系正如万有引力与距离的关系一样，例如距离增加到3倍，它的强度便减为原来的1／9。库仑（Coulomb）所做的实验证明这个定律是确实可靠的。在牛顿发现万有引力定律之后100年，库仑发现电的力与距离之间的关系和万有引力与距离之间的关系一样。但是牛顿定律与库仑定律之间有两个巨大的区别：万有引力是永远存在的，而电的力只是在物体带电时才有；万有引力只是吸引，而电力则既可以是吸引也可以是推斥。

    现在产生了同样的一个问题，这个问题在前面谈热的现象时已考察过。电流体是有重力还是没有重力的物质呢？换句话说，一块金属在它电中性时和带有电荷时其重力是否一样呢？我们把它称一下，发现这两个重力完全没有差别，由此我们可以断定电流体也是没有重力的一族物质中的一种。

    电的理论的进一步发展需要引入两个新的概念。我们还是避免严格的定义，改用已经熟悉的概念来比拟。我们记得要了解热的现象，区别热和温度是极为重要的。同样，这里区别电势和电荷也是很重要的。这两个新概念的区别用比拟的方法便可以弄明白：

电势——温度

电荷——热

    两个导体，例如两个大小不同的圆球，可以有相同的电荷，就是说，多余的电流体相同，但是两者的电势就不同，也就是说，小圆球上的电势较高，大圆球上的电势较低。在小圆球上电流体的密度较大，也就更受到压缩。因此密度愈大则互相推斥的力愈大，小圆球上的电荷逃去的趋势要比大圆球上的大。电荷要从导体逃去的趋势就是直接测量电势的标准。为了清楚地说明电荷与电势的差别，我们必须列出几行描述受热物体行为的语句，以及和这些语句相对应的描述带电导体的几行语句。

    但是这样的比拟不能延伸太远，下面的例子将指出它们的相似点和相异点。假使一个热的物体与一个冷的物体接触，热会从热的物体流到冷的物体上去。另一方面，假使我们有两个绝缘的导体，它们的电荷相等但是符号相反，即一个有正电荷，另一个有负电荷。这两个电荷的电势各不相同，依照习惯，我们认为负电荷的电势比正电荷的电势低。假使把这两个导体接触在一起，或者用导线连接起来，那么根据电流体的理论，它们将显示出不带电荷，因而根本不会有电势的相差。我们必须想象在电势差被平衡的很短的时间内电荷是从一个导体“流”向另外一个导体的。但是怎样流的呢？是正的电流体流向带负电的物体（如图27所示），还是负的电流体流向带正电的物体呢？

    事实上，单是根据这里所提到的素材，我们无法判定两者之中哪一种是对的。我们可以认为这两种流法都可能，甚至可以同时有两个方向的流动。我们知道，我们并没有一个用实验来决定这个问题的方法，我们只是使它成为常规，在选择上没有什么特定意义。往后的发展得出了能答复这个问题的更深的电理论，那个答案若用简单的电流体理论来表达是完全没有意义的。这里，我们暂且采用下面的表达方式：电流体是从电势较高的导体流向电势较低的导体的。这样，在刚才所说的两个导体中，电是从带正电的导体流向带负电的导体的。这种表述完全是一种习惯上的说法，在这里甚至是完全武断的。所有这些困难，表明热和电之间的比拟是不可能完整无缺的。

    我们已经看到运用机械观来描写静电学的基本论据是可能的。同样，用机械观来描写磁的现象也是可能的。

磁流体

    这里我们还是依照上面的同样方式，先叙述几种非常简单的情况，然后去寻找它们的理论解释。

    1．有两根磁棒，一根支在一个架子的中点，它处于水平位置，故能自由转动，另一根拿在手里。如果使两根磁棒的一端相互靠近，那么它们之间会有强烈的吸引，这是经常可以做到的（图28）。如果不互相吸引，我们应当把磁棒掉过头来，用另一端去试试。只要这两根棒都具有磁性，一定会相互吸引的。磁俸的两端被称为它的极。实验再继续下去，我们把手持磁棒的极沿着另一个磁棒向中点移动过去，此时发现吸引力减小了，而当磁棒极达到那根磁棒的中央时，就根本没有吸引力了。如果磁极继续朝同一方向移过去，那么就会逐渐发生推斥现象，当到达支起的磁棒的另一极时，斥力最大。

    2．上面的例子又引出了另外一个实验。每根磁棒都有两个极，我们难道不能够把它的一极分离出来吗？办法似乎很简单，只要把一根磁棒分成相等的两段就可以了。我们已经知道一根磁棒的极与另一根磁棒的中央之间是没有力的，但是实际上把一根磁棒折成两段，其结果却是惊人的、出乎意料的。如果我们照上面一节里所描写的实验再来做一次，不过这回是用支起的那根磁棒折成两段，拿其中一段照样支起来做的，结果仍是一样，本来是没有磁力影响的地方，现在居然成了很强的极了。

    应该怎样解释这些事实呢？由于磁的现象也和静电的现象一样有推斥和吸引，我们可以模仿电流体的理论来建立一个磁的理论。设想有两个球形的导体，电荷相等，一个是正的，另一个是负的。这里所谓“相等”是指有相同的绝对值，例如＋5和－5就具有相同的绝对值。假定这两个圆球用一种绝缘体如玻璃棒之类连接起来，若画成图，这种装置可以用一根从带负电荷的导体指向带正电荷的导体的一个箭头表示出来（图29）。我们把这整件东西叫做电的偶极子。很明显，这样的两个偶极子的行为和第一个实验中的两根磁棒完全一样。假使我们把这个发明看成是一根实在的磁棒的模型，我们可以说，假定存在磁流体，则一根磁棒不是别的而是一个磁偶极子，它的两端具有不同类的磁流体。这个简单的理论是模仿电的理论的，用它解释第一个实验是圆满的。在一端应该是吸引，在另一端是推斥，而在中央则两种相等而相反的力互相平衡。但是怎样解释第二个实验呢？把电偶极子的玻璃棒折断，我们得到两个孤立的极。折断磁偶极子的铁棒照理也应该同样有两个孤立的极，但这是与第二个实验的结果矛盾的。由于这个矛盾使我们不得不介绍一种更准确的理论。我们放弃前面所讲的模型，想象磁棒是由许多非常小的基本磁偶极子组成的，这些基本偶极子再不能折断为孤立的极。在磁棒中有一个统帅在掌管秩序，因为所有的基本偶极子都是指着一个方向（图30）。我们将立刻知道为什么把一根磁棒折成两段以后，那新的两端又变成新的两极的理由，也知道这个更精细的理论既能解释第一个实验也能解释第二个实验的理由。

    有很多情况，对那个简单的理论也能解释，似乎还不需要精细的理论。举例来说，我们知道磁棒会吸引铁。为什么呢？因为在一片普通的铁中，两种磁流体是混合在一起的，因此不会显出真正的效应来。把磁棒的正极移近铁，对磁流体起着“命令其分开”的作用，吸引了负的磁流体而推斥了正的磁流体，结果就出现铁和磁棒间的吸引现象。移去磁棒以后，磁流体又多少恢复原来的状态，究竟恢复多少，要看它们“追想起”外力的命令的程度如何。

    我们不准备细述这个问题的定量内容。用两根很长的磁棒，我们就可以研究它们的两极在互相接近时的吸引或推斥的力。假设磁棒很长，棒的另一端影响就可以忽略。引力或斥力与两极间距离的关系怎样呢？库仑实验作出的答案是这样的：这种关系与牛顿的万有引力定律和库仑的静电定律是一样的。

    我们又一次看到在这个理论中应用了一般的观点，即倾向于用引力和斥力只与不变的粒子之间的距离有关，而且只作用于粒子之间来解释一切现象。

    这里我们提及一件人人皆知的事情，因为以后我们还要用到它。地球是一个大的磁偶极子。我们一点也不能解释它何以如此。北极接近于地球的负（－）磁极，而南极则接近于地球的正（＋）磁极。这正负的名词，不过是习惯上所规定的，但一旦规定了，便可以使我们决定任何别的场合中的磁极。一根装在竖直轴上的磁针会服从地球磁力的“命令”。磁针的（＋）极指向北极，也就是说，指向地球的（－）磁极。

    我们虽则能一致地把机械观应用于电与磁的现象范围中，但是也不必因此特别自满或喜欢它。如果我们不泄气，我们也应看到这个理论中有些部分确实很不圆满。我们正在发明物质的新的种类：两种电流体和基本磁偶极子。我们开始感到物质实在太多了。

    力是简单的，无论是万有引力，电力或磁力都可以用同样的方法来表述。但是为了求得这个简单的表述方法，我们所付的代价也很高：引人了许多新的、没有重力的物质。它们都是颇为牵强的概念，而且与基本的物质——质量完全无关。

第一个严重的困难

    现在可以谈一谈应用我们的普遍哲学观点所遇到的第一个严重的困难了。后面我们还会看到，这个困难和另一些更严重的困难一起，使我们绝对不再相信一切现象都是可以用机械观来解释的了。

    自从发明电流以后，作为科学与技术的分支部门的电学才有了惊人的进展。偶然的事件能产生重大的作用，这种例子在科学史上是很少见的，这里我们找到了其中的一个。蛙腿痉挛的故事有各种各样的说法，不管那些细节的真实性如何，伽尔伐尼（Galvani）的偶然发现使得伏打（Volta）在18世纪末发明了所谓伏打电池，这一点总是毫无疑问的。这种电池早已没有什么实用价值了，但是在学校的实验中，或在教科书中，总是一直把它用作最简单的例子来说明电流的来源。

    它的构造原理是很简单的。拿几个大玻璃杯，里面装水，再加一点点硫酸。每个玻璃杯中有两个金属片，一为铜片，一为锌片，都浸在溶液中。一个玻璃杯中的铜片和下一个玻璃杯中的锌片连接起来，这样就只有第一个杯中的锌片和未一个杯中的铜片没有连接。如果“元件”的数目，即构成电池组的装有金属片的玻璃杯的数目相当多，那么我们用非常灵敏的验电器就可发现第一个杯中的铜片和末一个杯中的锌片之间有电势差。

    如上所述，我们只是为了可以用仪器很容易地测量电势差，所以介绍了由若干个玻璃杯组成的电池组。但在以后的讨论中，用一个玻璃杯装成的单电池就够了。我们可以证明铜的电势比锌高些，这里所谓“高些”的意思是等于说＋2比较－2要大些。假使把一个导体连接到那个空着的铜片上，另一个导体连接到空着的锌片上，则两个导体上都会有电荷，前一个有正电荷，后一个有负电荷。到此为止，还没有发现有什么了不起的新的现象，我们还可以应用以前关于电势差的观念。我们已经知道两个电势不同的导体用导线连接起来以后，可以使电势差消失，因此电流体是在从一个导体向另一个导体流动的。这种过程与由于热的流动使温度相等的现象是相似的。但是伏打电池中的电流是否也是这样流动的呢？

    伏打在他的实验报告中曾说过，金属片的作用和导体一样：

    ……微弱地带电，它们不断地作用，或者说在每一次放电之后，又立刻有新的电荷。总而言之，它所供给的电荷是无穷尽的，或者说，会发生一种永远不断的电流体的作用或冲动。

    这个实验的结果是令人惊异的，因为用导线把两个带电导体连接起来，电势差就会消失，而铜片和锌片之间的电势差是不会消失的。电势差既然维持不变，那么根据电流体的理论，便有电流体不断从较高的势位（钢片）流向较低的势位（锌片）。我们姑且不放弃电流体理论，可假定有一种经常的力，使电势差不断再生，因而引起电流体的流动。但是从能的观点看来，整个现象是令人惊奇的。在电流通过的导线中产生了相当多的热量，假使导线比较纤细，甚至会被熔化。由此可知，在导线中产生了热能。但是这整个伏打电池组构成一个孤立的系统，因为没有能从外部加进来。假使我们不愿放弃能量守恒定律，便必须找出能的转换发生在什么地方，热是由哪种能转换出来的。我们很容易理解，在电池中产生着很复杂的化学变化过程，在这个过程中溶液及浸在其中的铜片和锌片都是起作用的。从能的观点看来，转换的程序是这样的：化学能——流动的电流体即所谓电流的能——热。一个伏打电池组不能永远使用下去，化学变化和电的流动经过一个相当时期以后，便会使电池组失掉效用。

    有一个实验，它把应用机械观的巨大困难揭露出来了。这个实验初听起来是很奇怪的，它是奥斯特（Oersted）约在120年前所做的，他这样写道：

    这些实验似乎已表明，我们可以用一个伽尔伐尼装置使磁针移动自己的位置，但是只有在伽尔伐尼电路闭合时才有这种现象，而不是在电路断开时。几年以前某些非常有名的物理学家仍想在电路断开时使磁针移动位置，但毫无结果。

    假设我们有一个伏打电池组和一根金属导线，如果把导线连接在铜片上，而不连接在锌片上，便会发生势差，但是却不会有电流。假设把导线弯成一个圈，在它的中央放上一根磁针，导线和磁针都在同一平面上。在导线不接触锌片时，不会有什么现象发生。没有任何力在作用，所存在的势差对磁针的位置不会产生任何影响。我们简直不懂为什么奥斯特所说的那些“极有名的物理学家”会去期待这种感应的到来。

    现在让我们把导线连接在锌片上，奇怪的现象立刻发生，磁针离开了它原来的位置。假使把书的平面代表圈的平面，则磁针的两极中有一个极正指向读者（图31）。这个效应表明，有一种垂直于圈平面的力作用在磁极上。在实验的事实面前，我们不可避免地会作出结论，认为力作用的方向是垂直的。

    这个实验之所以重要，第一方面是因为它表明了在两种外观上完全不同的现象，即磁和电流之间的关系。还有一方面更重要，磁极和通过电流的导线的一小部分之间的作用力，不是在沿连接金属线和针的直线上，也不是在沿连接流动的电流体的粒子和基本磁偶极子的直线上，力是与这些直线垂直的。按照机械观，我们应该把外在世界的一切作用力都化成一种类型，而现在我们已经第一次发现到有一种力跟以前所发现的力不同了。我们记得那些服从牛顿定律和库仑定律的引力、电力、磁力都是沿着连接于相互吸引或相互推斥的物体的一条直线而作用的。

    在差不多60年以前，罗兰（Rowland）做了一个很精巧的实验，把这种困难显示得更厉害了。我们把实验的技术细节丢开不谈，只叙述实验的大意。设想一个小的带电圆球（图32），再设想这个圆球沿着圆形轨道很快地运动，在圆的中心放一个磁针。在原则上这个实验和奥斯特的是一样的，惟一不同的是他不用通常的电流，而用一种带电体使它发生机械运动。罗兰发现这一结果和电流通过圆形导线时所观察到的结果相同，磁针受一个垂直的力的影响而发生偏转现象。

    现在我们使带电体运动得更快些，这样，作用于磁极的力增大了，磁针从原来的位置偏转得更显著了。这个观察产生了另一种严重的困难。不仅力不在连接磁针与电荷的直线上，而且力的强度与带电体的速度有关。整个机械观是建立在一个信念上的，即认为一切现象都可以用只与距离有关而与速度无关的力来解释的。罗兰的实验结果推翻了这个信念。可是我们还能够持保守态度，仍旧在旧的观念范围内找寻解答。

    当一个理论在很顺利地发展时，突然会发生一些出乎意料的阻碍，这种困难在科学上常常发生。有时把旧的观念加以简单推广似乎是一个解决困难的好办法，至少暂时解决困难是可以的。例如在现在这个例子中，似乎把过去的观点推广，而在基本粒子之间引入一些更加普遍的力就够了。可是那旧理论往往已无法弥补，而困难终于使它垮台，于是新的理论随之兴起。在这里，不是单单一个小小磁针的行为把表面上很稳固、很成功的机械论打倒了。从一个完全不同的观点上来了另一个更有力的攻击，但这是另一个故事，我们以后再谈吧！

光的速度

    在伽利略的《两种新科学》一书中，我们可以听一听教师和他的学生之间关于光的速度的谈话：

    沙格勒多（Sagredo）：我们应该认为光的速率是属于哪一类呢？有多大呢？光的运动是即发的呢，还是像其他的物体一样需要时间的呢？我们能用实验来解决这个问题吗？

    辛普利娑（Simplicio）：日常经验告诉我们，光的传播是即发的，因为当我们看见远处开炮时，闪光不需时间便传到了眼睛，但是声音却是在一个显著的时间间隔以后才传到耳鼓来。

    沙格勒多：那么，根据这一点熟悉的经验，我们只能推论传到我们耳鼓的声音比较光要传播得慢些，它并没有告诉我们光的传播是即发的，或者说它传播得非常快，但总是需要时间的……

    萨尔维蒂（Salviati）：这些观察以及其他类似的观察中所得到的一点结论，使我想出了一个可以用来精确地决定光的传播是否即发的方法……

    萨尔维蒂还继续解释他的实验方法。为了了解他的观念起见，我们不妨设想光的速度不仅是有限的，而且是很小的，光的运动慢下来了，像慢动作的电影片一样。甲和乙两个人都拿着遮起来的灯相距1公里站着，第一个人（甲）先打开他的灯。这两个人已经预先约好，乙看见甲的光就立刻打开自己的灯。假定在这里所说的“慢动作”中的光每秒钟走1公里。甲把灯上的遮盖物拿开，于是一个信号就送出去了。乙在1秒钟之后看到这个信号并发出一个回答的信号，甲在发出自己的信号之后2秒钟收到乙的信号。假使光的速率是1公里每秒，则甲在发出和接到离开他1公里的乙的信号之间要经过2秒钟。反过来说，如果甲不知道光的速度，但假定他的同伴是遵守约定的，他若看见在打开自己的灯以后2秒钟，乙的灯也打开了，他就可以断定光的速率是1公里每秒。

    伽利略以当时的实验技术自然无法用这种方法测定光的速度，假使距离是1公里左右，他必须将时间间隔测到3．3×10^－6秒的数量级。

    伽利略提出了决定光速的问题，但是却没有解决它。提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。惯性原理、能量守恒定律，都只是运用新的和独创的思想去对付已经熟知的实验和现象所得来的。在本书的后续篇幅中，我们还将看到很多这样的例子，其中特别着重用新的观点来研究已知的情况的重要性，并描述一些新的理论。

    我们再回到比较简单的决定光速的问题上来吧！很奇怪，伽利略居然没有想到他的实验可以更简单、更准确地由一个人做出来。他不必请一个伙伴站在远处，只要在那里安置一面镜子就够了，镜子接到光以后，便立刻自动地送回一个信号。

    大约在250年之后，这个了不起的原理才被斐索（Fizeau）所利用，他是第一个用地面上的实验来决定光的速度的人。在斐索之前，已经有勒麦（Roemer）用天文观察决定了光的速度，可是精确度很差。

    这是十分明显的，由于光的速度非常大，要测量它，必须利用一个相当于地球与太阳系中的另一个行星之间的距离那样大的距离，或者需要使用极精巧的实验技术。第一种方法就是勒麦所用的方法，第二种就是斐索所用的方法。在这些最早的实验之后，这个代表光速的非常重要的数字，又作了很多次测定，而且愈来愈精确了。在20世纪，迈克尔孙（Michelson）为了这个目的设计了一种极精巧的仪器。这些实验的结果可以简单地表明为：光在真空中的速度约为300000公里每秒。

作为物质的光

    我们再从几个实验论据讲起。刚才所引用的数字是光在真空中的速度，光在真空中以这种速率穿过是不受干扰的。把一个空的玻璃容器中的空气抽去了，我们还可以透过它看东西。我们看到行星、恒星、星云，可是它们的光必须经过真空才能到达我们的眼睛。不论容器中有无空气，我们都能透过它看见东西，这个简单的论据表明空气的有无是无关紧要的。因为这个道理，所以我们做光学实验时，在一间普通的房间内所做的效果，和在没有空气的地方所做的效果一样。

    最简单的光学事实之一是光的传播是直线的，我们来描述一个能证明这个事实的原始的简单的实验。在点光源前放一个开有小洞的屏，点光源是一个非常小的光源，例如在一个遮盖起来的灯上的一个很小的缺口就是点光源。由于屏上有缺口，在很远的墙上的暗背景上现出了光斑。图33表明了这个现象跟光的直线传播关系。所有这些现象，甚至出现光、影和半影的更复杂的那些情况，都可以用光在“真空”和在空气中沿直线传播的假定来解释。

    我们另外举一个光通过物质的例子。假设有一束光通过真空，落在玻璃片上，结果会怎样呢？如果直线传播的定律仍然是有效的，那么光束的路线就应像图34中的虚线那样。但实际上不是这样，光束的路线像图上那样折转了，这种现象叫做折射。把一根棍子的一半浸在水里，看起来这根棍子的中间处像是折断了的，这是大家都熟悉的现象，它便是许多折射现象中的一个例子。

    这些事实已经足以说明怎样去想出一个简单的光的力学理论了。我们在这里的任务是要指出物质、粒子和力的观念是怎样进入到光学范围内的，并且这种旧的哲学观点最后是怎样崩溃的。

    在这里所提出的是这个理论的最简单和最原始的形式。我们假定所有的发光物体都发射光的粒子或微粒，这些微粒落到我们眼睛的视线内便产生光的感觉。我们为了对现象作力学的解释，已经很习惯于引用新的物质了，因此现在也不必踌躇，再来引用一种新的物质，这些微粒必须以已知的速率在真空中沿直线运动，并把消息由发光体带给我们的眼睛。所有表现光的直线传播的现象都支持微粒说，因为通常都认为微粒的运动正是直线运动。这个理论也很简单地解释了光在镜子中的反射，认为这种反射跟图35中所示的那种在力学实验中所观察到的弹性球撞在墙上的那种反射一样。

    对折射的解释稍为困难一些，如果不作细致的考查，我们有可能用力学的观点来解释，假使微粒落在玻璃表面上，玻璃中的物质粒子可能对它们施力，这种力很奇怪地只能在最邻近的物质间才发生作用。我们已经知道，任何作用在运动粒子上的力都会改变它的速度。如果作用在光的微粒上的力是垂直于玻璃表面的引力，那么光束新的运动路线将会在原来的路线与垂直线之间。看来这种简单的解释会使光的微粒说得到很大的成功，可是要决定这个理论的适用性和有效范围，我们必须研究新的和更复杂的情况。

色之谜

    首先解释自然界中这么多色的不是别人，又是天才的牛顿。这里引牛顿描写他的一个实验的一段话：

    在1666年初（那时我正在磨制球面玻璃以外的其他形式的光学玻璃），我做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它研究色的现象。为了这个目的，我把房间弄成漆黑的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来，我又把棱镜放在光的入口处，使光能够折射到对面的墙上去。当我第一次看见由此而产生的鲜明强烈的光的颜色时，使我感到极大的愉快。

    从太阳射来的光是“白”的，透过棱镜以后，它便现出可见世界中存在着的所有的色。自然界本身在虹霓的美丽色彩中也表现出同样的结果。自远古以来，人们就企图解释这种现象，圣经中说虹霓是上帝与人类订盟约的一个印章，在某种意义上说，这也算是一种“理论”。不过它不能圆满地解释何以虹霓会常常发生，而且总是与雨有连带关系。在牛顿的伟大的著作中，首次用科学的方法攻破了色之谜，而且对虹霓作了解释。

    虹霓的一条边总是红的，而另一条边总是紫的，在这两条边之间排列着所有其他的色。牛顿对这种现象的解释是这样的：在白光中已经存在了各种色。所有的色混在一起越过星际空间和大气而呈现白光的效应。白光可以说是不同色的各种微粒的混合体。在牛顿的实验中，棱镜把它们各自分开了。根据力学理论，折射是由于从玻璃的粒子所发出的力作用在光的粒子上所致。这些力对不同的色的微粒所贡献的作用也不同，对紫色光的力最大，而对红色光的力最小。因此在光离开棱镜以后，每种色的微粒就会沿着不同的路线折射而互相分开。而在虹霓中，雨点的作用便等于棱镜的作用。

    现在，光的物质论比以前更复杂了。光的物质不止一种而有很多种，不同的色就有不同的物质。可是假使这个理论有几分真实，它的结论必须跟观察相符。

    牛顿的实验中所显现的太阳白光中的色系叫做太阳的光谱，或者更确切些说，是它的可见光谱。像上面所说那样把白光分解为它的各个组元叫做光的色散。假如上面的解释不错，则光谱中分开来的色可以用第二个完全校准的棱镜再混合起来。这个过程应该恰恰和前面的相反，我们应该从前面已经分开了的光得到白光。牛顿用实验证明，确实可以用这种简单的方法从白光的光谱得到白光，也可以从白光得到光谱，无论要做多少次都可以。这些实验是光的微粒说的强大的支持，因为这个理论是认为每种色就有一种微粒，而各种微粒都是不变的物质。牛顿写道：

    ……那些色不是新产生的，而只是在分开以后才能使它显现出来；因此假如再把它们混合起来，它们又会合成分开以前的那种色。同理，把许多种色混合起来所发生的变化是不真实的，因为如果这些不同种类的射线再分开了，它又会表现在进入混合以前的那种色了。你们知道，蓝色与黄色的粉，假如很细致地混合起来，则肉眼看来是绿色的，可是作为组元的那些微粒的色，却并不因此在实际上有所变化，而只是混杂起来罢了。因为只要用一个很好的显微镜去看，它们还像以前一样，仍旧是蓝色粉和黄色粉互相混杂起来的。

    假设我们已经把光谱中很狭窄的一个条子分离出来，这就是说，在许多色之间，我们只让一种色通过缝隙，其余的用屏挡住。通过缝隙的光束便会是一种单色光，就是说，不能再分解为有几个组元的光。这是这个理论的结论，而且它很容易用实验加以确认。这种光束，不管用什么方法都不能进一步分解了。要获得单色光的光源，方法很简单，例如钠在炽热时就发出单色黄光。用单色光做某些光学实验总是很方便的，因为实验的结果会简单得多，这是我们可以理解得到的。

    让我们想象突然发生了一件奇怪的事：太阳只射出某一种色的，例如黄色的单色光。那么地球上的种种色都会立刻消失，任何东西都是黄色的或黑色的了！这个预言是光的物质论的一个结论，因为新的色是不能创造的。它的有效性可以用实验来确认：在一个只有炽热的钢作为光源的房内，任何东西都是黄色的或黑色的。地球上这么多的颜色反映为组成白光的各种色。

    光的物质论在所有这些例子中似乎都很圆满，不过它必须为每种色引入一种物质，这会使我们感到困惑，而关于所有的光的微粒在真空中都有完全相同的速度的假说也似乎很牵强。

    我们可能想象出另一套假定和另一个完全不同性质的理论，它也能同样圆满地作出全部所要求的解释。我们将很快就看到另一个理论的兴起，它虽然根据完全不同的概念，但能够解释同样的光学现象。我们在提出这个新理论的基本假设之前，必须回答一个与这些光学现象毫无关系的问题。我们必须回到力学方面来，并且问一问：

波是什么

    伦敦的一个谣言很快就会传到爱丁堡，可是没有一个传播谣言的人曾经往来于两城之间。这里有两类不同的运动，一种是谣言由伦敦到爱丁堡的运动，另一种是传播谣言的这些人的运动。

    风经过麦田，会激起一个波，这个波越过整个麦田传播出去。这里我们又必须区别波的运动与每株麦的运动，每株麦只经受微小的摆动。我们都看到过，把一个石子丢到水池中，会产生一些波，它以愈来愈大的圈子传播出去。波的运动与水的粒子的运动极不相同。粒子只作上下运动。我们所观察到的波的运动是一种物质的状态的运动，而不是物质本身的运动。浮在波上的一个软木塞清楚地表明了这一点，因为它是模仿着水的实际运动而上下运动，并不被波所带走。

    为了更好地了解波的机构，我们又要考察一个理想实验。假定一个大的空间完全均匀地充满着水，或空气，或其他的“介质”。在中央处有一个球（图36），在实验之初没有任何运动。突然之间，这个球有韵律地“呼吸”起来了，它的体积一下膨胀，一下收缩，不过球的形状始终保持不变，介质会发生些什么事情呢？我们从球开始膨胀的时刻开始考查。直接邻近球的介质的粒子都被向外推出，以致那一层球壳形的水或空气的密度都增加到超过它的正常值。同样，当圆球收缩时，环绕着它的最邻近的那一部分介质的密度便会减小。这些密度的变化会传遍整个介质。构成介质的粒子只作小的振动，但是整个运动却是一个前进波的运动。这里有一个重要的新的情况，便是我们第一次考察到一种不是物质的运动，而是借助于物质而传播的能的运动。

    用脉动的圆球为例，我们可以引入两个物理概念，这些概念对描写波是很重要的。第一个概念是波的传播速度，这是与介质有关的，例如对水与空气就不同。第二个是波长的概念，若是海上或河上的波，其波长便是从一个波谷到第二个波谷的距离，或者从一个波峰到第二个波峰的距离。海波的波长比河波的大。至于我们这个由脉动的圆球所引起的波，其波长则为在某种确定的时间内表现密度最大或密度最小的两个邻近的球壳形介质间的距离。很明显，这种距离不单与介质有关，圆球的脉动率当然也会有很大的影响，如果脉动愈快则波长愈短，脉动愈慢则波长愈长。

    波长的概念在物理学中是用得非常成功的。它肯定是一个力学概念。波的现象可以简化为粒子的运动，而根据动理论，粒子是物质的组元。因此一般说来，任何一个应用波的概念的理论都可以看作是一种力学理论。例如声学现象便主要是根据这个概念来解释的。振动的物体，例如琴弦和人的声带，都是声波的源，而声波在空气中的传播，和前面所解释的脉动圆球所造成的波的传播一样。因此我们可以利用波的概念，把所有的声学现象都归结为力学现象。

    前面已经着重说过，我们必须区别粒子的运动与波本身的运动，而波只是介质的一种状态。这两种运动是极不相同的，但是很明显，在脉动的圆球的例子中，两种运动都是沿着同一直线。介质的粒子沿着很短的线段而振动，而密度则随着这种运动按周期而增减。波传播的方向与振动的方向是相同的，这类波叫做纵波。但这是惟一的一种波吗？为了有利于往后的考察，我们必须理解还可能有另一种不同的波，称为横波。

    让我们改变前面的例子、我们仍用一个圆球，不过把它浸在另一类介质中，不用空气或水而用胶状的介质。而且，圆球不再是脉动的，而是先朝一个方向转一个小的角度，然后朝相反的方向转回，并一直以相同的韵律绕着确定的轴转动。胶状物黏附于圆球，其黏附的部分被迫作模仿圆球的运动。这些部分又使再稍微远一点的部分模仿同一运动，这样模仿下去，于是在介质中便产生了波。假如我们还记住介质运动与波的运动的区别，我们便会知道这两种运动不是在同一条直线上。波是朝圆球的半径的方向传播的，而介质的每部分的运动则与这个方向垂直，这样便构成了横波（图37）。

    在水面上传播的波是横波，一个在水中浮动的软木塞上下跳动，而波却沿水平面传播。在另一方面，声波是纵波的最熟悉的一个例子。

    还有一点，在一种均匀的介质中，由一个脉动或振动的圆球所产生的波是球面波。所以这样称呼它是因为在任何一定的时刻，围绕着源的介质的任何球面上的任何点的行为都相同。我们试考察离源很远的介质的一个球面的一部分（图38）。这一部分离得愈远并且取得愈小，则它愈像一个平面。假如不求太严格，我们可以说，平面的一部分和一个半径相当大的圆球的一部分并没有很重要的区别。我们常常把离源很远的一个球面波的一部分称为平面波。我们把图上画出影线的部分放得离球心愈远，而且把两个半径之间的夹角取得愈小，则愈能体现平面波的特点。平面波的概念也和许多其他物理概念一样，不过是一种假定而已，它只有某种程度的正确性。然而这是一个有用的概念，我们以后还要用到它。

光的波动说

    让我们回忆一下前面描写光学现象时突然停下来的原因。我们当时的目的是要介绍另一个光的理论，这个理论与微粒说不同，但也想做到能解释同样多的现象。为了这个缘故，我们不得不中断我们的故事而来介绍波的概念。现在我们可以回到原题上来了。

    第一个提出一个完全新的光理论的人是和牛顿同时代的惠更斯（Huygens）。在他的光学论文中，他写道：

    假如光的通过需要一定的时间——这正是我们现在要考查的——则这种在介质中传播的运动是一个接着一个的，因此它是和声一样以球面及波的形式传播的。我所以把它叫做波，是因为它与石子丢在水中所激起的波相似，这些波也是相继地以一个个的圈子传播出去，不过产生的原因不同，而且只在平面上而已。

    按照惠更斯的说法，光是一种波，它是能的迁移而不是物质的迁移。我们已经知道微粒说解释了许多已观察到的现象，光的波动说也能做到这一点吗？我们必须把微粒说已经回答了的问题再问一遍，看光的波动说是否也能回答得同样好。我们试采用谈话的方式，谈话的一方是牛顿学说的信奉者，简称为“牛”；另一方是惠更斯学说的信奉者，简称为“惠”。两个人都不许利用这两位大师死后所发展的论证。

    牛：在微粒说中光的速度具有完全确定的意义，那就是微粒通过真空的空间的速度。在波动说中它的意义是怎样的呢？

    惠：自然，它就是光波的速度。每个人都知道波是以某种确定的速度传播的，光波当然也是这样。

    牛：这看来不像那样简单吧！声波是在空气中传播的，海波是在水中传播的。每一种波都必须有一种具体的介质才能在其中传播，但是光能通过真空，而声却不能。设定真空中的波实际上等于根本没有设定波。

    惠：是的，这是一个困难，不过对我来说这并不是一个新的困难。我的老师已经把这个问题仔细想过，而认为惟一的出路便是假定一种假设的物质——以太的存在，这是一种充斥于整个宇宙的透明的介质。整个的宇宙可以说是浸在以太之中，一旦我们有勇气引用这个概念，其余一切都是明白而确切的了。

    牛：但是我反对这样一个假定，首先因为它引用一个新的虚假的物质，而物理学中的物质已经太多了。还有一个反对它的理由，毫无疑问，你相信我们必须用力学来解释一切，但是怎样来解释以太呢？你能答复下面这个简单的问题吗？以太是怎样由基本粒子组成的，而且在旁的现象中它是怎样出现的？

    惠：您的第一个反驳当然有道理，但是引入稍为牵强的没有重力的以太以后，我们便可以立刻放弃那更为牵强的光的微粒。这里我们只有一种“神秘的”物质，而不致于有与光谱中的许多种色相对应的无数的物质。你不觉得这实在是一个进步吗？至少，所有的困难都集中在一点上了。我们不再需要虚伪地假定各种色的粒子都以相同的速率通过真空了。您的第二个反驳也是对的，我们不能够对以太作一个力学的解释。但是毫无疑问，对光学的现象以及旁的现象的往后研究中也许会显示出以太的结构来。目前我们必须等待新的实验与结论，但是我希望最后我们总能够解决以太的机械结构问题。

    牛：我们暂且丢开这个问题，因为目前无法解决它。即使我们撇开那些困难，我还想知道你的理论如何去解释那些被微粒说解释得很明白而容易理解的现象，例如光线沿直线在“真空”或空气中通过的情况。把一张纸放在灯的前面，结果会在墙上产生一个清晰的、轮廓分明的影。假如光的波动说是正确的，清晰的影决不可能有，因为光会绕过纸的边缘，使影变得模糊。您知道，在海洋中小船不能阻挡波，波会绕过它，也不会出现小船的影子。

    惠：这不是一个能使人信服的论证。试看河里短的波打在大船的边上，在船的这一面发生的波在另一面就看不到。如果波十分小而船十分大，便会出现一个清晰的影。我们所以觉得光是沿直线行进的，很可能是因为它的波长比起普通的障碍物以及实验中所用的孔来要小得多。如果我们能够做出一个足够小的障碍物，很可能也会什么影也没有。要制造一个能够证明光是否能被弯曲的仪器，我们可能会遇到很大的实验上的困难。可是，如果能想出这样一个实验，就能对光的波动说和微粒说下一个判决性的结论了。

    牛：光的波动说也许在将来能导致新的论据，但是现在我不知道有何可以确切地确认它的实验资料。除非用实验确实证明了光会弯曲，我看不出有什么理由不相信微粒说。这个学说，在我看来比波动说简单，因而也就较好。

    虽然这个问题还没有彻底解决，我们可以把谈话在这里停下来了。

    我们还需要说明光的波动说怎样去解释光的折射和色的多样性，我们知道光的微粒说能够作出这种解释。我们从研究折射开始，但是将首先考察一个与光学毫无关系的例子，因为这对考察折射现象很有用处。

    假设在一个空旷的场地上有两个人悬着一根坚实的棍子在走路，棍子由两人各执一端（图39）。只要开始时他们以相同的速度笔直向前走去，只要两人的速度保持一样，那末不论速度的大小如何，棍总是作平行的位移，就是说，它的方向不会改变。棍的连续不断的所有位置都是相互平行的。现在，我们设想在一极短的时间之内，也许只有几分之一秒，两个人走路的速度不同了，会发生什么情况呢？很明显，在这一瞬间，棍子转向了，因此它不再对原有的位置作平行位移了。等到恢复为相等的速度时，它的方向已经与原来的方向不同。这在图上已明显地表现出来了，方向的变更发生在两个行路者的速度不同的瞬间。

    这个例子使我们能了解波的折射。一列在以太中行进的平面波碰在玻璃表面上，在图40中，我们可以看到一个具有比较大的波前的波在向前行进。波前是一个平面，在任何时刻，这个平面上的以太的各部分其行为相同。因为光的速度依光所通过的介质而异，因此光在玻璃中与在“真空”中的速度不相同。在波前进入玻璃的极短时间内，波前的各个部分各有不同的速度。很明显，已经到达玻璃的那部分便会以玻璃中光的速度行进，而其余部分则仍以光在以太中的速度运动。由于“浸”入玻璃时波前各部分的速度不同，波本身的方向便有了变更。

    由此可见，不仅光的微粒说，而且光的波动说也可以解释折射。假如再加上一点儿数学知识用作进一步的考察，便会发现光的波动说的解释更简单、更好，而且结果与观察完全相符。事实上，如果我们知道一束光进人介质时的折射情况，使用定量的推理方法，我们可以推出折射介质中的光速来。直接测量的结果圆满地确认了这些预言，因而也确认了光的波动说。

    现在还留下一个色的问题没有解决。

    必须记得，一个波是用两个数来表征的，即它的速度和波长。光的波动说的主要假定是：各自的色有各自的波长。黄色的单色光的波长与蓝色光或紫色光的波长不同。现在我们已经有用波长来自然地区别光色的办法来代替按不同的色来勉强地分为不同的微粒的办法了。

    因此牛顿关于光的色散实验可以用两种不同的语言来描述，即微粒说的语言和波动说的语言。举例如下：

    同一种现象出现了两种不同的理论，为了避免这种混乱情形，最好把两者的优缺点作一番细致的研究，然后决定赞成哪一种。但是听过“牛”与“惠”的谈话以后，我们知道这不是一件容易的工作。目前要作出决定，与其说是根据科学的确证来决定的，还不如说是根据兴趣来决定的。在牛顿时代以及其后的百余年间，多数的物理学家都赞成微粒说。

    后来在19世纪中叶，历史作出了它自己的判断——它赞成波动说而反对微粒说。在“牛”和“惠”的对话中，“牛”说过，这两个理论之间的争论原则上是可以用实验决定的。微粒说不允许光会弯曲，而要求出现清晰的影。而在另一方面，依照波动说，一个十分小的障碍物不会投下任何影子。在杨（Young）和菲涅耳（Fresnel）的研究成果中，这个结果居然用实验方法实现了，而且理论上的结论也推出来了。

    我们已经讨论过一个极端简单的实验，这个实验是把一个有孔的屏放在点光源之前，就会在墙上现出影来。我们把这个实验再化得简单些，假定光源是发射单色光的。为了要得到最好的结果，必须用强的光源，并且设想屏中的孔做得愈来愈小。假如我们用很强的光源，而把孔做得十分小，便会有一种新奇的现象出现，这种现象从微粒说的观点来看是很费解的。光亮和黑暗之间不再有明显的区分了，光成为一连串的亮环与暗环，渐渐消失于暗的背景中。环的出现正是光的波动说的最好表征。对于亮环和暗环相互交替的原因，要在一个稍微不同的实验里才会得到清楚的解释。假设我们有一张黑纸，纸上有两个针孔，让光通过这两个小孔，如果两孔非常接近又非常小，而且单色光的源非常强，则在墙上会现出许多亮带与暗带来，它们在边上渐渐消失于暗的背景中。解释是很简单的，暗带就是从一个针孔射出的波的谷和从另一个针孔射出的波的峰相遇之处，因为它们是相互抵消的。亮带则是从不同针孔里射出来的两个波的两谷或两峰相遇之处，因为它们是相互加强的。若是在前一例子中，我们对暗环与亮环的解释就要复杂得多，因为那里所用的是只有一个孔的屏，但原理是一样的。通过两个孔就现出亮带和暗带，通过一个孔便现出暗环和亮环，这个现象必须牢牢记住，因为以后我们还要转回来讨论这两个不同的图景。这个实验显示出了光的衍射，即把小的孔或小的障碍物放在光波行进的路线上时，光的直线传播就发生偏移（参看书末的附图Ⅱ）。

    利用一点儿数学我们还可以大大往前走一步，我们可以求出，要多大或者不如说要多小的波长才能产生这样的衍射花样。因此这里所描述的实验，使我们能够测量作为光源的单色光的波长。要知道这个数是如何的小，我们可以指出太阳光谱中可见光的两个极端的波长，那就是红光与紫光的波长。

    红光的波长是0．00008厘米，

    紫光的波长是0．00004厘米。

    我们不必惊异这些数字这样小。我们所以能在自然界中观察到清晰的影的现象，也就是光的直线传播的现象，正是因为通常所有的孔和障碍物比起光的波长来都大得多的缘故。只有用极小的障碍物与孔，才能显示光的波动的性质。

    但是寻求一个光的理论的故事还没法终结，19世纪的判决不是一个终审的判决。在现代物理学家看来，要在微粒与波动之间作出判断的整个问题仍然是存在的，不过现在来判断这个问题要采取一种更深刻更复杂的形式了。在没有看到波动说胜利的可疑点以前，我们暂且承认微粒说的失败。

光波是纵波还是横波

    我们在前面考察过的一切光学现象都是支持波动说的。光会弯曲而绕过小的障碍物，以及对折射的解释，就是支持它的有力论据。如果以机械观作为指导思想，那么还需要答复一个问题，就是怎样来决定以太的力学性质。要解答这个问题，必须先知道以太中的光波是纵波还是横波。换句话说，光是像声一样传播的吗？光波是由于介质密度的变化，而使得粒子向波传播的方向作振动的吗？还是以太是一种弹性胶质物那样的介质因而只能产生横波，并且它的粒子的运动方向跟波本身传播的方向是垂直的吗？

    在解决这个问题之前，我们试决定哪一个答案比较好些。很明显，若光波是纵波，那真是再好不过了，因为在这个情况下来设计一种力学的以太便简单得多了。以太的图景大概跟解释声波传播的气体的力学图景相似，要构成能传播横波的以太的图景就困难多了。要想象一种胶质物作为一种由粒子组成的介质，由它来传播横波，这不是一件容易的事。惠更斯相信以太会是“气状”的而不是“胶状”的，但是自然界毫不理会我们给它的限制。在这件事情上，自然界会容许物理学家力图用机械观来了解所有的现象吗？要回答这个问题，我们必须讨论几个新的实验。

    我们只详细讨论许多实验中的一个，这个实验能够提供给我们一个答案。假设我们有电气石晶体的一片薄片，它是用一种特殊的方式切出来的，切的方法我们不需要在这里描写。晶体的薄片必须薄得使我们通过它可以看见一个光源。现在我们取这样的两块薄片把它们都放在眼睛与光之间，我们会看到什么呢（图41）？假如两薄片都足够地薄，便又可以看到一个光点。这样的机会很多，实验符合了我们的期望，我们不必担心这一实验报告可能是由于偶然的机会所造成的。让我们假定我们是通过两个晶体片看见一个光点的，现在我们慢慢转动一个晶体片来改变它的位置。但转动时所绕的轴的位置必须是固定不变的，这样上面这句话才有意义。我们以入射光所定出的线为轴。这就是说，我们移动了一个晶体片上所有的点的位置，只有轴上的点的位置不变。一件奇怪的事发生了！光愈来愈弱，最后完全消失。假如继续转动，它又会再现出来，而等到回到最初的位置时，又重新恢复最初的景象。

    我们用不着详细描述这个实验及其他类似的实验就可以提出下面的问题：如果光波是纵波，能够解释这些现象吗？在纵波的情况下，以太的粒子必须和光束一样沿轴运动。如果晶体转动，沿轴线的点并不发生变化。轴上的点没有运动，只有在其附近发生很小的位移而已。因此对于纵波来说，决不可能发生光消失和光显现的明显变化。这个现象以及诸如此类的现象，只有假定光波不是纵波而是横波才能解释！换句话说，我们必须假定“胶状”的以太。

    这是很令人遗憾的，我们如果企图用力学来描述以太，那么必须做好面临极大困难的准备。

以太与机械观

    为了拭图理解作为传播光的介质以太的力学性质，物理学家曾经做过各种各样的努力，如果都要讨论它，就会写成一本很长的历史书。我们知道，力学上的解释是指物质是由粒子组成的，沿着它们之间的连线上有力作用着，而这个力只与距离有关。为了把以太说成是一种“胶状”的机械的物质，物理学家必须作一些根牵强和不合理的假定。这里我们不准备把这些假定引出来，因为它们早已过时了，而且差不多已经被人遗忘了，但其结果却是有重要意义的。所有这些假定是那样的不合理，还要引入那么多，而且它们相互之间又毫无关联，这些情况都足以动摇我们对机械观的信念。

    把以太说成是胶状的物质已经很困难了，但是还有其他更简单的反对它的理由。假如要用力学方法解释光学现象，必须假定以太到处存在。假如光只能在介质中通过，那么便不能有真空的空间。

    但是我们由力学知道，星际空间对物体的运动并没有阻力。例如行星在“以太胶质物”中运动便没有受到任何阻力，但物质介质必然会阻止物体的运动。如果以太不阻碍物质的运动，那么说明以太粒子和物质粒子之间没有任何相互作用。光通过以太，也通过玻璃与水，但在后面两种物质里它的速度却变了。怎样能够用力学方法解释这些论据呢？很明显，只能假定以太粒子与物质粒子之间有相互作用。我们刚才已经知道，对自由运动的物体来说，必须假定这种相互作用不存在。换句话说，在光学现象中以太与物质之间有相互作用，而在力学现象中却没有！这显然是一个很自相矛盾的结论。

    看来，摆脱这些困难只有一条出路。在20世纪以前的整个科学发展过程中，为了企图根据机械观去理解自然现象，必须引入许多虚假的物质，如引入电流体、磁流体、光微粒、以太等。其结果只是把所有的困难集中在主要的几点上，例如光学现象中的以太即为一例。这里所有想简单地构成以太学说的企图都没有成功，再加上别的反对意见，于是我们觉得，错误的根源似乎在根本假设上，即我们不应该认为可以用机械观解释一切自然现象。科学未能彻底实现机械观的预言，现在已经没有一个物理学家再相信它有实现的可能了。

    前面对主要的物理观念所作的简单回顾中，我们遇到了一些没有解决的问题，面临着一些困难与阻碍，使我们不敢再提出一种对描述外在世界的一切现象都能完全一致的观点。在经典力学中，有一个没有人注意到的线索——引力质量与惯性质量相等。那里还有电流体和磁流体的不真实的性质存在，那里对于电流与磁针之间的相互作用也是一个尚未解决的困难。我们可以回忆一下，这种力不在连接导线与磁极的直线上作用，而且它跟运动着的带电体的速度有关，表述它的方向与数值的定律又极端复杂。最后还有关于以大的巨大困难。

    现代物理学已经解决了所有这些问题，但是在解决这些问题的斗争中又产生了新的、更深奥的问题。我们的知识比19世纪物理学家的更广更深了，但是我们的疑惑与困难也比他们更广更深了。

结语

    电流体的旧理论以及光的微粒说和波动说都是进一步企图应用机械现的结果，但是在电学和光学领域内，这种应用遇到了极大的困难。

    运动着的带电体对磁针的作用力不仅与距离有关，且与带电体的速度有关。这种力对磁针既不推斥也不吸引，而是垂直地作用在连接针与带电体的直线上的。

    在光学中我们赞成光的波动说，而反对光的微粒说。波在粒子组成的介质中传播以及有机械力作用于二者之间的说法显然是一种力学上的概念，但是传播光的是一种什么介质而它的力学性质又是怎样的呢？在这个问题没有解答出以前，要把光学现象归结为力学现象是没有希望的。但是解决这个问题的困难大得很，以致我们不得不放弃它，因而也不得不放弃机械观。