第一章 黃金時代
我們的故事要從1887年的德國開始。位於萊茵河邊的卡爾斯魯厄是一座風景秀麗的城市,在它的城中心,矗立著著名的18世紀的宮殿。鬱鬱蔥蔥的森林和溫暖的氣候也使得這座小城成為了歐洲的一個旅遊名勝。然而這些怡人的景色似乎沒有分散海因裏希•魯道夫•赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)的注意力:現在他正在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室裏專心致志地擺弄他的儀器。那時候,赫茲剛剛30歲,也許不會想到他將在科學史上成為和他的老師赫耳姆霍茲(Hermann von Helmholtz)一樣鼎鼎有名的人物,不會想到他將和卡爾•本茨(Carl Benz)一樣成為這個小城的驕傲。現在他的心思,只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。
關於光的一些性質,人們也很早就開始研究了。基於光總是走直線的假定,歐幾裏德(Euclid)在《反射光學》(Catoptrica)一書裏面就研究了光的反射問題。托勒密(Ptolemy)、哈桑和開普勒(Johannes Kepler)都對光的折射作了研究,而荷蘭物理學家斯涅耳(W.Snell)則在他們的工作基礎上於1621年總結出了光的折射定律。最後,光的種種性質終於被有"業餘數學之王"之稱的費爾馬(Pierre de Fermat)所歸結為一個簡單的法則,那就是"光總是走最短的路線"。光學終於作為一門物理學科被正式確立起來。
惠更斯在數學理論方面是具有十分高的天才的,他繼承了胡克的思想,認為光是一種在乙太裏傳播的縱波,並引入了"波前"的概念,成功地證明和推導了光的反射和折射定律。他的波動理論雖然還十分粗略,但是所取得的成功卻是傑出的。當時隨著光學研究的不斷深入,新的戰場不斷被開闢:1665年,牛頓在實驗中發現如果讓光通過一塊大曲率凸透鏡照射到光學平玻璃板上,會看見在透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環條紋,也就是著名的"牛頓環"(對圖像和攝影有興趣的朋友一定知道)。到了1669年,丹麥的巴塞林那斯(E.Bartholinus)發現當光在通過方解石晶體時,會出現雙折射現象。惠更斯將他的理論應用於這些新發現上面,發現他的波動軍隊可以容易地佔領這些新辟的陣地,只需要作小小的改制即可(比如引進橢圓波的概念)。1690年,惠更斯的著作《光論》(Traite de la Lumiere)出版,標誌著波動說在這個階段到達了一個興盛的頂點。
胡克和牛頓在歷史上也算是一對歡喜冤家。兩個人都在力學,光學,儀器等方面有著偉大的貢獻。兩人互相啟發,但是之間也存在著不少的爭論。除了關於光本性的爭論之外,他們之間還有一個爭執,那就是萬有引力的平方反比定律究竟是誰發現的問題。胡克在力學與行星運動方面花過許多心血,他深入研究了開普勒定律,於1964年提出了行星軌道因引力而彎曲成橢圓的觀點。1674年他根據修正的慣性原理,提出了行星運動的理論。1679年,他在寫給牛頓的信中,提出了引力大小與距離的平方成反比這個概念,但是說得比較模糊,並未加之量化(原文是:…my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal)。在牛頓的《原理》出版之後,胡克要求承認他對這個定律的優先發現,但牛頓最後的回答卻是把所有涉及胡克的引用都從《原理》裏面給刪掉了。