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第12章 光学理论大论战

你该将荣誉作为你的最高人格标志。

——牛顿

(一)

牛顿对“牛顿环”现象的分析跟他早期从棱镜实验中得出的结论是一致的,即:白色是所有各种不同颜色的混合,而光是具有这些颜色的各个射线的混合。为了解释“牛顿环”现象的出现,牛顿提出了“猝发”理论。

根据这一理论,牛顿指出:

“每条光线在通过任何折射面时,都要进入某种短暂的状态,这种状态在光线传播的过程中每隔一定时间又复原,并在每次复原时倾向于使光线容易透过下一个折射面,在两次复原之间,则容易被下一个折射面反射。”

牛顿把每次返回和下一次返回之间所经过的距离称为“阵发的间隔”。实际上,牛顿在这里所说的“阵发的间隔”就是波动中所说的“半波长”。至于为什么会出现这种状况,牛顿并没有给出合理的解释,只是含糊地说:

“至于这是什么作用或倾向,它就是光线的圆圈运动或振动,还是介质或别的什么东西的圆圈运动或振动,我这里就不去探讨了。”

尽管牛顿从微粒说出发对“牛顿环”现象进行解释是不正确的,但他提出的“猝发”概念,以及精确地测出猝发间隔即半波长的数值,还是对波动光学理论和波长的测定作出了重要贡献。

此外,牛顿在光学的其他方面也作出了许多重要的贡献。但由于出发点的偏差,牛顿在光学革命中非常遗憾地与领导者擦肩而过。牛顿的这些理论一经公布,立即在科学界掀起轩然大波。以胡克和惠更斯为代表的科学家们坚决认为牛顿的理论是错误的,波动说才是正确的。由此,一场关于光的理论的大争论开始了。

作为皇家学会的创始人之一,胡克在学会内享有很高的威望。他知识渊博、多才多艺,但性格冲动,做任何事情都难以持久。他在生物学、光学、力学等诸多方面都颇有建树,但其理论往往是不完整的,因为他做事情总是虎头蛇尾,很少能彻底完成一件事情。

更为不幸的是,这位伟大的科学家有一种令人无法容忍的疑心和嫉妒心。面对和他不同的主张或观点,他总是显得过于激动和情绪化;对那些比他年轻,但成就比他大的后起之秀,他总是会表现出极强的嫉妒心。很多人认为,德高望重的胡克先生之所以极力反对和否定牛顿,便是出于对这位才智非凡的年轻人的嫉妒。

惠更斯是与牛顿同时代的另一位杰出的物理学家,在数学、天文和物理等多方面都颇有建树。他和他的哥哥康斯坦丁曾制作出当时世界上最先进的折射望远镜;他还设计出人类历史上第一座摆钟,开创了钟表制造史的新纪元。除了亲自动手磨透镜、制造望远镜和显微镜以外,惠更斯还对光学理论有着浓厚的兴趣。

在光学理论方面,惠更斯是波动说的集大成者。他认为光是一种通过以太介质传播的波,与声音相类似。在《光论》一书中,他完成了一种光的机械论理论,解释了光的反射与折射现象。他的这种解释方法从此便成为研究光学的经典方法。

牛顿一直十分尊重胡克和惠更斯这两位科学界的前辈,甚至称惠更斯为“德高望重的惠更斯”、“当代最伟大的几何学家”。因此,当牛顿的光学理论遭到他们的批评之时,牛顿的心情是相当沉重的。

冲动的胡克先生以一种近乎嘲讽的口吻攻击牛顿说:

“我既不以为牛顿的假说是唯一的,也不认为它可以和数学论证那样是不可推翻的。我想,宇宙间所有颜色的物体混合起来将不会成为一个白色物体,并且我将高兴地看到这样的一种实验……”

从本质上说,牛顿从来不是一个纯粹的微粒学说的支持者,也没有把自己的理论和波动说完全对立起来。从某种意义上说,他并没有完全否认光的波动性。在回答胡克的指责时,牛顿小心翼翼地写道:

“确实,根据我的理论,我主张光的粒子性。但是,我这样做并非绝对确信。因为话或许太直截了当了,并且最多只是使它成为这个学说的貌似有理的结果,并不是一个基本假设,也不像基本假设的哪个部分,这在前面的命题中是可以完全了解的。”

从牛顿回复胡克的质疑的信中,人们可以看得出来,牛顿没有向对方发起任何挑衅性的攻击。他对自己的微粒说并没有十分的把握,并没有将其视为一种理论上的假设,而是将其当作一种可能的结果。

(二)

除了微粒说和波动说的争论之外,胡克还对牛顿的颜色理论提出了质疑。胡克根本不能同意牛顿光学理论中白色光之中包含了颜色光的观点。他指出:

“所有这些运动或组成颜色的任何东西,都是起源于简单的光线之中,这点为什么必须加以肯定?我不理解,就像我不理解我们听到的风琴管发出的声音就一定是风箱里的空气发出来的一样。”

胡克认为,日光谱是六色的,而不是牛顿宣称的七色。红色和蓝色是两种非复合色,即两种基色。另外4种颜色只不过是红与蓝两种颜色在不同比例下呈现出来的复合色。

牛顿认为胡克的批判是完全错误的,根本站不住脚,立即提笔反击。他在给奥登伯格的信中说:

“如果允许一个人只是从假说的可能性来猜测事物的真相,那我就不知道应该用哪一种可靠性在哪一种科学中可以规定哪些东西了。因为人们可以想出越来越多的假说,并由此带来新的困难。”

牛顿坚持了自己的见解,并认为胡克对自己没有讲一点道理而提出赤裸裸的否定可能是由于误解而产生的。

荷兰着名科学家克里斯蒂安·惠更斯的许多光学思想是正确的,他的观点与牛顿的结合在一起,和现代的量子论观点相吻合。不过,惠更斯在当时也对牛顿的理论大加指责。他写信给奥登伯格,质疑牛顿的“假设”,并且抓住牛顿尚未发现的一些细小错误,如并不是所有的颜色混合在一起才能生成白色,蓝色和黄色混合在一起也能呈现出白色。

惠更斯的行为激怒了牛顿,让他不断在《哲学汇刊》上发表论文,扞卫自己的观点。

惠更斯在给奥登伯格的信中,批驳牛顿的颜色理论。他说:

“我已经看到,牛顿先生竭力维护他的关于颜色的新理论,我想最重要的反驳就是用是否存在两种以上的颜色这个问题来反对他。至于我,我相信一个假设应该能机械地和用运动的性质解释黄色和蓝色,对其余的一切,这就足够了。”

牛顿显然是不能同意这种观点的。他在《哲学汇刊》上撰文指出:如果想让黄色和蓝色得出一切颜色,那将是徒劳无益的。牛顿坚信自己的实验结果,并用近乎轻蔑的口气向这位鼎鼎有名的皇家学会外籍会员说道:

“如果他能用实验向我证明它们的颜色是怎样得出来的,我将承认我自己犯了一个错误!”

作为一名长者,惠更斯没能用充足的理由说服和驳倒牛顿,而且也认为这样争论下去没有多大意思,便主动退出了争论。他说:

“既然他这样关切地维护他的意见,我就不去争论了。”

然而,反对者并非只有惠更斯一个人,法国的笛卡尔和惠更斯学派也开始对牛顿的颜色理论进行批评和反驳。巴黎大学的教授帕尔第斯首先跳出来,在《哲学汇刊》上对牛顿的七色光谱提出了质疑。他宣称:

“无数保持各自折射性质和颜色的光线混在一起产生白色是相当离奇的事情!”

不知道是出于直觉,而是出于什么,这位大学教授竟然想当然地认为混合了的颜色产生的是深暗色而不是白色。与其同时,其他一些科学家也吹毛求疵地提出了一些反对意见,其中有些意见甚至是非常愚蠢的。

(三)

如果说牛顿与胡克、惠更斯等人的论战尚且可以用“科学对话”来概括的话,那些肆意提出的愚蠢观点使牛顿变得烦躁起来。这位缺乏安全感和自信心的科学家感觉自己受到了伤害,渐渐失去了争论的耐心。

后来,牛顿曾在一封信中赌气地写道:

“我知道我已经把自己变成了哲学的奴隶……除去我为了自己私人的兴趣或留待身后发表的东西,我将坚决地永远告别哲学。因为我看出,一个人必须或下决心不再作出什么新东西,或者变成一个奴隶去保护它。”

在无休止的争论中,牛顿渐渐产生了厌倦和心灰意冷的情绪。随后,他在给奥登伯格的信中说道:

“我打算不再关心哲学事务,所以希望您在我不再做这种事时不要埋怨我。或者我宁愿您不再寄给我与我有关的反驳或其他哲学信件。”

为了早日从无休止的争论中解脱出来,牛顿甚至在1673年初向奥登伯格表示,他希望退出皇家学会,而且不再和任何人进行学术交流。他在信中说:

“皇家学会一再催促我缴纳会费,然而,您知道,我一向在经济上十分困难。再说,我住的地方距离伦敦太远了,根本无法经常参加学会的会议。”

事实上,牛顿的这种说法只是临时找的托词,当时他的经济状况已经有了很大的改善,根本不至于交不起每年两便士的会费。他只不过想通过不交会费的办法来达到退会的目的。牛顿给皇家学会会员柯林斯的信便是一个证据。他在信中写道:

“也许人们并不是对我不友善,但是,我希望在其他事情上我不会受到这样粗鲁的对待。为了避免意外发生,我不愿更多地谈论过去的事情,希望你不要对此感到惊讶。”

奥尔登堡明白无误地理解了牛顿这封信背后的信息,立即给“这个怒气冲冲的数学家”回了一封信,告诉他:

“我已经向学会提出申请,免除你的会费。你可以不必交费,同时也不必退出皇家学会。”

胡克等人也意识到,牛顿的退出将是皇家学会的损失,便主动向牛顿妥协了。胡克在一封信中向牛顿表示,自己误解了牛顿的理论,因而向他表示歉意。与此同时,他也心平气和地说:

“由于这场争论的存在,我所作的某些解释是不明智的。”

接到胡克这封示好的信件之后,牛顿受宠若惊,立即以和解的口气结束了争论。他在回信中说:

“……笛卡尔完成的是一个良好的阶梯,你在若干方面增益甚多,特别是把薄片的颜色引入哲学思考。如果我看得更远一些,那是因为我站在巨人的肩上。”

牛顿总算平息了怒气,恢复了理智,很不好意思地撤回了辞呈。这场关于光学理论的争论渐渐平息了。但从此之后,牛顿变得越发谨慎了。他的巨着《光学》一直推迟到1704年,即胡克去世后一年才出版,其目的就是为了避免无休止的争论。由于太过谨慎,他的许多着作写成之后都迟迟不肯发表,以致延误了最新科学研究成果的面世。

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