序
如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代，那么有两个时期是一定会入选的：17世纪
末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志，宣告了现代经典物理
学的正式创立；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，心中更多的已经只是对那段光
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，由一个不起眼的线索
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……量子力学的发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，却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思
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艰难地走来，却更加坚定了对胜利的信念。
量子理论是一个复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女，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，电视，手机到核能，航天，生
物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么？这个问题至
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一玻尔（Niels Bohr）都要说：“
如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”
掐指算来，量子论创立至今已经超过100年，但它的一些基本思想却仍然不为普通的大众
所熟知。那么，就让我们再次回到那个伟大的年代，再次回顾一下那场史诗般壮丽的革命
，再次去穿行于那惊涛骇浪之间，领略一下晕眩的感觉吧。我们的快艇就要出发，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。

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地，但波动
方面军队在发展了自己的理论后，迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为
一种新兴的理论，格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝，但它却拖着一个沉重的包
袱，就是光以太的假设，这个凭空想象出来的媒介，将在很长一段时间里成为波动军队的
累赘。
两支力量起初并没有发生什么武装冲突。在笛卡儿的《方法论》那里，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”爆发的导火索是波义耳（Robert
Boyle，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1663年提出的
一个理论。他认为我们看到的各种颜色，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，是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克
（Robert Hooke）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，光必定是某种快速的脉冲，于是
他在1665年出版的《显微术》（Micrographia）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，似乎也在一时
占了上风。
然而不知是偶然，还是冥冥之中自有安排，一件似乎无关的事情改变了整个战局的发展。
1672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30岁，刚刚当选为皇家学会的会员。这是牛顿所发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发呆在一间小屋里。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小孔里。每当三棱镜被插进去的时候，原来的那束白光就不见了，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，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1665年的思想，而牛顿“原创”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发表任何研究成果。
其实在此之前，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。
1665年，胡克发表他的观点时，牛顿还刚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
报复心理，还是因为科学精神，今天已经无法得知了，想来两方面都有其因素吧。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发明的争论中
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（Christiaan Huygens）成为了波动说的主将。
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，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，新的战场不断被开辟：1665年，牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜
照射到光学平玻璃板上，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）。到了1669年，丹麦的巴
塞林那斯(E.Bartholinus)发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发现上面，发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地，只
需要作小小的改制即可（比如引进椭圆波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光论》（Tr
aite de la Lumiere）出版，标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。
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（而且马上就要成为爵士）。这位科学巨人——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情的致命打击。为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1704年，牛顿才出版了他的煌煌巨著《光学》(Opticks）。在这本划时代的作品中，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发现的种种现象。他驳斥了波动理论，质疑如果光如同声波一样，为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，已经再不是那个可以在评议会上被人质疑
的青年。那时的牛顿，已经是出版了《数学原理》的牛顿，已经是发明了微积分的牛顿。
那个时候，他已经是国会议员，皇家学会会长，已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礼膜拜，仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首（惠
更斯也早于1695年去世），这支失去了领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，就遭到了毁灭性的打击。他们惊恐万状，溃不成军，几乎在一夜之间丧失了所
有的阵地。这一方面是因为波动自己的防御工事有不足之处，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：牛顿作为光学界的泰斗，他的才华和权威是不
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天。
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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。两个人都在力学，光学，仪器等方面有着伟大
的贡献。两人互相启发，但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之外，他
们之间还有一个争执，那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题。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1964年提出了行星轨道因引
力而弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理，提出了行星运动的理论。1679年
，他在写给牛顿的信中，提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念，但是说得比较模
糊，并未加之量化（原文是：…my supposition is that the Attraction always is in
a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal）。在牛顿的
《原理》出版之后，胡克要求承认他对这个定律的优先发现，但牛顿最后的回答却是把所
有涉及胡克的引用都从《原理》里面给删掉了。
应该说胡克也是一位伟大的科学家，他曾帮助波义耳发现波义耳定律，用自己的显微镜发
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30
年，他发明和制造的仪器（如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等）在当时无与
伦比。他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代，他在力学和光学方面
是仅次于牛顿的伟大科学家，可是似乎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。他死后连一张画像也没有留下来，据说是因为
他“太丑了”。