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第四十三回

光子本来就是波,土星竟然有耳朵

公元1629年,即崇祯二年,是中国百姓的悲惨之年。首先,陕西等地“大饥”,前一年干旱无雨,草木枯焦,百姓争相采摘蓬草为食;蓬草尽,则剥树皮而食;树皮尽,则掘观音土而食,不数日则腹胀下坠而死;有煮食人肉者,不数日即面目红肿,燥热而死。其次,成都地震,声吼如雷,连震十二次,房动屋摇,鸡鸣犬吠,河涨水赤,山崩城倒,压死军民无数。再次,后金兵分三路入侵,一路打进大安口,一路攻入龙井关,一路轻取洪山口,蓟州被困,京师危急。百姓无奈,争相自我阉割,以求入宫当太监,混个饭饱;哪知朝廷却突然颁令:私自净身者,本人及手术者处斩,全家发配烟瘴之地充军,街坊四邻也以不举之罪论处。终于,忍无可忍者揭竿而起,起义军浩浩荡荡进攻三水。也正是在这一年的4月14日,本回主人翁克里斯蒂安·惠更斯诞生在了荷兰海牙的一个大户人家。惠更斯在家中排行老二,有一个哥哥。

惠更斯的家族,有三大特色。

其一是姓名。他与其祖父同名,他哥与其父亲又同名,好像他家的名字不够分配一样。不过,为避免搅得太乱,下面略去细节,直接以亲缘关系来论吧。

其二是职业。他家祖祖辈辈都为王室服务,好像秘书专业户似的,更准确地说是外交秘书专业户。你看,他祖父是秘书,先效力于威廉皇帝,后又效力于毛里斯亲王;他父亲也是秘书,效力于亨利亲王;他哥哥还是秘书,一直效力于奥兰治王室。作为祖传外交秘书之家,他们家人的情商都很高,都擅长于外交公关。耳濡目染之下,惠更斯也成了科学家中少见的、交际圈很广的人物之一。随后你将发现,惠更斯与同时代的著名科学家们几乎都有直接或间接的联系,这也在很大程度上有助于惠更斯的科研工作。

其三是家教。惠更斯家族,一直就非常重视孩子的教育和文化传承。他祖父当年培养自己儿子时就非常尽心,以至将惠更斯的父亲培养成了文理皆优的博学之士,且在文学和科学两方面都颇有建树,既能绘画也能作曲,还是音乐家,更是杰出诗人,比如他父亲用荷兰语和拉丁语撰写的多篇作品,在荷兰文学史上都成了脍炙人口的经典。此外,祖父还与梅森、笛卡儿等当时的核心科学家都有过密切往来,曾在海牙很好地招待过笛卡儿,并与之结下了深厚友谊。后来的事实也证明,这些良好的社会关系,对惠更斯的事业发展起到了不小的正面促进作用。

与祖父类似,父亲也很重视自己儿子的教育。他为惠更斯兄弟高薪聘请了优秀的家庭教师,使他俩在家中就接受了全面而良好的早期教育,一直到16岁。在此期间,惠更斯不但熟练掌握了拉丁语、希腊语、意大利语和法语等语种,而且还学习了众多有关逻辑、数学、力学、地理学等方面的知识,更善于唱歌,并能演奏古大提琴、鲁特诗琴和拨弦键琴等。特别是在13岁那年,惠更斯竟然还自制了一台车床,表现出了很强的动手能力,被父亲自豪地叫作“我的小阿基米德”。惠更斯自幼聪明好学,思想十分活跃,很早就展示出了其天才的理论兴趣,以及对实际应用的洞察力,这也是他后来的科研特点。惠更斯的父亲与笛卡儿等学界名流交往甚密,从而为随后惠更斯的学术发展铺平了道路。

16岁时,惠更斯进入莱顿大学,学习了两年法律和数学。特别是在数学导师凡司顿的指导下,惠更斯不但学习了经典数学,也学习了韦达、笛卡儿、费马等数学大家的现代前沿知识,还对自由落体问题进行了诸多独立研究。惠更斯的科研动向,被他父亲口耳相传,告诉了老朋友梅森。对,就是那位与当时全球顶级科学家几乎都有广泛联系的梅森,那位创立了“梅森学院”(即后来的巴黎皇家科学院)的梅森神父(见本书第四十一回)。于是,惠更斯便以捷径直接进入了当时的科学家“核心俱乐部”,不但能与梅森本人进行通信交流,讨论共同感兴趣的学术问题;而且,还有机会与笛卡儿等科学巨匠经常相互切磋。后来的事实也表明:笛卡儿的成就与思路等深深影响了年轻的惠更斯,后者的工作也得到了笛卡儿的指导、欣赏与鼓励。反正,惠更斯的科研工作确实赢在了起跑线上。客观地说,这在很大程度上,要归功于他父亲与祖父的良好人脉,比如他家与笛卡儿家就是三代世交。众所周知,古今中外的许多科学家大多都是智商高、情商低;但惠更斯的成功则有力证明:高情商,对科学研究其实也是很重要的。虽然,惠更斯还得益于他那出众的智商和勤奋。

18岁时,惠更斯与哥哥一起转入了新成立的、位于布雷达的奥兰治学院学法律。该校的环境对惠更斯就更有利了,因为,他父亲就是这所学校的创始人兼校长,而数学导师也很厉害,是著名的佩尔教授。两年后,1649年8月,惠更斯终于大学毕业了,可是却更纠结了。因为,若按家族传统和自己所学的专业,他本该首选为王室服务,继续给皇帝或某位亲王当秘书,继续从事外交公关工作;但是,若按自己的个人兴趣爱好,他却想转行从事科研工作。幸好苍天有眼,恰巧在这个节骨眼上,威廉皇帝于1650年去世了,惠更斯长舒一口气,便顺水推舟成了一位自由自在的“民间科学家”,直到1666年为止,共计16年。惠更斯家有的是钱,有无工作或有无工资,全不在乎。而后来的事实也证明,惠更斯的这16年“民间科学家”生涯,是他一生中最有成就且全面丰收的阶段之一。

在这16年的“民间科学家”生涯中,他取得的研究成果最多。比如,1650年,他完成流体静力学手稿;1651年,完成《双曲线、椭圆和圆的求积定理》,并纠正了前人的圆求积公式;1652年,将弹性碰撞规律公式化,并开始研究几何光学;1654年,完成《圆大小的发现》;1655年,与哥哥一起磨制镜片,造出了当时最先进的显微镜和望远镜;1655年至1656年冬天,首次发现了土星的卫星,并辨识了土星光环;1656年,发明摆钟;1657年,发表论文《论赌博中的计算》,从而使他成为概率论的创始人之一;1658年,出版《时钟》一书;1659年,发现摆线等时性,并提出渐曲线和摆动中心理论。从1659年开始,惠更斯醉心于离心力研究,其间与格里高利、沃利斯、凡司顿和斯吕塞等著名学者进行了大量学术通信。1660年后,他又将大量时间用于研究“如何利用摆钟在海上确定经纬度”等。

在这16年的“民间科学家”生涯中,惠更斯认识了很多各界巨匠。这些科学巨匠对惠更斯的科研和生活等各方面,都产生了重大影响。因为他们不但能在学术上指导惠更斯,而且还是惠更斯科学成果的最好宣传平台。比如,1655年7月到9月,惠更斯首次出访巴黎,并结识了后来共同组建巴黎皇家科学院的众多著名学者,包括伽桑狄、索毕耶、布利奥、罗伯威尔等;而且,还顺便在法国昂热取得了一个民法及教会法规博士学位。1660年10月到1661年3月,惠更斯第2次出访巴黎,又结识了包括帕斯卡、笛沙格、奥祖等科学大家。接着,他又前往伦敦,待到1661年5月,并结识了莫里、沃利斯、奥登堡等巨匠。特别值得一提的是,惠更斯在这里还参加了格雷欣学院的一个重要会议,其中波义耳的空气泵实验给他留下了深刻印象。1663年4月到1664年5月,惠更斯第3次出访巴黎,1663年6月到9月又穿插着去了伦敦。这次出访,使他在伦敦,成了“英国皇家学会会员”;在巴黎,获得了路易十四提供的一笔巨额科研经费。

1666年,巴黎皇家科学院正式成立,惠更斯应邀成为首批院士,并在当年5月从海牙迁往巴黎,从而结束了长达16年的“民间科学家”生涯。此后,他便在巴黎一直待到1681年,中间仅因健康原因短暂回海牙养过两次病。粗略计算一下,若不计月份误差,那么,惠更斯在巴黎又经历了另一个16年的科研生涯,只不过这次是“名科”,即“著名科学家”而非“民间科学家”。

后面这16年的“名科”生涯,是惠更斯出大成果的阶段。因为,作为巴黎皇家科学院的著名院士,惠更斯获得了很好的科研和生活条件。于是,他再接再厉,积极推进各方面的研究工作。比如,1668年,他从理论和实验两方面研究了阻力介质中的物体运动;1669年,创立了重力起因理论;1678年,完成了代表作《光论》,公布了自己在1676年至1677年间建立的“光的波动学说理论”,严格地说是“光的脉冲理论”;1673年,合作制造出了一台内燃机,此后便与莱布尼兹建立了长期稳定的联系。也是在1673年,惠更斯开始研究简谐振动,并设计出了基于弹簧校准的钟表,提出了著名的单摆周期公式,还发表了学术专著《论摆钟》。这是他受路易十四资助后的首部著作,故他把此书献给了法国国王;哪知此举引发了祖国荷兰的强烈不满,因为当时法国和荷兰正在交战。1677年,他将显微镜正式应用于科研。

由于祖国与客居国之间的战争,也由于自己的身体原因,惠更斯在52岁那年(1681年)回到了荷兰,定居于自己的出生地海牙,从而结束了两个“16年”的“民间科学家”和“名科”生涯。回到故乡后,惠更斯不但继续研究光学,而且还制造了多架钟表,并亲自将钟表应用于数次长距航海活动中,还完成了《被发现的天上世界》一书。1689年6月到9月,他出访英格兰,并面见了又一位科学巨人——牛顿。牛顿的名著《自然哲学的数学原理》让惠更斯高山仰止,但牛顿的某些观点(比如,光的“粒子说”)也引起了惠更斯的强烈怀疑。在生命的最后几年中,惠更斯一直都与法蒂奥和莱布尼兹等著名科学家保持着“热线”联系,其研究重点也聚焦到了微积分等数学问题。

在16年的“民间科学家”生涯中,惠更斯的代表性成果,当数他在1655年3月25日,利用自制的望远镜发现了土星的首颗卫星——土卫六。这是在太阳系中,继木星伽利略卫星后,发现的首颗卫星。虽然伽利略曾用望远镜观察过土星,并发现“土星有耳朵”;但该“耳朵”常常又莫名其妙地消失。伽利略以后的许多科学家也曾研究过“土星耳朵”,但由于思路跑偏,始终未得要领,以至于“土星怪现象”就成了天文学上的一个谜,一个大谜。惠更斯则与哥哥一起改良了开普勒望远镜,并磨制了更好的透镜,由此才发现:哦,原来在土星旁边有一个薄而平的圆环,该圆环几乎平行于地球公转的轨道平面,伽利略发现的“土星耳朵”消失是因为土星环常常看上去像是一条细线。就这样,惠更斯发现了土卫六,并进一步观测到了猎户座星云和火星极冠等重要的天文现象。书中暗表,今人已知,土卫六又称泰坦星,是环绕土星运行的一颗卫星,也是土星的最大卫星,还是太阳系的第二大卫星。由于它是太阳系中唯一拥有浓密大气层的卫星,因此,也被人们高度怀疑为“可能居住有生物”;还有人推测,其大气层中的甲烷可能是生命体的基础。形象地说,土卫六可视为一个时光机器,有助于我们了解地球的早期情况,揭开地球生物的诞生之谜。

在16年的“名科”生涯中,惠更斯的代表成果,当数他在光学研究中首次提出的“波动说”。虽然,从今天的角度来看,无论是牛顿的“粒子说”,还是惠更斯的“波动说”,都不够完整;但在当时,惠更斯对牛顿的大胆质疑,确实具有划时代的意义。实际上,关于光的本质,一直就是人类努力探索的课题。1638年,法国数学家皮埃尔提出物体是由大量坚硬粒子组成的。后来,他将该观点推广到光,认为光也由是大量坚硬粒子组成的。牛顿根据光的直线传播规律结合光的色散现象,于1675年提出“粒子说”,认为“光是从光源发出的一种物质微粒,在均匀媒质中以一定的速度传播”。“粒子说”很容易解释光的直线性和反射性;因为粒子与光滑平面发生碰撞的反射定律,与光的反射定律相同。然而“粒子说”却很难解释这样两种现象:其一,一束光射到两种介质的分界面时,为啥会同时发生反射和折射现象;其二,几束光交叉相遇后,为啥彼此都能毫无障碍地继续向前传播。为此,惠更斯提出了与牛顿“粒子说”相对立的“波动说”,认为光是一种机械波,它由发光物体振动引起,依靠一种特殊的名叫“以太”的弹性媒质来传播。“波动说”虽能解释前面的两个疑问,但是,在解释折射现象时,惠更斯基于“光在水中的速度,小于在空气中的速度”的假设,这与牛顿的解释正好相反。惠更斯与牛顿,谁是谁非?这便引发了近代科学史上有关“光的本质”的激烈争论,即光究竟是粒子还是波?惠更斯的“波动说”也有自己的缺陷,比如它无法解释光的直线性和颜色起源等问题,所以,当时并未获得广泛承认。再由于那时无法测出水中的光速,因此,不能根据折射现象的假设,来判断牛顿和惠更斯到底谁对谁错。尤其是牛顿的名气太大,其拥护者对“波动说”更是横加指责,试图全盘否定,致使“波动说”在很长一段时间内几乎销声匿迹;而牛顿“粒子说”则盛极一时,以至称雄整个18世纪。

进入19世纪后,“波动说”才重新活跃起来,因为“粒子说”遭到了多次重创。首先,托马斯于1801年用暗室做了一个举世闻名的实验,证明“光具有干涉现象”;对此,只有“波动说”才能解释,“粒子说”则一筹莫展。其次,菲涅尔用实验证明了“光具有衍射现象”,并成功演示了明暗相间的衍射图样;因此,光在传播过程中其实是可以“转弯”的,比如能绕过障碍物或穿过小孔、狭缝等;这一点,也无法用“粒子说”来解释。此外,给予“粒子说”致命打击的,是对光速的精确测定。到19世纪中叶,法国物理学家菲索和付科先后发现:光在水中的传播速度,只有空气中的3/4。换句话说,这又一次证明了“波动说”的正确性。19世纪80年代,赫兹通过实验证明:电磁波与光一样,也能产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。于是,人们利用光的电磁说,对以前发现的各种光学现象,都能给出圆满解释,使得“波动说”在与“粒子说”的论战中取得了绝对优势地位。

正当“波动说”节节胜利时,意外却发生了!因为,“波动说”的一个基本假定,“以太的存在性”被否定了。1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷,通过实验严格证明:地球周围根本不存在以太!另外,对“波动说”打击更大的是,人们发现了光电效应,即金属在光的照射下,其表面会释放出电子,称为光电子。而且,光电效应的发生,只与入射光的频率有关,只要频率足够高,不管光的强度有多弱,一旦照射到金属上,立刻就会飞出光电子。总之,“波动说”完全不能解释光电效应。于是,人们又开始回头再次认真考虑“粒子说”。

终于,爱因斯坦运用“光量子说”将牛顿的“粒子说”和惠更斯的“波动说”有机地结合了起来,并指出:“光,既是波,同时也是粒子;既是连续的,也是离散的……”,从而圆满结束了长达200多年的有关“光的本质”的激烈争论。

纵观惠更斯的一生,从结交科学家朋友的角度来看,他很像梅森,是一位尽心尽职的“自费群主”,恨不能把当时的所有科学大家都拉入其“群”中,为大家搭建一个良好的沟通平台;从科研成就角度来看,他又像是一位“万能”科学家,他的研究领域覆盖了数学、物理、天文、力学、光学等当时的几乎所有主流前沿。此外,他还是著名的发明家,比如他是机械钟(摆钟)和许多天文仪器的发明者。他是历史上最著名的物理学家之一,是介于伽利略和牛顿之间的物理先驱;对力学和光学的发展,都有杰出贡献;在数学和天文学方面,也有卓越成就,是近代自然科学的重要开拓者;他建立了向心力定律,提出了动量守恒原理,改进了计时器等。总之,惠更斯善于把科学理论与实践相结合,他留给后人的科学论著多达68种,其《全集》有22卷之巨。

惠更斯一直就体弱多病,他始终未婚,将一生都奉献给了自己喜爱的科学事业,1695年7月8日逝于海牙,享年66岁。同年,清朝为上吊而亡的明朝崇祯皇帝立碑,总结了崇祯失败的原因:并非他本人失德,而是朝野内外的文武当权者无一人实心办事!由此可见,哪怕只是一个人单枪匹马(比如惠更斯),只要是尽心竭力,就能取得辉煌业绩;相反,哪怕是成千上万的精英(比如崇祯朝廷的君臣们),只要是敷衍了事,那么,再大的家业也都能很快败光。 Lz+rGLbox1JrfHwxO+wPgcOkcjBmc0wFkFejX9x7ne0anH3S3xNRsUqusIoQvfh9

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