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光的工作原理

现代对光的认识原理十分基础。我们之所以能看到电灯泡、火苗和星体发出的光,是因为它们产生了能量波(光波),并传入人眼中。有时,光波能直射进人眼,此时我们看到的就是光源本身;有时,光波是从其他物体反射而来的。这个简单的原理是现代人类世界观的基本认识,我们无法想象还能有什么别的方法来理解“光”。但值得注意的是,我们习以为常的概念是经几个世纪的争论才达成的共识。回溯历史,许多杰出的科学家和哲学家也提出了对于光的阐释,并对之深信不疑,但这些阐释在如今看来却荒诞无稽。然而,如果我们想要了解今天人们对光的认识,就有必要回顾前人走过的道路。

在很多方面,称古希腊“前苏格拉底时期”的哲学家为“第一批科学家”是有道理的。他们率先思考当今所谓“科学”的命题,如:世界万物从何而来、由什么构成,“现实”的根源何在等。其中“光”自然也备受关注。

德谟克利特(Democritus,公元前460—前370年)出生于古希腊,曾提出许多与现代科学同步的想法,这令人惊讶。他的先见性理论包括首次提出物质由原子组成。与此同时,他也曾对光和视觉进行阐释,但该理论在现代人听起来难免会觉得有些离奇。他认为,物体不断流溢出原子,形成了“影像”(eidola),“影像”如同幽灵般穿越空气,并逐渐缩小,最后进入我们的眼睛。换句话说,你之所以能看到牛,是因为牛的某些部分犹如外皮般脱落,飘入你的眼睛。物体不断失去自身分层的理论,能非常巧妙地解释自然侵蚀现象。这个理论听起来可能很荒唐,但你可以尝试组织逻辑反驳,其实如果不用现代科学所积累的实证证据,想推翻它还是非常难的。

古希腊也有一些大哲学家,提出了与德谟克利特对立的理论,其中包括毕达哥拉斯(Pythagoras)、欧几里得(Euclid)和柏拉图(Plato)。他们的学说对现代人来说同样奇怪:光由眼睛向外界投射,触及世间万物并产生互动,最后将信息带回来,如同蝙蝠的回声定位一样。不过,这种学说似乎也能找到很多证据支持,比如,猫的眼睛仿佛在夜里发光(使其在黑暗中也能看见东西)。再者,用力戳自己的眼球时,眼睛似乎也会闪光。

除此之外,关于光,还有其他人“唱反调”。古罗马诗人卢克莱修(Lucretius)在《物性论》( On the Nature of Things )一诗中无意间指出,光和热来自太阳:

太阳的光和热,视之四处游散

遍布天空的每一个角落

在每一个瞬间飞扬

穿过海洋和陆地,笼罩苍穹……

这种观点其实是正确的,但类似的观点数百年之后才被接受。

我之所以列举先贤的观点,并不是要嘲笑前人。他们的想法在现在看来十分荒谬,是因为我们已然接触了现代科学世界观。数百年来,即使是圣贤级别的人物也没有得出正确的答案。这告诉我们,看似简单的道理,其实发现过程也经历了诸多艰辛坎坷。如果真的想要体会那种站在科学前沿,探索世界并扩大人类知识范围的感觉,那么就请你跳出舒适的“现代科学”常识。设身处地地想象过去,即使是现如今不值一提的“显而易见”的道理,在那个时代也神秘无比。

虽然卢克莱修的想法是正确的,但同样提出光学理论的阿拉伯天文学家伊本·海赛姆(Hasan Ibn al-Haytham,在西方被称为阿尔哈曾Alhazen),才是现在公认的光学第一人。在其巨著《光学宝鉴》( Book of Optics ,写于1011—1021年)中,他对古希腊和古罗马光学理论做出了严谨的驳斥,并给出了相应的论据。例如,看强光时眼睛会感到疼痛,说明光是一种外源的“存在”,从外部影响了眼睛。虽然在现代人看来“光”只可能是外源的,但人类为了得出这一结论,却付诸了1000多年的努力。由此可见,正确的答案并非轻而易举就能获得。

除了推翻原有的错误观点,海赛姆还通过透镜和镜子实验,推出了近乎现代的光学理论。从此之后,人类就“如何能看到宇宙”这一问题,有了实验模型支撑:光从“光源”发出,以直线传递,在接触物体后反射,最终由眼睛捕获。

托马斯·库恩(Thomas Kuhn)在1962年出版的《科学革命的结构》( The Structure of Scientific Revolutions )提到了科学的“范式”,即科学学科均在特定的、包罗万象的模型中运转。范式既是我们观察万物的滤镜,也是我们观察能力的枷锁。海赛姆提出的光学观点就是一种全新的“范式”,这个理论具有极大的革命性质,到现在仍有很大影响力。过去古希腊哲学家认为光来自我们自身,该范式对我们探索宇宙的推动作用是非常局限的。我们一旦认识到光来自外部,就可以将其看作一位“信使”,它为我们带来宇宙的信息。海赛姆的理论彻底改变了我们看待宇宙的方式,带来了崭新的视角。如果没有这个范式,数百年后的科学革命就很难发生了。海赛姆的光学理论沿用至今,是我们在探索人类智慧道路上关键的第一步,使我们有能力勘测宇宙群星。 Hh5FDs5zGViUrvSMLKw0Vmq5E5SHMD3exDYZeCCyVa9xncKc0mFkkUAqW7qQQ0xn

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