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。
當黑暗的中世紀過去之後,人們對自然世界有了進一步的認識。波動現象被深入地瞭解和研究,聲音是一種波動的認識也逐漸為人們所接受。人們開始懷疑:既然聲音是一種波,為什麼光不能夠也是波呢?十七世紀初,笛卡兒(Des Cartes)在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中率先提出了這樣的可能:光是一種壓力,在媒質裏傳播。不久後,義大利的一位數學教授格裏馬第(Francesco Maria Grimaldi)做了一個實驗,他讓一束光穿過兩個小孔後照到暗室裏的螢幕上,發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格裏馬第馬上聯想起了水波的衍射(這個大家在中學物理的插圖上應該都見過),於是提出:光可能是一種類似水波的波動,這就是最早的光波動說。
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。
在節節敗退後,微粒終於發現自己無法抵擋對方的進攻。於是它採取了以攻代守的戰略。許多對波動說不利的實驗證據被提出來以證明波動說的矛盾。其中最為知名的就是馬呂斯(Etienne Louis Malus)在1809年發現的偏振現象,這一現象和已知的波動論有抵觸的地方。兩大對手開始相持不下,但是各自都沒有放棄自己獲勝的信心。楊在給馬呂斯的信裏說:"……您的實驗只是證明了我的理論有不足之處,但沒有證明它是虛假的。"
決定性的時刻在1819年到來了。最後的決戰起源於1818年法國科學院的一個懸賞徵文競賽。競賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導光線通過物體附近時的運動情況。競賽評委會由許多知名科學家組成,這其中包括比奧(J.B.Biot)、拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)和泊松(S.D.Poission),都是積極的微粒說擁護者。組織這個競賽的本意是希望通過微粒說的理論來解釋光的衍射以及運動,以打擊波動理論。
赫茲的實驗也同時標誌著經典物理的頂峰。物理學的大廈從來都沒有這樣地金壁輝煌,令人歎為觀止。牛頓的力學體系已經是如此雄偉壯觀,現在麥克斯韋在它之上又構建起了同等規模的另一幢建築,它的光輝燦爛讓人幾乎不敢仰視。電磁理論在數學上完美得難以置信,著名的麥氏方程組剛一問世,就被世人驚為天物。它所表現出的深刻、對稱、優美使得每一個科學家都陶醉在其中,玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)情不自禁地引用歌德的詩句說:"難道是上帝寫的這些嗎?"一直到今天,麥氏方程組仍然被公認為科學美的典範,即使在還沒有赫茲的實驗證實之前,已經廣泛地為人們所認同。許多偉大的科學家都為它的魅力折服,並受它深深的影響,有著對於科學美的堅定信仰,甚至認為:對於一個科學理論來說,簡潔優美要比實驗資料的準確來得更為重要。無論從哪個意義上來說,電磁論都是一種偉大的理論。羅傑•彭羅斯(Roger Penrose)在他的名著《皇帝新腦》(The Emperor's New Mind)一書裏毫不猶豫地將它和牛頓力學,相對論和量子論並列,稱之為"Superb"的理論。
物理學征服了世界。在19世紀末,它的力量控制著一切人們所知的現象。古老的牛頓力學城堡歷經歲月磨礪風雨吹打而始終屹立不倒,反而更加凸現出它的偉大和堅固來。從天上的行星到地上的石塊,萬物都必恭必敬地遵循著它制定的規則。1846年海王星的發現,更是它所取得的最偉大的勝利之一。在光學的方面,波動已經統一了天下,新的電磁理論更把它的光榮擴大到了整個電磁世界。在熱的方面,熱力學三大定律已經基本建立(第三定律已經有了雛形),而在克勞修斯(Rudolph Clausius)、範德瓦爾斯(J.D. Van der Waals)、麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯(Josiah Willard Gibbs)等天才的努力下,分子運動論和統計熱力學也被成功地建立起來了。更令人驚奇的是,這一切都彼此相符而互相包容,形成了一個經典物理的大同盟。經典力學、經典電動力學和經典熱力學(加上統計力學)形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結合在一塊兒,構築起了一座華麗而雄偉的殿堂。