SCIENCE書摘

難以捉摸的光

古代人絞盡腦汁探索光的本質,但出乎意料的是光具有「二象性」。

撰文/魯尼(Anne Rooney)
翻譯/蔡承志

SCIENCE書摘

難以捉摸的光

古代人絞盡腦汁探索光的本質,但出乎意料的是光具有「二象性」。

撰文/魯尼(Anne Rooney)
翻譯/蔡承志


小檔案
書名:大人的物理學:從自然哲學到暗物質之謎(The Story Of Physics: From Natural Philosophy to the Enigma of Dark Matter)
作者:魯尼(Anne Rooney)
譯者:蔡承志
出版商:聯經(2017年2月)


最早就光的本質提出的觀點,見於公元五或六世紀的印度記載。數論派(Samkhya school)認為光是五微塵(五種基本的「微妙」元素)之一,同時五「大」(gross)元素也應運而生。勝論派(Vaisheshika school)採行一種原子論觀點來解釋世界,認為光是以高速運動的火原子流所組成──和現今的光子概念不謀而合。公元前一世紀印度經典《毗濕奴往世書》指稱,陽光是「太陽的七輝線」。


古人分不出光和視覺的差別。公元前六世紀,希臘哲學家畢達哥拉斯指稱,光線就像觸鬚從眼睛向外行進,光線碰觸物體,我們就看到它,這種模型稱為發射說(emission theory)或外射說(extramission theory)。柏拉圖也認為,眼睛發出的射線促成視覺,恩培多克勒(Empedocles)則在公元前五世紀為文談起從眼睛中射出的火光。然而,這種把眼睛看成一種火炬的觀點,並不能解釋為何我們在黑暗中視物並不像在日間那般清晰,所以恩培多克勒指稱,眼睛發出的射束必須和另一個源頭發出的光互動才行,例如太陽或燈火。


迄今留存的最早光學著述是希臘思想家歐幾里得(Euclid)的作品,他也採信發射模型。歐幾里得在數學方面的名氣比較響亮,他著手研究幾何光學,並從數學視角為文著述。他論述物體尺寸和該物與眼睛距離的關係,並說明反射定律:由於入射角等於反射角,因此反射影像位於鏡後的距離等於該物體位於鏡前的距離。約300年後,另一位開創新局的希臘數學家亞歷山大的希羅(Hero of Alexandria)證明,在相同介質中傳播的光始終依循最短可能路徑前行。舉例來說,倘若光只在空氣中傳播,這束光就完全不會偏折。他察覺,以平鏡面反射光,並不違背這項原理,再次證明入射角和反射角是相等的。


玩弄光


當古希臘在歐洲文化中心的地位衰頹,求知欲望也大半跟著衰頹,連同當時才蓬勃發展的物理學也包括在內。少數殘存的希臘思想家向東遷移。最早的光學相關實驗由古希臘天文學家托勒密(Claudius Ptolemy)完成,當時他在羅馬帝國埃及省的亞歷山大圖書館工作。他發現,光進入比較緻密的介質(例如從空氣進入水中)時,會朝著與界面正交的角度偏折。他解釋這種現象,指稱這是光進入較緻密介質時會減速所致。


儘管托勒密接受視覺的發射模型,他仍歸結認為,眼睛發出的射線和朝眼睛行進的光線是相同的,於是他最終把視覺的理論和光的理論結合在一起。往後又過了許多世紀,大家才採信,視覺完全就是光線落於眼上所產生的結果,而且眼睛完全不會「伸出並攫取」周遭世界的影像。阿拉伯學者阿爾哈真(Alhazen)在約1025年開創這個重要至極的一步,他的作品《視覺學》翻譯成拉丁文,對中世紀歐洲有深遠影響。阿爾哈真承續最早投入光學研究的阿拉伯科學家金迪(al-Kindi)的研究,並逐步累積成果。金迪指稱:「世上一切事物……朝一切方向發出射線,充滿整個世界。」阿爾哈真斷言,射線把外界發出的光和色彩傳遞給眼睛。他描述眼睛的構造,說明水晶體如何發揮作用,並製作拋物線鏡,為光的折射作用訂定數值。阿爾哈真還說,光速必定是有限的,不過後來是另一位阿拉伯科學家比魯尼(Abu Rayhan al-Biruni)率先發現,光速比聲速高得多。


阿爾哈真的成果由謝拉茲(Qutb al-Din al-Shirazi)和弟子法里西(Kamal al-Din al-Farisi)進一步擴展,解釋了彩虹是太陽白光色散分成頻譜色彩成份所致。約略這時,德國教授佛瑞伯格(Theodoric of Freiburg)使用球形燒瓶裝水驗證了彩虹的形成方式:陽光從空氣射過水滴會發生折射,接著在水滴內產生反射,然後從水射回空氣時,又發生折射。他正確定出彩虹(從中心到暈圈)的角度為42度。即使如此,他依然想不出霓的起因。笛卡兒在300年後發現,光在水滴裡會產生第二次反射,從而生成霓,也導致色彩順序顛倒。


神的光


阿拉伯科學家的著述翻譯成拉丁文,大體都是在(阿拉伯人控制下的)摩爾統治期西班牙進行,接著很快傳遍歐洲。光學研究成果經歐洲早期一些科學家習得,當中包括英格蘭人格羅斯泰斯特(Robert Grosseteste),稍晚期則有英格蘭學者培根(Roger Bacon)。格羅斯泰斯特做研究的時代,對柏拉圖的高度依賴現象已經退燒,從阿拉伯傳統復興的亞里斯多德學說則逐漸取而代之。他師法亞里斯多德、阿威羅伊和阿維森納,建構出光學研究成果。格羅斯泰斯特身為主教,以〈創世紀〉1:3「要有光」經文所述神創造光的事跡為起點。依他所見,創世歷程是種物理歷程,由同心光球的擴張和收縮作用驅動促成。他論稱,光能無止境自我滋生,從單點光源增長生成光球。他的研究比較偏向形上學,較不屬於物理學範疇。


格羅斯泰斯特提出了一種具有高度原創性的論述,首先他認為光是「第一形式」(first form),並以光的作用為本,假設一種創世做法。有關格羅斯泰斯特的原創性,還有光學之外的另一則有趣明證,在西方思想家當中,他似乎是最早指稱有「多重無窮」的第一人:「……所有數之和,含奇與偶,得數為無窮大,故大於所有偶數之和,即使這仍為無窮大;因為該數較大,且兩數之差為所有奇數之和。」


培根從英國牛津大學轉到法國巴黎大學,在1247年和1267年熟讀了古希臘和伊斯蘭的重要光學文獻,並完成著述《光學》。後來他啟動一項研究計畫,內容涵括當年在大學沒有教授的幾門學科,還有一項以他的光學研究成果為本的實驗科學模型。他指稱,語言學和科學知識可以推動並支持神學研究,其用意或許是為了安撫羅馬天主教會。然而教會依然沒有放鬆箝制,繼續束縛科學發展長達許多世紀。天主教當局以《聖經》版物理事件和現象為唯一真理,任何發表異議的科學家都遭噤聲,甚而處決。


歐洲有關光學與光的真正重要的原創著作,直到文藝復興時期方才出現。16和17世紀科學界傑出人物哥白尼、伽利略、克卜勒和牛頓等人,終於廢除了支配科學思維近2000年的亞里斯多德派宇宙模型,還制定出屹立四、五個世紀,無懼任何挑戰的力學和光學相關定律。這當中以克卜勒和牛頓在光學做出最重要的貢獻。


克卜勒是德國數學家暨天文學家,他相信上帝依循一套清晰合理的計畫來建構宇宙,也因此可憑著科學觀測和推理來發現其運作方式。克卜勒主要以天文學廣泛研究著稱,不過他還導入了點對點追蹤光線的技術,用來判定、解釋光的傳遞路徑。他由此推斷,人類的眼睛能把從瞳孔射入的光線聚焦於視網膜上,從而發揮視物功能。他解釋眼鏡如何作用,當時人類已使用眼鏡約300年,卻始終沒有人真正了解背後的原理。隨著望遠鏡使用日趨廣泛,大約在1608年,他也解釋了望遠鏡如何發揮功能。


克卜勒在1603年發表他的光學著述,比牛頓出生的時間早了將近40年。最早的天文望遠鏡實際上是英格蘭的迪格斯(Leonard Digges)在1550年代早期製成,儘管如此,那種儀器大半都與另一個人的研究成果最為密切,那個人就是天文學家伽利略。


透鏡是最基本的光學工具,能改變光的行進路徑。透鏡遠在人類提出運作原理之前,業已發展問世。現存最早樣品是尼姆魯德透鏡(Nimrud lens),3000年前在古亞述以一塊岩石晶體製成。巴比倫、古埃及和古希臘也用過相仿透鏡,有可能是用來放大物體的影像,或者當成生火透鏡,用來聚焦陽光以點燃火燄。古希臘和羅馬人曾用球形玻璃容器裝水來製造透鏡。研磨製成妥當形狀的玻璃透鏡,則是直到中世紀才開發問世。用來矯正視力的透鏡,最早或許見於羅馬作者老普林尼(Pliny the Elder)的著述。

他描寫尼祿(Nero)皇帝曾在競技場透過一塊綠寶石觀賞格鬥士比試。閱讀石(凸起的玻璃塊或岩石晶體)從11世紀起便用於放大文字影像。磨製而成的玻璃透鏡約從1280年起便用來製作眼鏡,不過起初沒有人知道透鏡的作用方式和原理。隨著顯微鏡和望遠鏡在16和17世紀的發展,精密透鏡的需求也隨之增長。磨鏡技巧在數百年之間不斷精進,改良的鏡片也促成進一步發現,隨後又提高對更優良鏡片的需求。文藝復興和啟蒙時期的一些偉大科學家,好比伽利略和比利時顯微鏡先驅雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)還有荷蘭物理學家暨天文學家惠更斯(Christiaan Huygens)等人,都自行製造透鏡。


─ 本文摘錄自《大人的物理學》第二章〈讓光發揮作用──光學〉。

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