第15章 声光之障
尽其所能地快,光速,你知道的一分钟一千二百万英里……——爱都(Eric Idle)与琼斯(Trevor Jones),《银河之歌》(The Galaxy Song ),1983声障。光速。
这些经典事物给迷惑的人们制造了无穷无尽的心灵折磨。我们这些完全依赖景象和声音的人早就学会了一件事:自然界以最急板指挥其交响乐。那些与景象和声音关联最密切的人甚至得享大名,比如突破声障的叶格(Chuck Yeager,1923—) [1] 和光的作曲大师爱因斯坦,后者在他著名的方程式E=mc2中,以小写c代表光速。
在这些20世纪的名人成为聚光灯焦点的许久以前,这个令人摸不着头脑的疑惑已经开始出现了。一切可能都源起于雷电交加的暴风雨。大自然唯有此时方能同步展示耀眼的光芒与震耳欲聋的声响。这种展示总是引人注目。在亚里士多德的年代,闪电会令人暂时失明,雷声把碗盘震得喀啦喀啦响,户外则是不祥的鸦雀无声。
至少,现在的我们是以科学方式来看待雷雨。闪光来时,我们想到的是“电”,并安慰自己:在美国,死于闪电的人,每年平均不到一百,英国只有三个人且十之八九不会是你。如果你是女人(男人被击中的频率高了5倍),而且既不钓鱼也不打高尔夫(最吸引闪电的活动),说不定还可以坐下来欣赏这场火爆演出呢。 [2]回顾帕德嫩神殿建造的时候,容易引来闪电的高尔夫球场不多,雷电交加的暴风雨总是被当成意料中的神力的展现。thunder(雷)这个字源自古斯堪地那维亚的神祇Thor(索尔),这个挥舞锤子的神祇也给了我们Thursday(星期四)这个字。
不过他大概没有独占权。基督教的教义《圣经》,曾多次提及耶和华所施加的闪电。第一次是出现在《出埃及记》第九章第二十三节:“摩西向天伸杖,耶和华就打雷、下雹,有火闪到地上。”
这种带有娱乐效果的威吓手段也是希腊罗马众神的拿手招数。终极雷电射手当属日耳曼神祇多纳尔(Donar)和希腊神祇宙斯,后者即罗马人所说的朱比特。如果你往东走,就算有办法躲过欧洲诸神之怒,也会遭到斯拉夫神祇佩库纳斯(Perkunis或Perkūnas,波罗的海地区的雷神)和印度神祇因陀罗(Indra,印度教雷神、战神,佛教的帝释天)先后痛击。
闪电往往被描绘成一把标枪。在罗马时代,无论闪电击中了什么,都被视为神圣之物。有时候,有玻璃砂熔岩标示电击之处,那个地点会被围栏隔离以示尊崇。虽然当局并未真正授权许可,但死于闪电的人会因地制宜,在祝圣地点就地下葬,不会被运到墓地去。在非洲和南美洲文化的神话中,巨大的雷鸟被指为是暴风雨的肇因。
在古典希腊时期,科学与自然观察蓬勃发展,视觉与听觉的重要性引发广泛思索声音与影像如何能从A点移动到B点。尽管假说的构思并未中止,但早年那些令人困惑的基本谜题,如今已转变成现代噱头式的科学不断泉涌的源头。 [3]人们在落笔撰写《圣经·旧约》诸多内容的那个世纪,见证了第一波针对视觉与听觉狂热而来的非宗教观点,这是由希腊思想家泰利斯(Thales,约公元前620—前546)及其追随者阿那克西曼德(Anaximander,约公元前611—前547)和阿那克西美尼(Anaximenes,约公元前585—前528)所提出。这三人因为退出宙斯掷标枪的这项活动而加分,即使他们的结论错误。他们都在著作中写道,雷是风击穿云层,他们相信是这个过程引燃了闪电之火。因此,雷先出现,这结论在接下来的2000年一直受到拥戴,真奇怪。
倒也不是无人异议。阿那克萨哥拉(Anaxagoras,约公元前499—前427)说,因为某种原因,是火光先闪现,只是被云里的雨给浇灭了。他相信雷鸣是闪电被猛力扑灭的声音。
亚里士多德的脑袋里塞满了对万事万物精细复杂的信仰,而公元前334年前后,在他那部叫作《天象论》(Meteorologica )的论文集中,亚里士多德加入了这场战局。在该书中,他与泰利斯站在同一阵线。他写道,雷鸣是困在云层中的空气猛烈撞进其他云层所发出的声响,他还说:“闪电是在这冲击之后所产生,所以比雷鸣晚,但我们好像会觉得闪电先于雷鸣,那是因为我们听到响声之前就先看到闪光。”
这并不全是胡扯。这是已知最早做出光移动比声音快的陈述。这似乎是开创性的概念,又一项证据显示亚里士多德是资优班的。其实,判定光和声音的相对速度完全不需要用到天才级的智商。大厅内和峡谷里的回声一直都暗示着声音是动作慢的那个。
经过一个世纪又一个世纪,用云层互撞来解释雷雨依然广受采用。公元前1世纪中叶左右,罗马诗人卢克莱修(Lucretius,约公元前99—前55)在其《物性论》(On the Nature of Things )中描述闪电:
群风争战之际。绝无一丝声息
响自碧空万里如洗;第于天象更添深浓处
重云偶合,遂发紧密益切
轰隆隆破空巨响。
为什么“先有闪电”这个百分之百更加正确的想法没有流传开来呢?大概是因为在那个枪炮尚未出现的年代,那是个独一无二、全无先例的事件。 [4] 光不曾发出声响,尤其是天上。日月当然是寂静无声,常见的火流星和萤火虫也是如此。曙光一样静默无语。即使是生物学领域的萤火虫和发荧光的海中生物,亮光也是在寂静中展现。
在此同时,有些古希腊人跳过暴风雨,直探声音的本质。毕达哥拉斯纳闷:为什么某些音符的组合听起来就是比其他组合悦耳?他有了一个惊人的发现。他拿各种不同长度的弦来做振动实验,发现当弦长互为整数比,所产生的组合总是悦耳和谐。例如,如果弹拨某条弦产生音符A的音,2倍长的弦也会发出A,只是低了8度,对应的数值比为2:1。这两个音之间的音符,则是弹拨弦长比如8:5、3:2、4:3等等的弦所发出。亚里士多德后来正确写出:声音无非是空气因靠近脉动或振荡物体,如弦、沙沙作响的叶子、声带及正在震动的铜钟,而产生的扩张与收缩。
这就是当时的情况,而随着世纪交替的钟声响过一次又一次,音响学并没有更进一步的发展。声音这个主题依然神秘,直到科学革命的黎明到来。17世纪初,莎士比亚借李尔王之口问道(第三幕第四场):“天上打雷是什么缘故?”却得不到回答。大约同一时期,1637年,笛卡儿颇具说服力地撰文论光学及影像、声音的传播 [5] ,依然主张云层互撞产生雷鸣,犯了和2000年前希腊人相呼应的错误。
但事情开始有了改变。我们对伽利略的赞扬在于对重力与自由落体的探索,但这位伟人对于声音的观察同样精准。早在17世纪,他就写道:“波是经由发声物体的振动而产生,这种振动透过空气散播,带给耳膜一种刺激,而心灵将这种刺激解读为声音。” [6]值得一提的是,这段话答复了“如果森林中有一棵树倒下”这个陈年谜题。 [7] 今天绝大多数的人都会认为,倒下的树有发出声音,即使附近无人在听。伽利略不以为然。说得确切一点,倒地的橡树使得空气受压而产生复杂的喷吹——实际上是一连串彼此相关的小喷吹,或是数千次非常短暂、个别的气压变化——并向外散播。这些短暂的小小微风并非原本就有声音,而是这些静默的喷吹以一种非常细腻的方式令耳膜振动,脉动快慢紧接——这就是伽利略观察到的:
“心灵解读为声音。”伽利略说得太对了。他所倡议的,是量子力学出现前罕见的说法:观察者的重要性。如今我们知道,自然界与有意识的观察者彼此相关、同进同退。要有声音,两者缺一不可。
因此,伽利略基本上是把声音定义为压力波,是快速、复杂的风吹,是空气或其他物质中的乱流。后来的研究者发现,周遭气压出现仅仅十亿分之一的短暂变动,人类便会感觉到有杂音——也就是耳膜所受刺激大到足以产生振动。不只如此,只要那些空气脉动每秒重复不多于两万次也不少于一万五千次,人类就会听到声音。这些是人类听觉反应的参数,令耳膜中的神经发出电子讯号给大脑。出此范围之外,小小微风无声疾吹。
伽利略之后,声音的科学进展快速,所揭露的内容更加惊人。雷电交加的暴风雨也吐露出刺耳的秘密。1752年6月,在一次危险且稍有不慎可能便会致他于死的著名风筝实验中,富兰克林(BenjaminFranklin,1706—1790)发现了闪电的真正本质。他得出正确的结论:闪电生雷,而非雷致闪电。不管怎么说,他早就在实验室中制造过火花,而且每次总是随之听见噼啪声。富兰克林以优美的词藻写下:“万亩电云霹雳,这势必响亮的声音会有多响亮呢?”(他可不是略有涉猎而已。他着迷于揭开电的秘密已逾十年,正是他打造出“电工”“导体”和“电池”这些字眼。)德利尔(Joseph-Nicolas Delisle,1688—1768)在这条路上甚至走得更远。这位法国天文学家拿凶宅来当天文台 [8] ,之后又帮彼得大帝建立俄国的天文学计划,他在50岁那年开始研究雷雨。他的判定是:闪电在极远处也能被看见,甚至是超过160千米之外,但一般而言,如果闪电出现在不过是24千米外的地方,就听不到雷声了。即使在我们这个时代,人们还是错把无声的闪光归类为“热闪电”(heatlightning)——一种其实并不存在的现象——却不知这只是声波消散已尽的远地雷雨。
我们接着再回头来谈那罕见的场面:当闪电触及地面、留下疤痕,就能定出与观察者之间的精确距离。运用此一距离与先前所测的闪光与雷鸣时间差,“自然哲学家”毫无困难便能给声音标上每小时1236千米的速度。但声速变得众人皆知,是因为一个迷人的概念:声障。这之所以引起关注,是因为声障有如一项挑战。没有味障或光障,为什么单单有声障?
这个观念兴起于现代航空年代,在此之前,除了赶牛鞭和子弹,从未有任何人造物跑那么快。这个障碍之所以成问题,是因为空气的压力波会积压在逼近声速的物体上,声爆就是因此而产生。20世纪50年代初,在飞行员试图达到声速的时候,这种密集的空气压缩古怪地导致喷射飞行器的控制问题。至于雷鸣会拉长而呈连续的隆隆声,19世纪的科学家正确指出原因:离听者较近的那些段落的闪电所发出的声音,比其他段落先传到。因为电光的长度要超过1.6千米很容易,从不同段落传来的声音可以使轰隆声持续超过五秒。
但即使到了20世纪,当雷云开始与飞行机器分享天空舞台,还是没有人知道闪电是如何产生雷。有三种出色的理论,每一种听起来都很有道理。来吧,试试手气,你会把你那一票投给哪一种?
1903年的蒸气理论说,闪电突如其来地蒸发其路径所经云层的所有水分,这种高压蒸汽猛烈扩张,产生了雷声,像正在爆发的火车头蒸汽锅炉内所发生的情形一样。
另一个理论从1870年就有——正值化学发展的狂热高潮——主张闪电中的电就像烧杯水中的电极,把云里的水解离成各自分离的氢原子和氧原子。当这些原子快速地再次化合,其结果是一场大爆炸。毕竟这些元素混合在一起,如果旁边有火花,免不了要爆炸。这就是1986年“挑战者号”航天飞机灾难事件所发生的情况。
第三种想法发表在1888年的《科学人》杂志。一位名叫赫恩(M.Hirn)的人提出这个理论:“名之为雷的声音起因很单纯,电火花、也就是闪电所经过的空气突然温度升到非常高,且体积大为增加。因此而突然受热膨胀的气体柱有时长达数英里,而且……接下来噪声一口气从整个气柱中冲出,但在观察者听来,无论身在何处,这声音是离他最近的闪电发出的。”
最后这个假说——历经过数十年争论——获得了科学社群认可。
雷就是爆炸性膨胀的空气。
全都是运动,大规模的运动。作用于甾类化合物的电弧、超声速的气体膨胀,然后是与闪电成直角、以声速竞跑的压力波。
接下来就谈到细节了。不过,这细节还真不得了啊!闪电是在10毫秒内产生的约30,000摄氏度的炽热——远比太阳表面相对微温的约6000摄氏度更热。相较之下,钢,力量的象征,“仅仅”需要1371摄氏度就变成液体。闪电那发了疯的热使得原子裂成碎片,剩下猛烈膨胀的电浆,所产生的压力比周遭空气还要大上10倍。难怪这些暴风不会安安静静地踮起脚尖。
抓狂般扩张的气体产生了宽程声谱。但高音马上消散,几英尺就没了。高音波脉动快速,却没法维持下去。这就是为什么当那些青少年开车从你旁边经过,收音机放得震天价响,你却只听到沉闷重击的低音。音乐中的高音甚至无法撑过9米距离、传到你靠人行道那边的耳里。这也解释了为什么雾笛被设计成只发出低音的样子。这种声音传得远,而高音发挥不了作用。
因此,雷声传得越远,就变得越低沉。这么一来,闪电的音轨以三种方式透露出闪光的位置:响度、声音有多锐利(相对于混浊程度)和音高。如果你差一点被闪电击中——这种情况下的声音和闪光会同步——你所听到的是均衡许多的音乐作品,有很多锐利、高到噼啪作响的音。本书刚刚完成时,这种情况真实发生在我家中工作室的外头,刚好赶上写进这段。闪光和震耳欲聋的爆裂声完美同步,仿佛大自然正在说:“你们想要亲身体验这种经验?好,这就来吧!”的确,把耳朵震聋的爆炸音高完全不在低音音程内。当轰隆隆的雷声缓慢而且模糊,这一定是在3.2千米外。
不过,谈到真正的精准度,古老的作法依然适用。计算闪光到第一声雷响之间的秒数,每多一秒就意味着闪电离我们又远了335米。五秒标示着闪电在1.6千米处——几乎就在鼻尖上。
所有人都可以轻易察觉出八分之一秒的光、声落差,这对应的距离是45米。所以当闪光与爆音似乎真的同步时,闪电离你只有市区两个路口的一半还不到,名符其实的掷石所及。真的是擦身而过。
当我们说到声速,通常指的是声音在空气穿行的运动速度。但声音在各种不同物质、甚至是其他气体中的行进各有差异。从宴会汽球里吸一点氦气,我们就会有小矮人的声音,因为我们的声音穿过氦气时,速度会达到疯狂的每秒975米,也就是比声音穿过正常空气还快3倍。声音穿过液体或非多孔性固体时冲得更快。穿过水比穿过空气要快4.3倍,而穿行铁轨的钢则要快上15倍。 [9]在此同时,闪电,这种种声音和狂暴的肇因,以光速——比声音快100万倍——奔向观察者,根本是瞬间到达。精确来说,1.6千米外的闪电在发生后0.000005秒就被看见了。
几千年来,光一直被认定拥有快到无法测量的速度。人们觉得光在发生的同一瞬间就抵达远处。到了17世纪,当真相终于透漏时,光在某些方面变得比较容易理解,但对那些研究光的人来说,光也越来越吸引他们。即使到了今天,我们这些非以教授科学为业的人,也少有能直截了当陈述光到底是什么。一口气说出光的速度——每秒299,792.458千米——要比说出光的成分来得容易。确实是如此,不论我们认为光是粒子或是波。
波似乎是以明显可见的方式在运动,但绝不涉及任何前进运动。
实际上是没有任何物质在前进。当海浪通过某一片着生海床的藻类,这植物只是上下浮动。所以,正如我们在第13章所见,海浪向前移动,但构成海浪的海水并未前移。
同样的情形也适用于声音。朋友在购物商场中庭的另一头大声招呼,但没有任何东西从他那边跑到你这边来。他只是在嘴前的空气中制造出一股乱流,空气中的分子推挤旁边的分子,就这样一个接一个,直到邻近你耳膜的分子振动了那片薄膜。没有任何实质物体跑过来,一颗原子也没有,连1英寸也没动。
对此,有一个经典证明,这必须把一条长绳从旗杆或鹰架顶端垂挂下来。给绳子底部猛抽一下,制造出一个漂亮的波形,流畅地一路往上疾奔。这看起来像一个正弦波在进行活生生的铅垂运动,但实际上,绳子的每一个部分只是前后波动而已。
所以就光而言,一开始的那个问题变成:到底是什么在运动?
古希腊人相信,光是从眼睛向外跑的一道射线。但古代其他思想家则认为,视觉是这道眼射线与太阳这类光源所发射的某物之间的交互作用。最接近真相的希腊人是卢克莱修。他在《物性论》中写道:
“太阳的光和热是由微小的原子所组成,当这些原子被往外推,便一刻不待地跨越空气的间隙,顺着那一推的方向射出。”
卢克莱修把光当成粒子的观点——最终得到牛顿的支持——其中那句“一刻不待”意味着同时性。不管怎么样,在接下来的几个世纪,大众依然把光当成只是一种眼睛所看到的现象。
等了整整一千年才有所改变。下一次真正的突破来自阿尔哈金,我们之前已经见识过他对大气层的精准评价。公元1020年前后,他说视觉纯粹是光进入眼睛的结果,眼睛本身完全没射出任何东西。他那高人气的针孔摄影机令他的论证更有分量。但阿尔哈金的成就远不只此。他以出色的解说指出,光是由细小、直线运动的粒子流所构成,这些粒子来自太阳、遇物体而反射。他坚持光是以快但有限的速度在行进。他说,折射——光的弯曲,就像落日看起来扭曲那样——是因为光通过密度渐进式增大的物质时减速所造成,像是地平线附近的浓密空气。
阿尔哈金说得一点也没错。他字字珠玑的结论领先众人六个世纪。举例来说,开普勒在1604年针对光做了巧妙的观测,但还是相信光的运动无限快,而经过一个世代之后,笛卡儿又把这个错误的观点重申了一次。更糟的是,笛卡儿一再发表无限速度的论证,并宣称他愿“为此赌上自己的名声”。
到头来,斩钉截铁成了虚妄一场。但我们不应仗着后见之明嘲笑这些伟人:无限速度是一种非常前卫的概念。想象极快之物谁都会,人人都知道反正光一定是快到破表。但,一出发就抵达呢?完全不花时间?这会使得光殊异于整个自然界(后来知道量子现象才是跑无限快,我们在倒数第二章会谈到)。
在此同时,关于“光是什么?”的辩论吵翻天。这场辩论越来越火热,几乎有拿食物互砸的水平。17世纪后期,牛顿加入开普勒阵营,主张光是粒子流,但胡克、惠更斯(Christiaan Huygens,1629—1695),这些人则坚持光是一种波。当然,如果是的话,那是什么波?这么一来,这些文艺复兴时代的科学家不得不相信空间中充满物质(后来称其为“以太”),因为必须有一种物质实际进行波动。
有一项显而易见的事实,最后令许多人转而支持牛顿的粒子观。
当一个张角小或距离远的物体,如太阳,所发出的光通过一道锐利的边,如房屋的墙壁,会在邻近物体上投下一道边缘锐利的阴影。那就是直线运动的粒子会做的事。反之,如果光是由波所构成,应当会向外扩散——衍射——就像涟漪和海浪绕过防波堤的情况。这些边缘锐利的阴影为牛顿的天才声誉再添一笔,让波动说支持者看起来十分疯狂。
在此同时,有限对无限的吵闹,终于在1676年丹麦观测者罗默(Ole Rømer,1644—1710)确定光速时画下了句点。 [10] 任何一个有小型望远镜的人都可以看到木星的四个大卫星,在399天的循环周期中绕着巨大的行星加速又减速。意思是这些卫星有大约半年移动得比另外半年快。这产生了不难观察到的特殊现象,像是每颗卫星通过木星前方时,都出现比平均轨道绕行速度“提早”或“延迟”多达15分钟的情况。每当地球接近木星时,这些卫星就冲得比较快。反之,当地球慢慢远离,说也奇怪,这些卫星变得拖拖拉拉。
当时,罗默的脑中有某样东西咻地跑了出来,他咬到一半的糕点也掉了下来。当地球正在飞离木星时,木星动态境况的每一幅影像都必须走得更远才能到达我们这儿!在这种时候,我们两个世界相隔距离每秒钟增加30.5千米。用我们今天的可视化说法,这部电影的每一“格”画面都必须传送得比上一格更远,而这就要花点时间了。当然,这么一来,这些景象似乎会以慢动作呈现。这种迟延证明了光并非无限快。
这位了不起的丹麦人计算出光的速度为每秒225,309千米。由于每秒299,792.458千米的正确速度得再等两个世纪才能定案,罗默只少算了25%,算是很厉害了。他的确是没办法做得更好,因为当时人们还不知道地球到木星的真正距离,而这得再等上三代的后浪推前浪,才有合理的方法来揭晓谜底。
此处并不适合一一细述诸如法国物理学家菲涅耳(AugustinJeanFresnel,1788—1827)、法国数学家暨物理学家泊松(Siméon-DenisPoisson,1781—1840),还有法拉第(Michael Faraday,1791—1867)、麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879)、普朗克(Max Planck,1858—1947)和爱因斯坦这些天才的迷人故事,他们对光的理解都有卓越的突破创见。或是量子力学派的印度物理学家玻色(Satyendra Nath Bose,1894—1974)、丹麦物理学家玻尔(Niels Bohr,1885—1962)、法国物理学家德布罗意(Louis deBroglie,1892—1987),还有海森堡和薛定谔(ErwinSchrödinger,1887—1961)——他们使光的理解更加清晰,却也更加怪异。本书的目标只针对速度和运动的部分。
不过,还是可以花几分钟厘清究竟是什么在运动。
波粒争议?仿佛有某位大智大慧的所罗门王在统治自然界一般,三两下就宣布各家说法都对。 [11] 苏格兰物理学家暨数学家麦克斯韦证明,光就是自续磁力波加上与该磁力波成直角的电脉冲。两者一起出现,以相互培养的方式滋生彼此。这么一来,光理所当然被称之为电磁现象。与声音有所不同的是,光不是某种介质中的乱流,光是依凭自身而存在,光很乐于在空间的真空中穿行。
电磁一词中的“电”字颇有帮助,听起来像“电子”,1899年第一个被发现的次原子粒子。这并非巧合。后来知道光的诞生只有一种方式:如果一个原子受到能量冲击,因而激发其电子,想象它大叫一声后跳到离原子核更远的轨道上。这些电子不喜欢待在那儿,所以几分之一秒内就掉回到比较接近原子核的轨道。电子这么做,原子就失去些微能量。这些微的能量立即转换成些微的光,像魔术般在空无之中具体成形,接着以其名闻遐迩的速度冲了出去。
这是从古至今光唯一的诞生方式。诞生自看似一片虚无之中,每当电子向其原子中心移近之时。这很简单,真的。但你去问你的朋友光是如何创造出来,所有人都会赏你白眼。
所以,光是一种电与磁的波。至少,这是对行进当中的光最佳的具象化方式。但在光发出的那一刻,还有光撞及某物之时,其行为却像是颗小小子弹、无质量的粒子,也就是光子。如今我们可以称之为光子,或称之为波,同等正确。无论你把宇宙分切得多细,还是有很多的光——每一个次原子粒子有十亿个光子。
不管怎么样,量子派的家伙证明,电子这类固态物体也可表现出能量波的行为。当观测者用实验仪器去确定原子中的光子或电子的位置,光子和电子总是表现出粒子的行为,并且做出只有粒子能做到的事,像是通过两个小孔的其中一个,但不会一次通过两个孔。但当没有人在测量到底各个光子和电子位于何处时,它们就表现出波的行为,同时模糊难辨地通过两个孔,在另一边的传感器上产生干涉模式——这只有波能做到。
因此,观测者对于自己之所见扮演了关键的角色。现在大部分的物理学家都认为,只有人类意识才能让电子的“波函数”坍缩,以致如粒子般占据一特定地点。否则的话,波函数只是不确定的概率项,既无位置、也无运动。
但如果有一只猫在看的话,电子的波函数会坍缩而变成实存的粒子吗?如果周遭无人,光会一直都是波而绝不会是各自分立的光子吗?我们对这两个问题的最佳解答分别是“我哪知道啊?”和“没错”,但显然这整件事就像艾丽斯漫游奇境那么怪异。
而光速这件事也与直觉抵触。光子在真空中总是每秒前进299,792.458千米。光速恒定的名声当之无愧,但只有在穿行空无一物的空间时如此。在通过较为稠密的透光介质时,像是水或玻璃,光子似乎就慢了下来。似乎?哎,到底是有慢还是没有慢啊?
你来决定。
光通过玻璃时,只以其常速的三分之二在移动,也就是每秒“只有”193,122千米,而通过水则为每秒225,309千米。这种速度变化一点都不微妙,也不伤脑筋。这使得鱼缸里的鱼出现在引发错觉的位置,也导致半玻璃杯水中的汤匙看似弯折。玻璃的密度让瓶里装的苏打汽水看似比实际的还要多。
但再靠近一点看:光子正在撞击物质原子,被吸收,然后产生新的光子继续行进。你透过窗户看到影像,而组成这些影像的光子与一开始撞击玻璃外侧的,是不同的光子。由于吸收与再射出的过程要耗费一点点的时间,光通过窗户要比通过空气耗时更久。但在各玻璃原子之间,每个光子实际上仍然是以其名闻遐迩,并以超级快的恒定速度飞驰。
各种色光以各自的速度穿过清透的材质,这种差异使其路径有所分歧。阿尔哈金在一千年前就知道这一点。
各色光因其速度有别以致其路径弯折,称为折射。在阳光射中棱镜且其成分色光弯折成墙上绚丽开展的光谱时,我们看到此一现象。
牛顿发明一套容易操作的仪器加以解释,令所有心存怀疑的人都闭上嘴巴。在他之前,所有人都认为玻璃引入的只是扭曲影像,色彩都是被捏造的。牛顿击败他们的方法是让这些色光射中第二块的反转棱镜,把这些色光再次弯折、组合——白光出现。如果玻璃产生的色彩是扭曲的结果,那么牛顿的双棱镜应该会产生更大的扭曲。相反地,他证明当我们看到白光,那是我们的眼睛对所有色彩混合的反应。
白光就是彩虹被放进了搅拌机。 [12]但在真空中,所有色光都以相同的速度飞行。这是万物所能达到最快的运动速度,然而,没有任何具有重量的物体真能达到这个速度。光一奈秒,也就是十亿分之一秒行进1英尺的距离,所以当我们看到10英尺外的某物,我们看到的不是它此刻的影像,而是它十奈秒前的样子。我们总是看着过去。
我们观测到的太阳是它八分半钟前的样子。如果它此时此刻爆炸,我们可以稍晚一点再去面对这个令人丧气的消息。我们看到的恒星是它们几年前或几世纪前的样子,星系是它们几百万或几十亿年前的样子。 [13]我们把快但有限的光速应用在我们最喜欢的几项科技上。GPS卫星里有一块原子钟会送出时间讯号,你车上的GPS接收器了解这是错误的时间。之所以错误,是因为光速行进的讯号需要二十分之一秒,才能从你头上17,700千米处的卫星到达你的车上。你的GPS知道正确时间,马上计算出那颗卫星必须有多远,才能让讯号刚好延迟那么久的时间。GPS靠着三、四颗卫星来做这个计算,并由此三角定位出你的必然位置。这一切都是运用已知的光速。
但光的恒定性太过完美,这说不通。如果你一边朝着太阳飞,一边测量它射过来的光子,按理说,与光子互撞的这个动作应该会使它们更快击中你,这是你自身速度加上光子速度的结果。或是你以近光速从灯泡里冲出来,应该会认为所有光子都是勉勉强强追上你而已,而且你所测到的光子速度会比较慢。但并非如此。在每一种情况下,光都是每秒跑299,792.458千米去击中你。 [14]地球一边绕着太阳公转,8月时以每秒30.5千米的速度朝橘色恒星心宿二(Antares)咻地猛冲,每到2月则背对着它快速远离。但它的光子在不同季节是以不同速度来到我们这儿吗?根本不是,实际情况就好像我们静止不动一般。
所以,光速恒定比抵触直觉还糟。它怪,而且惊人。 [15]结果是距离收缩,而且时间以我们根本没注意到的方式改变其流逝速率,这一切使得我们所察觉到的光不管怎么样都以相同速度在跑。不知怎的,光比时空,以及我们一向认为不可改变的其他种种事物,都更加具有基本的真实性。
为了给致力寻找真正光速的故事做个了结——这项引发偏头痛的探索持续了好几百年——我们之前赞扬了罗默的木星卫星法,这种方法给出的数字只少了25%。但要是能在地球这儿加以测量,岂不是既神奇又令人满意,还能赢得同行的赞赏?牛顿和他同时代的人试过拿着明亮的灯站在山顶上,灯上装有快速屏蔽。他们的同伴位于几英里外的另一座山上,按照指示一看到对面的灯光,便立刻掀开自己那盏灯的屏蔽。对面那个人应该可以简单地加以计时,算出打开自己灯罩到看见同伴回射光线之间的时间间隔。但当他们实际去做的时候,这个时间差对人类反射反应来说永远只是一眨眼而已(后来知道即使是射到位于32千米外的镜子再反射回来,所产生的时间差其实也只有千分之五秒)。
1850年,迷雾终于散去,傅科改良了另一位法国人所发明的仪器〔这位法国人即物理学家斐佐(Armand Fizeau)〕,终于逮住光速。
这个想法是让光从快速旋转的多边形镜子跳到平面镜上再跳回来。光子在空气中短暂飞行期间,旋转镜的角度改变,光线反射的方向稍有差异,可以透过标有精细刻度、类似显微镜的装置判读出来。知道镜子的转速,因而知道其角度变化,也知道光线行进的总距离,以傅科的例子来说,是32千米,我们就能精确测定光的速度。75年后,波兰裔美籍物理学家迈克尔孙(Albert Michelson,1852—1931)改良了这个方法,当时所确知的光速之误差范围仅只每秒3.2千米。 [16]到了我在大学里做这项验证时,一间实验室就放得下整组仪器,误差范围每秒不到1.6千米,而今天的激光使得光线更细小也更加精准。
唯一仍令人困惑的还是那个老疑团:我们朝向或背向光源的速度怎么就不能改变所测到的光速呢?为什么一辆快速逼近的跑车头灯射出来的光子,与一辆停放好的车子所射出来的光子,会以相同的速度射中我们的测试装置?这好比我们从那个疾驰跑车里伸出手来,感觉到空气依然静如死水,这说不通嘛。
只要牵扯到光,我们就又回到《创世纪》里静止不动的地球。
只要牵扯到光速,其他事物的运动都不存在。
所有苦思此事者流,包括一代又一代的物理学家和科学爱好者,都会摇摇头,感到惊奇又难以置信。
[1] 叶格曾任美国空军试飞员,1947年10月14日驾驶实验机X-1成为突破声障的第一人。——译者注
[2] 一说到闪电,家都不一定是安全的。我有一次为了一篇发表于1984年、谈安全性的文章,仔细搜集了许多当事人的陈述。第一则是来自一位朋友,他们家祖孙三代在纽约州卡兹奇镇(Catskill)欢度感恩节。他们有几个人透过凸窗看到闪电击中草坪另一端的一棵大树。紧接着,一颗闪电“球”出现在树下。那颗“球”开始沿着草坪“滚”向窗户,正对着他们而来。闪电球滚到窗户下方,暂时消失在他们视线之外,但接下来令他们心生恐惧的是,板墙上的所有接缝开始发光。突然,那颗炫目刺眼的球出现在屋内,继续“滚”过客厅。我的朋友说,当那颗球直朝电视机而去时,他那位多年没有起身走路的伯母跳起来躲开,而那台电视机在一阵火花中炸掉了。经过漫长的好几秒钟,所有人都不出声。然后,他那以不爱废话著称的父亲终于开了口。他说:“我猜那东西把那台电视给收拾了。”我的第二则故事与一位住在纽约州索格提斯镇(Saugerties)村落里的妇女有关,这是1983年一件众所周知的意外。她说,事情发生的那天,天空晴朗蔚蓝,看不到任何暴风雨的迹象。当闪电爆击屋顶、把柏油碎块如雨点般洒在街坊里,她人就在屋内。她在客厅里被击中头部,电从她的大脚趾出去,留下一个黑色烙痕。虽然她的牙齿有很多颗碎掉了,而且她需要好几个月来进行复健治疗。她把自己大难不死归功于当时穿着橡胶拖鞋。我问她现在怕不怕闪电。
“不,当然不!”她向我保证,“那是有百万分之一概率的事件。我只做了人人都做的预防措施。不管有什么事,我都确保自己随时穿着拖鞋。”
[3] 其他感觉的传播速度都无关紧要,甚至引不起注意。很少人想知道嗅觉传送得有多快。(其实我们有想过——在第7章。还有传送触觉与痛觉的神经冲动速度,在第11章。)
[4] 当伽利略在1610年至1630年代以望远镜观测土星,他把这颗行星描述为——以文字和图画——两边各有一个握把,就像糖钵那样。一直到日后惠更斯的观测,在伽利略之后整整半个世纪,土星环的真实特性才开始为人所知。(惠更斯在1655年最先正确描述土星环。)为什么?或许是因为在地球这边,一颗球被毫无接触的环所围绕,这种例子一个也没有。看到毫无先例的东西,观测者就头痛了。同样的原因或许阻碍了所有人想到闪电先于雷鸣。在还没有鞭炮的时代,没有人听过有任何的光会发出声音。闪电应该是第一种会这么做的光。
[5] 指笛卡儿《方法论》一书的附录《屈光学》。——译者注
[6] 出自1638年《关于两种新科学的对话》。——译者注
[7] 谜题内容大致如下:如果森林中有一棵树倒下,而附近无人在听,那么这棵树有发出声音吗?——译者注
[8] 可能是指巴黎的卢森堡宫,此地在1789年法国大革命后的雅各布宾派恐怖统治期间曾充当监狱,但德利尔在此地设立天文台是1712年,时序不对,作者应是故作夸张之语。——译者注
[9] 声音在空气中只有一种运动方式——压缩气体,然后再解压缩。结果就是声音推着空气中的一股扰流往前进,而这股扰流会随时间而减弱,这也解释了为什么随着距离增加,声音会变得比较模糊、比较不清楚。声音所谓的纵波,也就是只沿着行进方向运动,也出现在声音穿过固体时。然而在后面这种情况下,还会有第二种波存在。这就是物质在上下方向的变形或弹性变形,通常称为剪力波或横波,其行进速度其实可以不同于纵波——让听者接收到两种不同的声音。剪力波在固体中的速度,由牛顿在其1687年的万能大作《自然哲学之数学原理》中精确计算出来。这个速度决定于固体的密度、硬度和压缩耐受性。
[10] 罗默任职于法王路易十四治下的巴黎天文台时算出光速。——译者注
[11] 闹得沸沸扬扬的波粒之争让我想起那个老笑话:和蔼可亲的法官从不想让任何人难过。双方在他的庭上争论案子,他说:“你说得对。”接着对被告提出强烈的反方辩论,法官对他说:“你说得对!”听到这话,原告愤怒地起身说道:“但庭上,我们论点相反,不可能全对!”法官只是微笑着说:“你说得对!”照同样的道理,波、粒双边的鼓吹者全都正确。
[12] 其实,要让我们看到白光,混合时只需要纳入等量原色光就行了——红、绿、蓝。
任两种或全部三种原色光不等量混合,会创造出其他各种可以想象得到的色彩。颜料的原色是青、品红和黄。艺术家混合这些原色,创造出其他颜色,但与光不同的是,光只需要加入更多不同波长的光就能改变色彩,而颜料则需要减去混合物所反射的一些光。画布不会自己发光,相反地,画是摆在白光下看的,上面的每一种涂料都吸收了室内光线中的一种或多种色光,使得反射到你眼中的是艺术家希望那个部位呈现的色调。如此一来,增加更多的颜料,就是减去更多周遭的光。事实上,颜料的每一种原色都是由光的两种原色等量混合所构成。也就是说,红光和绿光结合产生黄光,而黄是颜料的原色。同样地,红光和蓝光产生品红色,蓝光和绿光产生青色。
[13] 我们有没有可能对以光速前来的物事有任何预警?不可能。在《星际大战》类型的电影中,片中英雄的宇宙飞船熟练地闪避、迂回以躲开激光武器和光子鱼雷。现实中无法预料光制武器的脉冲或射线何时到来,无法“看到它们快来了”。然而,我们可以侦测到反射。就拿太阳突然变暗来说吧,尽管我们无法预先看到这件事发生,但我们可以看到各行星一个个瞬间暗掉,因为自其表面反射的光不再到来。水星会最先消失,然后是金星,在地球的向阳半球失去光明之后,土星还会继续闪耀超过一小时。因此,如果太阳之死发生在晚上,我们可以预先察觉,不用等到永远不会来的日出时刻。
[14] 如果这样还不够怪,把棒球的行为方式想象成光子那样好了。想象开着一辆小货车,以每小时145千米的速度直冲打击者而去,投手站在货车车台上,飙出他最佳的每小时160千米的速球。逻辑上,这球应该会以没人打得到的每小时305千米的速度抵达打击者那儿。但要是球仍以被投掷的速度(每小时160千米)抵达好球带,无视车辆的运动,即使车辆从投手板急速冲出?那还不怪吗?但这正是光子的所作所为。
[15] 来想点比较合逻辑的行为,以音波来说好了。当我们接近音源时,就像一辆鸣笛救护车向我们冲来一样,它的警报器音波撞到我们的速度变快。这使得音波挤成一团,音调听起来升高了。这就是著名的多普勒频移(Doppler shift)。但当我们接近光源时,光波的确挤成一团,改变所观察到的色彩(因为和红光的光波比起来,蓝光的光波彼此间靠得比较近),但每一个光子的速度从不变慢。这很怪,而且与直觉抵触。
[16] 作者指的是1926年的测定,其实迈克尔孙早在1879年就因光速测定实验而闻名。——译者注
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