2017年10月27日

看見宇宙 一 光的故事

余海峯 / 天體物理學家、科學專欄作家。瑞典皇家理工學院博士後研究員,研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制。

光是什麼?自古希臘時期以來,光的本質困擾了科學家2000多年。直到今天,物理學家雖已能用精確的數字去描述每種電磁波動,就其本質而言,或許我們知道的並不比先哲們多得多少,就讓我們來看看光的故事。

古希臘:發射或接收?
距今2400 多年的古希臘, 有位哲學家叫恩培多克利(Empedocles,西元前490 ~ 前430),他認為光是種射線。可是與我們的常識相反,他並非認為物體發光(或反射光線)進入我們的眼睛,所以我們就看得見 。他認為光是從我們的眼睛發射出去的一種射線,接觸到物體後讓我們看得見。

這個在現代常識裡看起來異想天開的理論,在古希臘時代可能沒有那麼奇怪。當時的哲學家們並不是靠嚴謹的邏輯和實驗證據建立科學理論,而是圍坐在一起討論,如果大家意見一致,就會成為「真理」!而這個眼睛發射光線的理論,就成為了柏拉圖(Plato,約西元前428 ~ 前347)學派的真理。

柏拉圖就是著名的古希臘科學家亞里士多德(Aristotle,西元前384~ 前322)的老師。16 世紀,義大利畫家拉斐爾(Raffaello Sanzio,1483~1520)畫了一幅著名的壁畫《雅典學院》(Scuola di Atene),上面畫了很多古希臘科學和哲學家。柏拉圖和亞里士多德就在畫作正中間,柏拉圖手指向天,亞里士多德掌心向地。有指拉斐爾可能想表達兩師徒對哲學和科學的不同看法:柏拉圖認為知識是可以從腦海中純粹以邏輯推理取得,而亞里士多德則認為必須觀察世間萬物才能獲得真正的知識。

拉斐爾的壁畫《雅典學院》。(Wikipedia)

柏拉圖相信光是從眼睛發射出去的,可是他的學生亞里士多德則認為相反,是眼睛接收到物件發出的光線才讓我們看得見。亞里士多德主張知識必須從觀察獲得,而非紙上談兵。可能因為伽利略(Galileo Galilei,1564~1642)推翻了他的「重物比輕物下墜更快」理論,很多人都以為亞里士多德是柏拉圖派的。恰恰相反,他其實是個實驗科學家,很多理論都是透過觀察自然而得的。當然,就像重力這個問題,他觀察得不太入微就是了。

光線當然不是從眼睛發射出去的。不過,這個理論卻一直被古希臘以柏拉圖為首的先哲們所接受,甚至連大名鼎鼎的數學家歐幾里得(Euclid,約西元前330 ~ 前275)也曾相信。歐幾里得寫了一本幾何學巨著《幾何原本》(Elements),由5條公理推導出當時已知的所有幾何學定理。《幾何原本》流傳2000 多年,連愛因斯坦(Albert Einstein,1879~1955)亦曾說過,《幾何原本》啟發了他進入科學的世界。

歐幾里得是歷史記載首個假設光的路線是直線的人,更以數學描述光的反射定律(law of re ection)。其實,他並未完全接受恩培多克利的眼睛發射理論,歐幾里得提出了一個疑問:如果光真的從眼睛出發,那麼為何當我們打開眼睛的瞬間,就能夠看見遙遠的星星?除非光速是無限快,否則眼睛發射理論就不能成立。

到了盧克萊修(Titus Lucretius Carus,約西元前99 ~ 前55 )的時代,人們仍然堅信光是從眼睛發射出去的。不過,盧克萊修卻持相反觀點,他認為光和熱均來自太陽的粒子,他同時認為光的速度非常快,且能穿越空氣。

以現代人的角度去想,其實頗難想像當時的人為何會相信發射理論。由一個非常簡單的事實就能將其推翻:如果光是由眼睛發射出來的,為何會有黑暗存在?......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

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