似水流年：《光速——从地心说的覆灭到相对论的诞生》写作杂记

关于科学观念

1970年代，当我很小的时候，祖父常牵着我，到工厂后门的传达室去取报纸和杂志。门卫总是热情地打招呼：“徐爷爷，来坐坐。”然后和祖父愉快地聊天。我则开始翻阅那些报纸和杂志，虽然上面的字我还基本不认识。

在这些杂志中，我记得有一本《科学实验》，祖父一直都订阅这本杂志。一直到我17岁离开家去读大学，这种订阅都未曾中断。

我记得那本杂志曾经改名叫《科学》，不确定是不是现在我将为之写稿的这本杂志。后经编辑查证，《科学》1970年代是停刊的，但从未改名，所以它们一定不是同一本刊了。往事如烟，难免让人生出些错乱的联想。

况且，杂志的停办、合并、改名或者复刊，皆是稀松平常的事。像大名鼎鼎的美国的《科学》（Science），在爱迪生手中创办，也曾经经历过停刊的命运。这些变故，有的可能有记录，有的可能连记录都已散失。

这错乱中，我能找到一个共同点，那便是“科学”。这不禁让我回想起童年的科学经历来。

六七岁时，我经历的科学辩论，是关于太阳和月亮谁离我们近的问题。太阳的视张角约为0.535°，而月亮的视张角约为0.522°，而且太阳又热又烫，对孩子而言，感觉当然是太阳近些。

我的祖父给我和小伙伴们耐心解释了远近、大小和冷热的概念。虽然我的祖父是个大知识分子，但是他当时戴着一副下面挖了边的金丝眼镜，怎么看怎么像《渡江侦察记》里的敌情报科长。而我父母所在的工厂里，真有人参加过当年的渡江战役，所以祖父的敌参谋长形象就愈发真实起来。这个反面形象似乎使得这种解释对小孩来说并没有什么说服力。

科学的观念——现在我们认为正统的观念，并不是那么直接而易于理解的。我们每个人都会自发地认为自己的观察是客观而理性的，很难意识到我们受到了当时各种社会状况的影响。其实我们所谓的客观、理性，只是我们受环境影响而得到的一个综合结果而已。

在我写作的故事中，最能体现社会状况对思想影响的，莫过于哥白尼的历史了。

哥白尼（N. Copernicus）在《天球运行论》开始部分，花了不少的篇幅，来解释地球为什么是圆的。因为当时的西欧社会，最流行的观念，便是地平说。哥白尼是如何解释的呢？他给了一个明显的观察证明，是我们观察从天际而来的行船，总是看到船的桅杆先露出来。

这个观察并不算复杂，我们的先民也应该观察到过。而且，人类最早的跨洋远航，是波利尼西亚人。约公元前1000年，他们从现今的中国台湾出发，经过太平洋上的一个个小岛，而至美洲。对他们而言，建立地球为圆的概念，并不是困难的事。这些先民很早就与我们华夏民族有交流，因此，我们的祖先没有建立地球为圆的概念，是件非常奇怪的事。

就这件奇怪的事，我曾经和《大学物理》的李轻舟编辑有过交流。探讨后，我们大致认为，我们是一个农耕民族，我们活动的范围，主要限制在土地易于耕种的地方。我们历朝历代的知识分子主要服务于农耕民族的生产与统治。而远在天边的事，怎么解释是无所谓的。而关于世界的解释权，主要还是掌握在知识分子手里的；至于外来的知识或者底层劳动者的经验，只要不影响生产与统治，也许是件可有可无的事。

从建构理论的角度看，浅显的观察与理论的矛盾，是非常容易调和的。地球除了是圆的，也可以是其他形状，并不是说非得是平的。比如我们古人关于世界的看法，是西北高而东南低，所以海水东流。只要这个流动，有一个缓变的外凸形状，先看见船的桅杆，也是件可以解释的事。

所以，社会流行观念，对我们的科学研究及实验解释，有着非常大的影响。

写作过程二三事

在我开始写作这本书的时候，其目的非常单纯，仅仅是想从科学史的角度解释相对论为什么会诞生。但是，在写作过程中，随着阅读文献的深入，我才逐步体会到，仅仅是理解思想的进步和演变，都是一件非常困难的事。

地心说和日心说的辩论，持续了1000多年，中间除了哲学思想的辩论，还有技术进步，实践需要和宗教斗争。因此，当我开始梳理相对论诞生前的物理思想演变时，发现不得不去了解神学和科学的关系。由于知识所限，曾多次向清华大学蒋劲松教授请教。

“1326年的一日，天色阴沉，三名男子站在阿维尼翁的多姆圣母院大教堂的礼拜人群中……他们分别是英国人、意大利人和德国人，全都说一口流利的拉丁语……他们并不前瞻未来，回顾过去，而是仰视天堂，俯视地狱……”这里的英国人，正是我们所知的“如无必要，勿增实体”这句名言的言说者——威廉·奥卡姆（W. Ockham）。

读到上面这段话，我相信，读者们大约跟我一样，一头雾水。这些话摘自张卜天所译的一本由迈克尔·艾伦·吉莱斯皮所写的名著《现代性的神学起源》。而这本书正是蒋劲松教授推荐给我的。

读这本书，当然可以对科学与宗教的关系略知一二。但是，一大堆的宗教和哲学名词，也让人如坠五云之中，分辨不了南北西东。

以我浅薄的理解，天主教从13—15世纪遭遇到了巨大的危机，十字军东征的失败，黑死病肆虐，教廷从罗马迁往阿维尼翁，使得宗教的威信大打折扣。正是在宗教危机中，宗教思想家们开始怀疑教廷对宗教的解释权，怀疑教廷所塑造的上帝。他们必须塑造新的形象。在奥卡姆那里，上帝变得无善无恶，并且也不一定会对虔诚者进行救赎。按照奥卡姆的说法，上帝是全能的，当然不会受一定之规的限制；再说，上帝不欠人的，为什么要救赎？简言之，救赎是上帝的恩典，不救也再正常不过。

而奥卡姆的思想，正是现代的人文和科学之发轫。经过一系列演变，现代科学两个重要的思想得以奠定。

一个是实践性。天意难测，人只能老老实实通过实验，并对实验总结，去认识自然。这也许是现代科学的最大特征，和我们这个古老民族讲究的“心诚则灵”完全背道而驰。

另一个是假设。既然天意难测，人归根到底没有能力去测，所以就不要去问究竟，而是应该采用一些假设，来解释实验，预测实验。如果假设与实验有矛盾，那就放弃或者修改这些假设，另起炉灶。这也暗示，科学至少是不喜欢万物理论的。没有万事万物尽入囊中的科学理论。

因此，在本书的写作过程中，我尽量凸显物理学演进过程中实验和假设的互动关系。这里面既包括以太观念的运用、修正和放弃，也包括对时空的理解的变化。

相对论的诞生，不仅和光学的发展密不可分，与电磁学的发展也是紧密相连的。毕竟，爱因斯坦关于狭义相对论的第一篇论文就是《论动体的电动力学》。但是，爱因斯坦的理论基础主要是在电磁波的理论上，所以叙述整个电磁学的发展显然必要性不大。

不过，在写作过程中，正好碰到了一件事，就是有人号称改写了麦克斯韦方程组。在这个浮躁的世界，为了吸引眼球，做些夸张宣传，再正常不过了。但令我吃惊的是，麦克斯韦（J. C. Maxwell）突然被众多评论者封了“大神”，仿佛麦克斯韦灵光一闪，就有了神通，创造了方程。

从构造理论的技术层面讲，麦克斯韦方程组只是对安培（A. Ampère）、高斯（C. F. Gauss）、法拉第（M. Faraday）等电磁方程的总结，而其依靠的思想模型来自开尔文男爵（B. Kelvin），其依靠的实验事实则来自韦伯（W. E. Weber）和科尔劳施（R. Kohlrausch）的实验。

科学是一代又一代学者共同努力的结果，并不是哪个天纵英才下凡来创造的。

正因如此，我专门扩写了电磁理论相关章节。

在书中每一个大的部分，我都有意识地加入我国古代的相关历史故事或者典故，以体现我们的先祖对天地的思考，对科学的探索。

但是，写到相对论诞生一部分，则颇费周章。

这一部分，是以1840年，开尔文男爵少年时随父亲到德国度假开篇的。而1840年，正是鸦片战争的开始之年。

为了吸取灵感，我前往虎门炮台。

看着那些锈迹斑斑的大炮，幽暗昏惑的炮洞，屈辱之情油然而生。面对江风，忽然想起我祖母的伯爷方祖荫，在1895年台湾陷落之时，于台北城中率兵抵抗，而后活不见人，死不见尸，不禁长泪涟涟，长泪涟涟……

故在此部分，没有加入任何我国古代或者近代故事。

我的朋友和同事文德华教授曾问我为什么要写这本书。

写这本书当然有很多具体的理由，包括我曾在科学网上写有关连载，包括回答朋友们有意无意间问起的相对论的问题，如此等等。

但是，一个深藏心底的缘由，则是15岁的我之所见。

那个夏天的一日，父亲领着我，沿着小溪，走过田野，来到华岩水库游泳。

在到达水库时，父亲道：“麦克斯韦说，光是一种电磁波。”

那一刻，光影交错，波光粼粼，令人沉醉。

从那一刻起，我就一直有一个心愿：要书写光之美。

结 语

在书的前两个部分，介绍了来自天文学的光速测量，即对木卫蚀和天棓四的观察。而这样的观察，是在波澜壮阔的大航海时代背景下展开的，穿插了宗教与科学围绕日心说和地心说的激烈斗争。第三部分是关于光的波动学说和粒子说的激烈交锋；波动学说为光速的精密测量准备了条件，而对光行差的波动光学解释，则体现了科学家巧妙的理论构建。第四部分为电磁波而写，以期读者理解“光是一种电磁波”的确切来历。第五部分则是狭义相对论的诞生，讲述了科学家们在实验的基础上，抛弃以太，革新时空观的繁复的思想变化。

我更愿意未来的人，不要把这本书仅仅当作一本科普书，而是当作一首关于科学的长诗。这首长诗，回应了这个时代思想深处的某种疑问和躁动，也保留了这个时代的“当时风味”。 ■