作者：吴京平
出版社：北京时代华文书局
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柔软的宇宙：相对论外传试读：
引子
1789年，法国大革命爆发。1793年新年伊始，法王路易十六就被推上断头台，皇后也一并送了命。1791年～1794年雅各宾派专政期间，仅仅在巴黎的断头台上，就砍掉了七万颗脑袋。人们渴望一位英雄来领导法国，结束这种乱糟糟的局面，到底谁才能摆平这一切呢？别着急，历史早已给法国安排好了人选。此人已经乘上从埃及的亚历山大港出发的战舰，直挂云帆，急匆匆赶回法国。
1799年雾月，这位年轻的军官经过三十七天的远航回到法国，他在民众众星捧月般的欢迎中来到首都巴黎。没过多久，他就在民众的狂热支持下发动政变，迅速取得政权，开始了他为期十五年的统治。这位年轻的军官，就是大名鼎鼎的拿破仑。拿破仑是个虔诚的基督徒，他一上台，就废除了共和国历，恢复了格里高利历，法兰西以后的时光再也没有以风花雪月命名月份了。
拿破仑刚刚执政，日理万机。国家也逐渐从混乱的状态中恢复，有大量工作要他去处理。他还自告奋勇兼任了法国科学院的院长，可见他对自然科学的喜爱。可惜他自己没那么多精力去管具体的事，数学物理委托给了老师拉普拉斯，博物地质靠居维叶，两位“大牛”合作执掌科学院。
拿破仑恐怕没注意到，一本厚厚的大书已经呈放在了他的案头，这本书就是刚刚诞生不久的巨著《天体力学》。摆到他案头的只是第一卷和第二卷而已：第一卷两册，第二卷三册。后面这部巨著还将陆续写上五卷一共十六册，作者正是拿破仑的老师拉普拉斯。拿破仑当年报考军事学院，数学考卷正是拉普拉斯出的。在军校里他学的是炮兵，少不了要干些弹道计算之类的活儿。对于数学，拿破仑也并不是外行，他偶有闲暇，发现了老师送来的这本厚厚的书，打开翻看，一整本书，全都是大段的微积分运算，即使是受过数学基础训练的拿破仑，也免不了一脸茫然。其实拉普拉斯还不算是最过分的，拉格朗日《分析力学》写了四百多页，从头到尾连一张插图也没有。相比之下，牛顿牛爵爷写起书来就人性化多了，他那部划时代的巨著《自然哲学之数学原理》里面大量采用了几何的办法，相对来讲要直观得多了。
牛顿牛爵爷，虽然是微积分的发明者之一，但是那是微积分的草创时期，牛顿还是更加习惯于用几何学方法来计算物理问题，但是几十年过去了，到了拉格朗日、拉普拉斯他们这一代人手里，微积分已经变成了天下之利器，物理学的数学根基。拿破仑一时间来了兴致，就把老师拉普拉斯给请进了执政官邸杜伊勒里宫。
拿破仑跟拉普拉斯聊天，说这本天体力学，他已经看过了。这部书里面非常详细地描述了天体运行的规律以及计算方法。内容也很丰富，有理论力学原理、天体力学的基本问题、吸引理论和均匀流体自转时的平衡形状、海潮和大气潮理论、岁差和章动、月球天平动以及土星环运动。但是，拿破仑觉得拉普拉斯有一个问题没有描述：到底是谁使宇宙如此运行呢？拉普拉斯说：“我知道你指的是谁，你指的是上帝吧？”拿破仑说：“你这部书里面，没有体现出上帝的作用啊！”拉普拉斯说了一句离经叛道的话：“我不需要上帝这个假设。”其实，拿破仑也就此询问过同时代的大科学家拉格朗日，拉格朗日的回答要圆滑得多，他说：“上帝这个假设真的很不错哟，可以解释许多问题……”
拉普拉斯几年前写了一本篇幅比较小的书，叫《宇宙体系论》，里面提出了太阳系起源的“星云假说”。在这个假说中，拉普拉斯用数学和牛顿力学的方法描述了星云最后是如何形成太阳系以及行星系统的。整个过程并不需要所谓的“第一推动”，因此也就没有上帝什么事了。在拉普拉斯看来，不能观测到的东西，最多只能当成“假设”来对待，对于数学上计算出来的某种可能性，讨论讨论倒是非常有必要，牛顿的运动定律毕竟不会阻止稀奇古怪的玩意存在。在这本书里，拉普拉斯就描述了一个非常奇怪的天体，也引起了拿破仑的兴趣。
拿破仑问拉普拉斯：“真的存在那种神奇的天体，我们完全看不见吗？”拉普拉斯回答：“这是有可能的，我称它为‘暗星’。一个密度很大的恒星，由于其引力的作用，将不允许任何光线离开它，宇宙中最大的发光天体却不会被我们看见。您对大炮非常熟悉，您知道炮弹速度不够快的话，最终还是会掉回地面。一颗很大的恒星，表面的引力也会变得非常大。光速再快也终究是有限的，当某颗恒星的引力强大到逃逸速度超过了光的速度，那么连光也逃不出来。牛顿在《光学》一书中描述到：光是一串的微粒组成的，就像一颗颗微型炮弹，速度不够快的话，那是逃不出万有引力的牢笼的。”
拿破仑来了兴致，他又问：“光速究竟是多少呢？笛卡尔认为光是不需要传播时间的，可是伽利略却认为是需要的，但是伽利略也没能测出光的速度。”拉普拉斯回答：“根据布雷德利的光行差观测，大约是30万千米。”拿破仑又问：“那么我们能够观测到暗星吗？”拉普拉斯当然一时间也给不出一个令人满意的答案，谁知道呢？这不过是一个数学上的假说而已。科学家不是先知，科学家只是有一份证据说一份话。拿假说当真理，还不许别人质疑，那号人是神棍。
接下来的几年，拿破仑忙于对外作战，大军所向披靡，手下人也连铲带划拉地把各种珍贵的艺术品和科学标本带回了法国，收藏到了杜伊勒里宫北面二百五十米开外的卢浮宫，就连古生物化石，他也不惜派兵抢回来。后来拿破仑又忙着加冕称帝，自然是无暇顾及天体力学这方面的兴趣爱好，但拉普拉斯照旧会把新出版的《天体力学》呈献给法兰西帝国的皇帝陛下，包括前几卷的修订版，也包括最新写完的新章节。拿破仑要是有兴趣翻阅的话，他会发现，在新版本里面，拉普拉斯有关暗星的描述不见了！消失了！被删得干干净净……
究竟发生了什么，让拉普拉斯悄无声息地删掉了对“暗星”的描述呢？一位眼科大夫的奇妙实验弄得半个欧洲物理学界三观尽毁……/第1章/见证奇迹的时刻
1801年，一间封闭的乌漆墨黑的屋子里，一个人趴在屏幕前仔细地观察着微弱的光斑。当他终于看清了屏幕上那些奇怪的条纹以后，终于长出了一口气：“牛顿牛老爵爷，你错了！”
牛顿在英国已经是大名鼎鼎的科学家，无数年轻的后辈都是看着他的那本《自然哲学之数学原理》踏上科学征程的，这个年轻人也不例外，他的名字叫托马斯·杨。1773年6月13日，托马斯·杨出生于英国萨默塞特郡米尔弗顿一个富裕的贵格会教徒家庭，家里共有十个兄弟姐妹，他是最大的孩子。托马斯·杨从小受到良好教育，自幼天资聪颖，是个不折不扣的神童。两岁的时候，已经开始阅读书籍。四岁能背诵大量古诗词，无论是英文的还是拉丁文的。九岁开始自己动手搞小制作，后来学会了搞望远镜、显微镜，动手能力开始显现出来。十四岁就已经熟练地使用多种外语，希腊语、意大利语、法语那是不在话下，读书做笔记，随便用。西方国家的语言不够他学的，又开始学习东方语言，希伯来语、波斯语、阿拉伯语人家也全拿下来了。那时候欧洲人眼里的东方，也就到中东附近，再远就是印度了。
十九岁的时候，托马斯·杨来到伦敦学习医学。他先是对眼科特别感兴趣，后来又喜欢上了光学。牛顿的书，他烂熟于胸，牛顿的《光学》，那是非常熟悉的。托马斯-杨对当时科学界流行的两种光学学说都很了解，首先是微粒说，牛顿是微粒说的支持者，他们认为光是发射出来的粒子流，一个个小炮弹被光源打出来。微粒说很容易解释一些现象，比如光沿直线传播，比如反射，但是另外一派就不是这么认为的，他们明确地认为光应该是一种波。他们发现，两束光交叉后，彼此之间毫无影响，按照牛顿支持的微粒说，这是不可能的。两挺机枪对着打，总会有些子弹在空中相撞，然后掉下来，可是这种现象在光这里没人看到过。两束光对着照射，过不久，地下积累起一小堆光子，这不是天方夜谭吗？波动学说这一派的代表人物是惠更斯，惠更斯发现，两个水波纹会彼此穿过，穿过以后互相不影响，那么假如光是一种波，这事儿就好解释啊！但是波动说也有麻烦：光的波长是多少呢？没人知道光的波长是多少，波长公式是λ＝vt，λ是波长，v是波速，t是周期。可是这几个值你一个都不知道，根本没法测量。在此后的200年里，光学停滞不前，后辈们也一直也没能超越牛顿的《光学》。牛顿在力学方面的巨大成功使得人们都愿意相信，牛顿的光学也是正确的，一直到拿破仑时代也还是这么认为，毕竟微粒说算是比较主流的一种说法。
托马斯·杨到了医学院就读，现在可以称他为“杨大夫”了。他叔叔也是一位医生，可以说正是因为这位叔叔的影响，杨大夫才最终确定学习医学。不久后他的叔叔去世，给杨大夫留下了丰厚的遗产，不但有房子，还有大量的藏书，还有不少艺术品，还有一万英镑的现款，从此，杨大夫过上了衣食无忧的幸福生活。1794年，杨大夫二十一岁，由于研究了眼睛的调节机理，他成为皇家学会会员。1795年，他到德国哥廷根大学学习医学，一年后拿到了博士学位。后来他回了英国继续学习，在剑桥，同学们都叫他“奇人杨”，因为他哪国语言都懂，马骑得非常好，而且还会杂技走钢丝，算是科学家里走钢丝最棒的一位。各种乐器，他抬手就来，演奏水平相当高，这也为他后来研究波动学说打下基础。乐器嘛，本来就是各种振动各种波嘛！
尽管杨大夫是个医生，但他还是非常喜欢物理学，自己闲暇时间也非常多，毕竟衣食无忧，不用朝九晚五地出门上下班。他一直在思考如何去验证光到底是波还是粒子，到了1801年，他总算想出个办法来：先要有个光源，这好办，然后要弄个板子扎个小眼儿，再找来另一个板子离得非常近的距离扎两个小眼儿。这样的话，一束光就被劈成了两束，这两束光来自同一个光源。因为来自同一光源，所以按照光的波动理论，这两束光应该会发生干涉现象，他期待能看到光产生的干涉条纹。最终，他如愿以偿地看到了条纹，终于可以对着苍天高喊一声“牛爵爷，你错了！”光不是微粒，而是一种波，跟我们说话产生的声音是一样的波。图1-1 双缝干涉示意
后来，杨大夫又以狭缝代替小孔，进行了双缝实验（图1-1），得到了更明亮的干涉条纹，双缝干涉可比小孔要亮多了，比较容易观测。杨大夫把自己的试验成果写成论文发表，但是根本没人甩他的理论，最后他自己写了一本书来阐述自己的波动理论，还是无人问津，据说只卖出了一本。在这本书里他写道：“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的，我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”但是，杨大夫凭借一己之力还是很难撼动祖师爷的权威，至于他那本书到底是谁买去了，现在也搞不太清楚。但是杨大夫的这个发现，对于拉普拉斯来说，不是没有影响的。拉普拉斯恐怕是了解到了杨大夫的试验，按照杨大夫的波动理论，光并非微粒，而是一种波，那么自己关于暗星的设想就完全是不靠谱儿的。虽然拉普拉斯并不见得认同这种波动说，但是为保险起见，没把握的东西，还是不要往《天体力学》这部书上写了。因此，拉普拉斯悄无声息地删掉了有关暗星的内容，光线与引力的第一次碰撞就这样黯然落幕。当然日后它们的命运会紧紧地纠缠在一起，远溯到混沌初开之时，这是后话暂且不表。但是光学专家与天文学家刚巧就是同一拨人，他们的纠葛才刚刚开了个头，好戏还在后面呢。
拉普拉斯的《天体力学》仍然在一版一版地出，后续的几卷不断面世，期间拿破仑邀请他入阁担任内政大臣，八个月就被踢出来了。拉普拉斯还是适合当一个科学家，政治这玩意儿他玩儿不转。拿破仑总是讥笑他把“无穷小”带进了内阁，不过还是封拉普拉斯为伯爵。后来拿破仑走背运，打了败仗被迫退位，拉普拉斯倒还是稳稳当当地继续当他的伯爵，到了路易十八复辟回来当国王，反而封了拉普拉斯侯爵。那年头随风倒的人多了去了，拿破仑手下一大帮子人都是跳槽的高手，拉普拉斯最大的护身符，就是他的科学成就。不管是拿破仑也好，路易十八也罢，都知道科学家的珍贵。大革命以后产生的督政府可就转不过这个脑子了，他们把非常优秀的化学家拉瓦锡砍了头。拉格朗日四处奔走，想免拉瓦锡一死，可惜没能成功。拉格朗日一跺脚仰天长叹，他们一下子就砍掉了拉瓦锡的头，可是这样的头不知道多少年才会长出一个。
就在拉普拉斯和拉格朗日的这个时代，天体力学逐渐成熟。特别是提出了摄动理论之后，天文学家们发现，其实天体的轨道并不是像开普勒说的那样是个简单的椭圆。因为行星们离太阳非常遥远，而且行星之间的距离也不近，把太阳和行星彼此看作是一个质点来计算并无大碍，中学的物理课上经常就是这么算的。但是！行星之间其实是互相有引力关系的，随着一年又一年的观测，微小的误差越积累越大，同时观测精度越来越高，到了拉普拉斯他们那个时代，已经不能不考虑这些行星之间的相互影响了，特别是行星里面的老大——木星的影响。拉普拉斯的一个贡献就是告诉大家，这种复杂的情况是可以计算的，虽然显得非常麻烦。行星在空间中走的是一条近似于椭圆的非常复杂的曲线，怎么算？那要用到行星的摄动理论。当时天文学家们最发愁的就是天王星的出轨问题。
自打赫歇尔发现了天王星以后，在天文学界引起了轰动。过去人们总认为行星不过就是金木水火土这五颗，后来随着哥白尼日心说深入人心，大家发现地球并不特殊，地球也是一颗行星，加起来不过六个。赫歇尔发现了第七颗行星，当然是刷新了大家的认知啊！人们从此知道，太阳系远不像过去认为的那样简单，于是赶紧去翻找故纸堆，看看前辈天文学家的观测记录里面有没有天王星的痕迹，一翻不要紧，就发现过去的人早就记录了天王星的位置，毕竟天王星最亮的时候有六等，在没有光污染的郊外，肉眼勉强可见。人家天王星很给面子，还是比较亮的。好多古代的观测记录都有这颗天体，然而，由于各种缘故，无人发现天王星是一颗行星，居然会移动位置，结果纷纷与这颗行星失之交臂。大家翻找出不少的古代记录，跟现在的观测数据合并到一起来计算天王星的轨道，但是却悲惨地发现，天王星都不按照天文学家们计算的轨迹去运行，人家溜溜达达地就出轨了。那好吧，是不是没考虑到木星的影响呢？这可是摄动理论大显身手的好机会啊！使用了摄动理论进行计算，果然算出来的轨道服帖了很多，基本跟天文观测对上茬了，大家可松了一口气啊！
好日子总是不长久，天王星消停了几年之后，又开始出轨了。后来天文学家一谈论到天王星的轨道问题，普遍脑仁疼。而且大家发现，带上古代天文学家的观测记录吧，算出来的就不准，不带上吧，好歹能消停一阵子。难道是古代天文学家测错了？不会吧！翻翻他们别的观测记录，好像精度都很高的样子，那么多颗星，都测对了，唯独天王星测错了，这也太巧了！而且那么多人的记录，难道大家齐刷刷地都把天王星这一颗星测错了？这种可能性极小极小。
那是怎么回事儿呢？大家百思不得其解，既然解决不了，欧洲天文学界便不得不做起了鸵鸟，脑袋扎到沙堆里，就当没看见。天王星轨道的事儿就先往后放吧，天王星轨道异常，反正也不耽误地球的运行，也不耽误人类社会的运转。可是有些事儿是耽误不起的，比如各大天文台的重要工作之一便是编制修订航海年历，格林尼治天文台和巴黎天文台都有这方面的任务。往前追溯，格林尼治天文台和巴黎天文台建立的动因之一，就是经度测量问题。英国好几位最优秀的天文学家都担任过格林尼治天文台台长，比如弗拉姆斯蒂德、哈雷、布拉德利等，法国的卡西尼家族甚至祖孙三代都担任巴黎天文台台长一职。到了十九世纪，担任过巴黎天文台台长的人中有一位著名人物叫阿拉戈，他是一位物理学家，也是一位天文学家、数学家。他坚决支持杨大夫的波动学说，他的好朋友菲涅尔也提出了类似的理论。菲涅尔跟杨大夫并不认识，他过去是一位土木工程师，也是半路出家搞光学的，阿拉戈牵线介绍他们认识了。菲涅尔跟杨大夫关系很好，两个人互相谦让了一番，都说对方才是首创。从此杨大夫、菲涅尔、阿拉戈三个人胜利会师，三个人并肩作战，搅得光学界风起云涌。
光既然是波，那么光既能够表现出干涉现象，也会表现出衍射现象，菲涅尔就是首先对光的衍射现象做出精确描述的人。杨大夫也在搞衍射方面的研究，但菲尼尔开始并不知道杨大夫的工作，后来杨大夫在1817年给阿拉戈写信，说自己有点儿开窍了，过去波动光学遇到的一系列问题是因为他以为光波是纵波。纵波就跟声音一样，是疏密波（图1-2）。
假如光波不是纵波，而是像水波纹那样的横波，那么很多问题就迎刃而解了，比如光的偏振问题。图1-2 疏密波
阿拉戈告诉了菲涅尔，杨大夫认为光波是横波。其实菲涅尔不用阿拉戈传递消息，他早就自己悟到了这一点，他已经根据光是横波的这一思想推算出了偏振光的干涉原理，反射折射都不在话下，还有非常奇怪的双折射现象也能得到解释（图1-3）。图1-3 透过双折射晶体看到的图像会出现重影，一束光分解成了两束。
菲涅尔把这一系列成就写成论文准备发表，请阿拉戈跟他一起署名，阿拉戈临阵犹豫了，虽然他支持波动光学，但是他还是感到没把握，毕竟反对波动光学的拉普拉斯和泊松这些人都是成了名的大腕儿，他这一犹豫就没签字。菲涅尔一个人署名，所以“物理光学之父”的名号就落到了菲涅尔的头上。阿拉戈虽然倾注了很多心血，而且对波动理论做了不少贡献，无奈临门一脚退缩了，荣誉也就离他而去。当然他临阵犹豫也不是仅有这一次，后来的一件大事儿恐怕他悔得肠子都青了。
1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目：
1．利用精确的实验测定光的衍射效应。
2．利用数学归纳法，计算出光通过物体周围时的运动情况。
菲涅尔计算了一大堆障碍物的衍射花纹，方的、圆的、扁的……写好了报告提交给了评奖委员会。评奖委员会里面有阿拉戈，他自然是支持菲涅尔，但是他的反对者也不少，拉普拉斯、泊松、比奥都是支持牛顿的微粒说的。还有保持中立的盖吕萨克，人家两边不掺和。
毫无疑问，菲涅尔遭到了微粒说支持者的一致反对，人家本来就不认同波动说。泊松数学非常好，他拿过菲涅尔的计算结果仔细看了看，提出了一个当时看起来匪夷所思的结论：按照菲涅尔的计算，假如用单色光来照射一个圆盘，圆盘的背后应该存在一个阴影，仔细调节距离，在阴影中间会出现一个亮斑。泊松认为，这根本就是胡扯，哪有这样的事？他认为他已经驳倒了波动学说。菲涅尔和阿拉戈毫不犹豫地接受了挑战，实验是检验理论最好的手段，果然，菲涅尔上演了让科学界大跌眼镜的一幕。图1-4 泊松亮斑
一束单色光照在圆盘上，圆盘后面的屏幕上形成了一个阴影，仔细调节屏幕的距离，果然发现在圆盘的中间有一个亮斑。泊松的预言被证实了，信奉微粒说的科学家被"啪啪"地打脸。这个亮斑后来被称为泊松亮斑（图1-4），可以算是一次见证奇迹的时刻，这下子信奉微粒说的全哑了，波动光学得到了大家的认可，菲涅尔也被尊称为物理光学之父。
这个问题解决了，可是还有一个大问题在困扰着物理学家们。很早大家就知道，望远镜的口径越大，那么望远镜的分辨率越高。同样的放大倍数，同样的焦距，口径大的望远镜，比口径小的望远镜要看得更加清楚。背后到底是什么原因呢？1835年，英国的皇家天文学家、格林威治天文台台长艾里做出了一个解释：你以为理想的透镜或者是反射镜能够把光线汇聚到一点上吗？那是不可能的，因为衍射作用的存在，必定会产生一个小小的环斑。也就是说，哪怕再理想的镜片，也不可能聚焦到一个点上，必定是个很小的圆，这个圆越小，分辨率就越高，看得越清楚，想要缩小这个环斑，必须做大口径。我们今天的巨型望远镜口径都达到了十米的级别，三十米直径的望远镜也在建造之中，背后的原理就是这个艾里环斑。越大的望远镜，分辨率越高，而且收集的光线越多，也就越容易看到暗弱的天体。
艾里担任皇家天文学家和格林尼治天文台台长长达四十五年时间，他刚上任的时候，格林尼治天文台非常落后，远远不及德国的竞争对手，德国天文学在高斯等大牛的带领下搞得热火朝天。艾里首先要振兴天文台，改进仪器，整理过去的观测资料。在艾里这个苛刻的“暴君”驱赶下，老牌的天文台终于又一次焕发生机。
但很有意思的是，艾里不是因为他的成就被人们牢记的，而是因为他的失败而名垂青史。这一天，艾里收到了一份论文，是一个名叫亚当斯的年轻人寄来的，主要是为了解决天王星的出轨问题。这个亚当斯在剑桥天文台工作，他花了好久，想要解决天王星轨道始终算不准的问题，穷尽了各种各样的方法，最后都失败了。人家天王星就是不给人类面子，始终抱着不合作的态度。亚当斯实在是没辙了，他不得不做了一个最大胆的假设：有一颗未知的大行星，她的运行对天王星造成影响，导致天王星的轨道变得古怪。于是他就把计算结果写成论文寄给了艾里，毕竟他是权威嘛。没过多久，一封信从法国寄来，一个法国年轻人勒维耶也给艾里写了一封信，上面明确地描述了他的计算结果——应该有一颗未知的大行星在影响着天王星的运转，导致我们怎么也算不准天王星的轨道。艾里看了看计算数据，跟亚当斯两个人是殊途同归，算撞了车。按理说，两个人计算结果类似，那么应该引起警觉啊！这件事儿看来是值得召集力量进行研究的，但是艾里表现得非常迟钝，他只是小范围内跟几个朋友嘀咕未知行星的计算问题，亚当斯几次去拜见艾里都错过了。
勒维耶的顶头上司阿拉戈，是巴黎天文台的台长，他的态度并不比艾里强到哪里去。勒维耶从公开渠道发表了他的论文，欧洲都知道勒维耶计算了未知行星的轨道，但是大家都没有兴趣拿望远镜去观测一下。阿拉戈对年轻人很支持，不过也仅仅是口头支持罢了，他也没有动用巴黎天文台的设备去观测。阿拉戈甚至对天体观测都不怎么热心，因为说到底，他是物理学家成分多过天文学家。英吉利海峡两边的竞赛已经开始了，英国这边艾里还在慢腾腾地磨蹭。亚当斯完成了新一轮的计算，艾里还是没有动用格林尼治天文台的设备去观测这颗未知的行星，他写了封信给亚当斯的顶头上司，剑桥天文台的台长查理斯，叫他观测，查理斯也是拖延症发作，过了好多天才开始观测。亚当斯便将最新的计算结果交给了查里斯，这个查里斯观测了一大堆星星的位置，然后跟过去的数据做比对，假如有一颗星的位置变化了，那么必定是颗行星，要是过去没记录的星星出现在这个区域，也能说明同样的结果。查理斯开始比对数据，他比对了三十九组数据，每一组数据都跟过去的观测结果完全吻合，他就不耐烦了。查理斯哪里知道，再往下比对十几个数据，就能发现其中一颗星星过去没记录过，完全是颗新的天体。机遇只会偏爱有准备的头脑，查理斯白白葬送了发现第八颗行星的至高荣誉，大好机会拱手让到了法国人手里。
勒维耶的境遇并不比亚当斯更强，他在公开渠道发表了他的计算结果，但是大家普遍不看好他的计算，甚至有人还叮嘱负责观测的工作人员，不要花时间去找新行星，本职工作都干不完，没那个闲工夫去找那个不靠谱的行星。阿拉戈很支持勒维耶，但是他自己也仅仅是稍微花了点儿工夫观测，就草草收兵了。自然，阿拉戈也没看到什么不寻常的天体。
勒维耶到处写信求爷爷告奶奶地请求欧洲各大天文台帮忙看看，收到的都是礼貌而又客气的拒绝。不过，勒维耶想起了一年前，柏林天文台的台长助理伽勒寄给他一篇论文，他还没时间回复呢。赶紧找出来，仔细一看，论文写得不错，勒维耶便马上写回信，把论文夸得跟朵花似的，然后在回信的结尾处话锋一转，开始聊自己推算未知行星的事儿，而且做出了预报，大概会在哪个天区什么位置上。1846年9月18日，信发出去了，9月23日，这封信到了伽勒的手里。这一天是个非常有意义的日子，因为这一天是台长恩克五十五岁的生日。这位恩克台长是大名鼎鼎的天文学家，是数学王子高斯的高足，他计算出了一颗彗星的轨道，预言这颗彗星会在1822年5月24日再次回到近日点，果然它准时回来了，这是继哈雷计算著名的哈雷彗星以来，第二次成功预言彗星回归。从此恩克名声大振，并以他的名字命名了这颗彗星——“恩克彗星”。他还观测到了土星环中间的一个缝隙，也以他的名字命名，叫做“恩克缝”。
晚上，同事们都去了恩克台长家里，大家要开个生日派对给他庆祝。刚好望远镜空着没人用，伽勒就跟恩克台长请示：能不能搜索一下勒维耶预言的那个未知行星？恩克一高兴也就同意了，反正天文台的望远镜也空着呢。有个年轻的学生达雷斯特也跟着一起回了天文台，他们只有一个晚上的时间来观测。达雷斯特和伽勒仔细搜索了勒维耶描述的那个区域，并没有发现哪个星星是有个圆面的，当年赫歇尔发现天王星，就是靠着大望远镜直接看到了天王星的圆面。任何遥远的恒星都是一个微小的点，但是行星比较近，应该是个微小的圆。还有一个办法就是连续观测几天，看看是不是有移动的迹象，要是移动了，那应该就是行星。可是他们只有一个晚上时间，于是他们灵机一动，想起不久前刚刚对这个区域进行了观测，拿过去的观测记录和今天的对比一下，或许能发现端倪。
他俩从恩克台长的抽屉里把观测记录翻出来，一项项比对今天的观测记录。半个小时过去了，兴奋的时刻终于来临，当伽勒报到一颗视星等为八等，与勒维耶预言的位置相差不到1°的暗淡天体时，达雷斯特喊了起来：“那颗星星不在星图上！”这真是见证奇迹的时刻，天文学的历史翻开了新的一页。
伽勒跑出天文台，往恩克台长家狂奔，达雷斯特在后面跟着。跑到恩克台长家里一看，派对还没结束呢，伽勒拉起恩克台长就跑。恩克被他们拽到了望远镜前，三个人一夜无眠，一直观测到东方微明，第二天他们又一次复核了这个观测结果，天体力学创造了神话。9月25日，柏林天文台向世界宣告：太阳系的第八颗星星被发现了。这不仅在天文学界，也在整个社会掀起了轩然大波，勒维耶“一个雷天下响”，成了法国的风云人物。听说勒维耶要参加法国科学院星期一的聚会，老百姓便在那天把科学院围得水泄不通。大家叫喊着勒维耶的名字，仿佛参加盛大的明星真人秀一般，最后连国王都惊动了。在十九世纪的中期，不断有新的发现刷新着人们的观念，人们一次次见证奇迹的发生。如果说泊松亮斑只是物理学界的震动，海王星的发现则是把经典力学的伟大展现在了公众的面前。人们被牛顿开创的经典力学折服，原来物理学体系是如此神奇。
在这场狂欢中，有一个人有苦难言，那就是皇家天文学家艾里。本来英国人还稍稍领先，结果到手的鸭子飞了。只有艾里和他几个朋友知道亚当斯跟勒维耶几乎同时算出了相同的结果，他写了封信给勒维耶，先是表示祝贺，然后话锋一转，说我们英国人亚当斯也算出了跟你类似的结果，只是我没告诉你。勒维耶倒是没表态，阿拉戈却火冒三丈，把勒维耶和艾里的全部通信发表在了报纸上。他指责英国人是“还乡团下山摘桃子”——抢夺胜利果实啊！英国天文学界也都知道了亚当斯的事儿，把艾里和查理斯骂得狗血喷头，他们怪这两个人拖延症发作，耽误了大事，最后还是约翰·赫谢尔出面替英法双方斡旋，大家才平息了怒气。后来勒维耶和亚当斯在一次会议上碰了面，到底还是英雄惜英雄，两个人成了终生的好朋友。
第八颗行星被命名为“海王星”，亚当斯和勒维耶甚至连看一眼自己发现的行星的兴趣都没有。因为在那个时代，观测与天体力学计算已经是两个行当，天文学家们也已经不仅仅是观测和记录星星的位置了，大量的天体力学计算是必不可少的工作。
太阳系里面还有谁运行不正常吗？是不是可以通过这些蛛丝马迹来发现新的行星呢？好像水星的运行就很不正常：水星轨道的近日点会发生移动。在勒维耶和亚当斯的先进事迹感召下，一大帮人就扑了上去，勒维耶也在其中。水星进动与牛顿定律计算的不相符合，考虑到金星、地球和木星对于水星的影响，按当时的计算，还剩下大约43角秒/百年的微小差距是无法解释的。这是怎么回事儿呢？勒维耶认为，是在水星轨道的内侧有一颗未知的行星在影响着水星的轨道，碰巧一个业余天文学家声称看到过水星内侧的行星，勒维耶就前去拜访。那人也住在巴黎，他是个牙医，天文是业余爱好。勒维耶相信了他的话，把这颗未知的行星命名为火神星。按照西方的名字，金星应该叫做“维纳斯”，火神星“伏尔甘”就是维纳斯名义上的老公。
勒维耶名气太大了，有了他的力挺，天文学界掀起了搜寻火神星的狂潮。观测靠近太阳附近的行星并不容易，很多人一辈子都没看到过水星，因为它离太阳很近，容易淹没在太阳的光辉里。只有在黎明之前很短的时间内可以看到，城市里又有高楼大厦遮挡，大家也就与水星无缘了。水星内侧的天体更难观测，只有等到日全食的时候。有一次日全食，大家都翘首期待了好久。这次观测发现了一个有趣的心理学现象：认可火神星的人，全都说发现火神星了；不认可火神星的人，全都说没看见。那好办啊，只要“隔离审查”就可以了：“你说你看到火神星了，你在哪儿看到的？”“不许跟别人串供，你是在东边看到的。”问下一个，“你在哪儿看到的？什么？西边，口供对不上啊！”再问下一个……
总之，那些人报告了自己看到的火神星的位置，口供全都不一致，根本不能作为火神星存在的证据。那么究竟是什么在影响着水星的进动呢？当时这是个未解之谜，那个揭晓答案的人还没出生呢，我们后文书再提。
亚当斯后来接了查理斯的班，成为剑桥天文台台长，勒维耶则是接了阿拉戈的班成为巴黎天文台台长。阿拉戈从1838年开始设计一个光学实验，想测量光速，但是因为欧洲1848年革命给耽误了。他担任了临时政府的海军部长和陆军部长，后来又担任了法国第二十五任总理。1850年他眼睛失明，再也不能做试验了。1849年，斐索在陆地上做实验测量出了光速，1850年傅科测出了水中的光速，光线在水里比在空气中跑得慢，这项实验结果给了微粒说致命一击。1853年，阿拉戈去世，他的名字被刻在了法国埃菲尔铁塔之上，那里刻有法国七十二贤人的名字，拉普拉斯、泊松、菲涅尔……他们的名字都在其中。阿拉戈离开这个世界的时候，已经不再有遗憾。/第2章/以太？
光是什么？光的传播需要速度吗？解析几何之父、西方现代哲学的奠基人笛卡尔认为光是瞬间抵达的，不需要传播时间。另一位大科学家伽利略不这么认为，他让两个人在半夜分别爬上了相距1.6千米的两座山，当一个人点亮手中的灯，另一个人看到后马上也把自己的灯点亮，那么测量出两个灯亮起来的时间差，就可以把光速算出来，当然啦，需要扣除人的反应时间。但伽利略最终一无所获，光线好像的确不需要传播时间瞬间到达，伽利略最后不得不无可奈何地接受了这个结果。现在看来，几十万分之一秒的传播时间，人是根本不可能察觉得到的。
我们都知道，伽利略是一位伟大的科学家，科学能够从过去的哲学体系里面分离出来，有他很大的功劳。古希腊古罗马的先贤们总是喜欢坐在那里思辨，思辨是古代哲学家们探索了解自然界的有效武器，基督教的经院哲学也喜欢通过抽象的、繁琐的辨证方法论证基督教信仰，但是伽利略对此并不满意，他觉得很多事情并不能依靠坐在那里冥思苦想，必须动手去做实验，看看想法跟实际情况是不是相符合。伽利略亲自动手做斜面滚落实验就有上千次之多，记录下非常详细的观测数据。仅有观测数据还远远不够，还要用数学方法对规律进行总结。正是在这种思想的指导下，以伽利略为代表的一批人就逐渐远离了经院哲学体系，走上了另外一条路。伽利略的思想称为“实验-数学”方法，这条路越走越宽阔，逐渐形成了现代的科学体系。伽利略既是数学家，又是物理学家，同时还是天文学家，是科学革命的先驱，近代实验科学的奠基人之一。
伽利略听说有人造出了望远镜，能把很远的东西放大。他很有兴趣，就按照听来的描述，自己做了一个望远镜，用这架望远镜来观察天体。伽利略也就成了第一个用望远镜观测天文的人。那时他的望远镜还很粗陋，看东西还是模模糊糊的。我们现在用一架小型的望远镜就能够清晰地观测到土星的光环，但是伽利略的望远镜显然不够清晰，他居然认为土星旁边有两个“耳朵”。当然，木星比土星大得多，而且离得也更近，相对容易观测。伽利略也经常把望远镜对准木星，看到居然有四个微小的亮点在围绕着木星旋转，旋转的周期长长短短各不相同。伽利略对他们进行了详细的观察，确定了他们的轨道周期，他确定，这四颗小星星并不像过去大家认为的那样，是绕着地球在转。基督教认可的学说是托勒密的地心说，所有天体是绕着地球转的，但这四颗天体明显是木星的卫星，它们都绕着木星转。因为是伽利略首先发现的这四颗卫星，后来人们便称它们为“伽利略卫星”。（图2-1）图2-1 木星的四颗最大卫星被称为“伽利略卫星”
凡是往复运动的东西，都可以当做钟表来使用，我们至今为止，都是使用周期运动来当做时间的标尺。机械表靠的是摆锤摆动，电子钟表依靠的也是电磁振荡来度量时间的流逝。当时欧洲正在为测量经度发愁，经度的测量跟时间的测量是密切相关的。伽利略就想解决经度问题，他提议用木星的卫星当做钟摆来计算当前的时间，木星那四个大卫星绕着木星的公转也是周期运动嘛。这个办法简单有效，的确是可以帮助人们比较精确地测定某地的经纬度。法国采用这个办法来进行地图测绘，精确程度大为提高。因为精确测量法国的领土面积比过去粗略统计的数字要小，还引起了法王路易十四的抱怨，他说丢失在科学家手里的领土，比丢失在敌人手里的还要多。
既然木星的卫星可以当做天上的钟表来计算时间，那么就有很多人投身于此，他们花了大量时间来测定木星的卫星运行状况。在伽利略去世三十多年以后，一位叫罗默的天文学家发现伽利略卫星运转好像并不是完全匀速的，木星的卫星每隔一段时间就会转到木星的后面去，我们就看不到它了，这个情况叫“木星食”。木星食每次会逐渐延迟发生，过一阵子，又会慢慢地提前发生，一天两天不显著，间隔半年就很显著了，似乎变化是有周期性的。这是怎么回事呢？罗默猜想：这是因为光速导致的，光似乎不是瞬间抵达，而需要花时间从木星跑到地球（图2-2）。图2-2 木星食延迟是因为光速
在罗默看来，木卫运转的周期要通过光的传递，才能被我们看见。地球在绕着太阳旋转，木星在遥远的地方，粗略地可以当做不动，那么地球绕到跟木星最近的一点，光走的距离最短。随着慢慢地远离木星，光每天走的路程都会变长，木星食也就会不断地延迟。罗默估计，时间误差大约是十一分钟左右，这十一分钟就可以当做光穿越地球轨道半径，多走的那一段距离花掉的时间。那么好了，光速也就毛估出来了，十一分钟走了地球轨道的半径，二十二分钟走的就应该是地球绕日轨道的直径。
罗默把想法告诉了他的老师卡西尼，可卡西尼不认可他的想法，整个巴黎天文台赞同他观点的人也不多，大家都抱有深深的疑虑。但另外的一大堆物理学大牛都给罗默点赞，惠更斯、莱布尼兹、牛顿都赞同他的想法，这也是人类第一次知道了光速大概是怎么一个数量级别。通过天文观测是当时唯一的能够使用的测量方法，因为光速太快了，只有天文距离上才能显现出光的延迟，有了延迟，人们才可以通过测量时间和距离来计算光速，但是这样的测量很难说是精确可靠的，必须寻找更加可靠的测量方法。又过了几十年，大家依旧没有多少进展，因为观测天体不是一蹴而就的事儿，要靠长期的观测数据积累才能有所收获。而且天文学家还必须有从大数据里面挖掘金矿的慧眼，这方面最突出的就是哈雷。
哈雷是继弗拉姆斯蒂德之后的第二位皇家天文学家兼格林尼治天文台台长，第一个从过去观测的记录中瞧出了端倪。他挑了二十四颗彗星计算轨道，用万有引力来计算轨道正是他的好朋友牛爵爷发明的办法。他发现1531年、1607年和1682年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙，是不是同一颗彗星的三次回归啊？哈雷没有立即下此结论，而是不厌其烦地向前搜索，发现1456年、1378年、1301年、1245年，一直到1066年，历史上都有大彗星的记录，这事儿绝对不是巧合！他预言：1682年出现的那颗彗星，将于1758年底或1759年初再次回归。哈雷这时候已经五十岁了，他还要等上五十年才能看到这颗彗星的回归。哈雷也知道自己没可能看到，但他对预测还是有信心的。果然在哈雷去世之后十几年，人们观测到了这颗大彗星的回归。为了纪念哈雷，就把这颗彗星命名为“哈雷彗星”。
哈雷去世了，皇家天文学家的位置由另外一位天文学家接替，他就是第三任皇家天文学家兼格林尼治天文台台长布拉德利。布拉德利的特长是闷头观测，他的性格不像哈雷那么随和和平易近人，脾气倒是很像哈雷的前任弗拉姆斯蒂德，甚至比弗拉姆斯蒂德还要“弗拉姆斯蒂德”。布拉德利在1725～1728年发现了光行差现象。随着观测技术的提高，对恒星位置的测量也越来越精确。而且布拉德利也是一个对数字极其敏感的人，他花了好多年时间整理了上千颗恒星的观测记录。照道理来讲，恒星之所以叫“恒星”，是因为我们观测不到他们的相对运动。星星每天东升西落，但是每颗恒星都像钉在苍穹之上一样，不管天球如何斗转星移，恒星彼此之间的相对位置是不会变化的。
且慢，布拉德利分析了许多的观测资料，他紧紧盯住了天龙座内最亮的一颗星γ（天棓四）。这个天龙座γ一直在天上画圈圈，虽然圈圈很小，但是的确可以被观察到，这是怎么回事儿呢？布拉德利给这种现象起了个名字叫做“光行差”，他用雨滴模型成功地解释了光行差现象，据说是在泰晤士河上的一条船上激发出的灵感。那天正在刮风，布拉德利发现船上旗子的飘扬方向发生了改变，可是风向并没有变。这是因为船开动了，船的行进方向和风向并不一致，旗子的飘扬方向是船的运行方向和风向共同作用的结果。布拉德利茅塞顿开，设计出了雨滴模型（图2-3）。图2-3 雨滴模型
要解释这个雨滴模型，我们先来想象一个场景：在无风的雨天，雨滴是与地面完全垂直下落的，雨伞笔直朝上就可以挡雨了；假如我们是运动的，在往前跑，这时候在我们看来雨滴就不是垂直下落的，而是斜着下落的，必须把雨伞斜过来才能避免被淋成个落汤鸡；假如我们在大雨里绕着操场转圈跑，那么就会发现，雨水开始从偏东方向斜着飘过来，然后变成了偏南方向，再后来是偏西方向，最后是偏北方向，当我们跑回原点，又变成了偏东方向。假如以自己作为参照物来看，就好像下雨的云朵在天上转圈圈一样。当然，如果你在电影或者电视里面看到有人一边哭泣一边在雨中奔跑的话，那么恐怕不是在做科学实验，而是失恋了……
恒星发出的光就像下雨一样飞过，地球在做绕日运行，就好像穿行在光线雨里面一样。在我们看来，光线也像雨滴一样变斜了，我们看天上某些恒星的角度就会随着地球的运行方向而发生变化。地球是在绕着太阳画圈圈，那么恒星看起来也在原地画圈圈，通过恒星画圈圈的大小，可以计算出地球绕太阳运行的速度和光速的比值。布拉德利比较精确地测定了光速，光速大约是地球运转速度的一万倍，当时测定的地球的运行速度大约是30千米/秒，这已经是比较精确的数值了。光行差的发现是个很重要的事儿，因为从哥白尼开始，他就认为地球是在运动的，是绕着太阳转的，而不是反过来太阳绕着地球转，但仅有两个参照物的话，我们无法分辨到底是地球绕着太阳转，还是太阳绕着地球转，站在地球上看起来都是一样的。布拉德利的光行差发现，证明了地球真的在绕日公转。
1729年，布拉德利公开宣布了他的发现以及他的计算结果，他的发现支持了罗默的想法，且计算结果也比罗默更加接近现代测定的光速。光速真的有限，并非瞬间到达。
菲涅尔和阿拉戈建立物理光学波动学说的时候，他们绕不开的就是这个光行差的问题。牛顿提出了微粒说，那么并不在乎需要什么传播介质，可是对于波来讲，传播介质就变得非常重要了。当年惠更斯提出光波动学说的时候，就已经无法回避这个问题。对于那时候的人来讲，脑子里只有机械波的概念，声音在空气中传播，涟漪可以在水面传播，抖动的绳索也可以传递波形，甚至球场看台上的人群也可以组成人浪，多米诺骨牌的连续倒塌，都可以理解成波。这些波动无一例外是离不开介质的，皮之不存，毛将焉附？
那么光波又是依靠什么东西振动来传播的呢？惠更斯说是“以太”。这个“以太”是从古代传下来的一种概念：古人认为大气之上定然还有成分，那便是以太。牛顿信奉微粒说，他不否认以太的概念，但是他也不认为以太的波动就是光，况且当时的波动学说也难以解释直线传播等等一系列的问题。现在杨大夫、菲涅尔和阿拉戈他们几个又把以太给搬了出来，光波是在“以太”中传播的。
那么问题来了，布拉德利发现的光行差现象说明：地球相对于远方射来的恒星是有相对运动的；如果远方过来的星光是光波，波是不能独立存在的，必定有传播介质，光波靠以太来传播。那么好了，地球是不是相对于以太运动呢？阿拉戈就此事询问了菲涅尔，菲涅尔拍胸脯保证：“没错！就是这样的，地球是在以太里面穿行啊。”阿拉戈又问：“为啥地球在以太里面穿行，一点也没感觉到以太的存在呢？起码应该有‘以太风’才对嘛！地球能否能搅动以太呢？”菲涅尔若有所思，或许对于以太来讲，地球是疏松多孔的物质构成的，因此以太穿越一点不受阻碍呢？稀疏的筛子总不能拿来扇风吧。阿拉戈又问：“那么水能不能带动以太呢？很有可能光波进了水以后，速度会变慢啊，那么是不是水跟以太有相互作用呢？”菲涅尔说：“这是很有可能的啊！”水流也许并不能完全拖动以太，是要打个折扣的。阿拉戈早年接受的是牛顿的微粒说，后来看到杨大夫的双缝干涉实验开始倾向于波动说。但是他对波动说解释光行差有疑虑，所以他有此一问，现在菲涅尔的回答让他很放心。
阿拉戈没能观测到这种水流拖拽以太的现象，因为那时候没法在地面测量光速。现在的关键是在实验室里面能够测量出光速，才有可能研究所谓“以太”的问题。从布拉德利粗测光速算起，一百年来仍然没人在实验室里测出光速。伽利略当年的梦想就是靠实验来确定光速，但是光速快得吓人，能在一秒内绕行地球赤道七圈半，实验室的仪器尺寸又不可能很大，因此测量手段始终是个难题。要知道光速直接关系到微粒说与波动说谁对谁错，这是个大问题。牛顿认为，光在水中或者在玻璃里面比在空气中跑得快，因为稠密的透明物质对于微粒来讲是有“引力”的。牛顿的这个引力，也未必是指万有引力。在牛顿看来，光是一颗颗的小炮弹，因为速度太快了，我们看不到重力导致的光线弯曲，看起来光总是走直线，但是，当光斜着碰到玻璃或者水的一刹那，被这些透明物质的“引力”拖拽，速度变快了，因此进了玻璃就拐了个弯儿，这就是所谓的折射。可是根据光的波动理论，光波在玻璃或者是水里比在空气中跑得慢，因此阿拉戈到晚年还对光速的测量念念不忘，双目失明之后仍然牵挂着斐索的实验。牛顿的光学理论完全是以介质之中光速变快为基础的，如果推翻了这一条，那牛顿的理论将全部崩溃。
到了1849年，一位法国科学家斐索完成了在地面上测量光速的实验，这是一个非常巧妙的实验（图2-4）。图2-4 斐索测量光速的实验
首先斐索做了一个大齿轮，有七百二十个齿，那时候没有电机，斐索为了让这个齿轮能够匀速旋转，靠重物下坠拖拽绳子来带动齿轮旋转，用蜡烛作为光源，反射镜放到了8.67千米之外。
齿轮如果不转动，那么光线经过半反射镜反射，通过齿轮的空隙射到8.67千米外的反射镜上，然后反射回来。透过齿轮和半反射镜，人的眼睛就可以看到了。假如齿轮转动起来，速度够快的话，反射回来的光恰好被转过来的齿挡住，人眼就看不到反射回来的光了。齿轮再加速，反射回来的光恰好从第二个空隙间通过，那么人眼又可以看到反射光了。斐索发现，齿轮一秒钟转二十五圈的时候，恰好可以看到反射光通过齿的空隙。计算下来，光速大约是312120千米／秒，比现在我们知道的光速快了5％，这在当时是难免的，因为机械总有误差。人类第一次在地面上用实验测出了光速，这在物理学上是一个里程碑式的事件。光可以说是物理学中最迷人最捉摸不定的奇异现象，它的奇异特性直接导致了两大物理学支柱量子力学和相对论的诞生。最终，人们习以为常的那些物理学规律都被一一打破，这是后话，暂且按下不表。
光在水里的确比在空气中跑得慢，牛顿的微粒说已经崩塌了，这是法国另外一位科学家傅科测定出来的。那么阿拉戈当年的另一个疑问却始终没有答案：假如光线通过流动的水流，那么光速会变化吗？这个疑问关系到当时所有物理学家都关心的问题：以太到底能不能被拖动呢？按照经典的牛顿力学，水流拖动了以太，光又是在以太里面传播的一种波，那么顺流而下的光波应该比较快，逆流而上的光波应该比较慢，这是学过中学物理的人都应该想得到的。菲涅尔以前曾经做过一个判断：透明的物质只会部分拖拽以太。那到底对不对呢？这还要靠实验来解决问题。图2-5 斐索流水试验
斐索做了著名的流水实验（图2-5），来回答阿拉戈的那个疑问。斐索很巧妙，他用两束光一正一反穿过水管，在屏幕上形成干涉条纹。当水流动起来，一正一反两束光会产生差异，因此条纹必定会发生移动。实验结果支持了菲涅尔的假设，观测数据也与根据菲涅尔公式计算出来的数值相符合，大家都松了一口气，看来菲涅尔有关以太的想法是合理的。关于以太的争论仍然在继续，毕竟没有直接观测到以太的存在，只是通过光的传播来反推以太的种种特性，不是一个让人放心的办法。光究竟是个什么玩意？真叫人捉摸不透。当时人们并不知道，解开光线之谜的人最终将与牛顿比肩而立。
那么，他是谁？/第3章/一代宗师
1753年8月6日，一个风雨大作的日子，俄国科学院的院士利奇曼正匆匆忙忙赶回家中。利奇曼听到隆隆的雷声就加快了脚步，他在家里已经竖立起来一套实验装置，就是要把雷电引下来，想看看这“老天爷的愤怒”到底是个什么玩意儿。好朋友罗蒙诺索夫也赶来了，他俩听说美国的富兰克林也在研究雷电：雷雨天放飞一个大风筝，就能把天上的闪电引到地上。
紧赶慢赶地回到家中，利奇曼和好朋友罗蒙诺索夫一起开始实验。罗蒙诺索夫爬上房顶观察闪电，高高的铁架子竖立了起来，假如一个雷打下来，电将沿着金属走到楼下的房间中，利奇曼在下面准备用“莱顿瓶”存储闪电的电荷。只见天空中一道闪电划过，随后响起隆隆的雷声，忽听楼下一声惨叫，罗蒙诺索夫赶快跳下去查看，只见利奇曼倒在地上，前额有个大红点，鞋子已经裂开，衣服也有部分烧焦，人已经气绝身亡，另外一人倒在一边，好歹保住了一条命。门框破损，房门铰链已经被拉坏，门板飞了出去，整个屋子狼藉一片。最后根据验尸报告以及在场人员的描述，证实利奇曼是被一个球状闪电击倒的，他为雷电研究献出了自己的生命，也成了世界上第一个有记载的死于雷电事故的人。
罗蒙诺索夫并没有被伙伴的死吓倒，他继续研究大自然的奥秘。当时欧洲有一批科学家也在探索着雷电的奥秘，方法都差不太多，多半是雷雨天放风筝，要么就是立个高高的杆子。有传言说富兰克林也曾被电得全身发麻，这显然不是碰上了真正的闪电，只是感应出了少量电荷，否则的话，富兰克林恐怕早就烧成灰了。不过后来的科学家们都做了安全防范，再也没人有胆子直接亲密接触雷电。因此确定因为研究雷电而被雷劈死的，只有利奇曼一个人。富兰克林的一大贡献就是发明了避雷针，从此雷电造成的火灾大大减少。不过，英王乔治三世恨死这个后来造了反的美国人，避雷针一律从富兰克林的尖头版本改成了乔治三世的圆头版本。
通过利奇曼和罗蒙诺索夫以及富兰克林的努力，后来研究雷电的科学家们逐渐认识到：天上的雷电，与将琥珀用丝绸摩擦时候产生的电没什么区别，根本就是一码事。富兰克林对电现象做了总结：电荷有正有负，电荷只能转移不能产生，电荷总量是守恒的。此时人类终于对电有了一些基本的认识。
1785年，库伦发表了他的实验结果，那就是电荷之间同性相斥，异性相吸。电荷之间有作用力，作用力是呈现出平方反比规律的，这与牛老爵爷的万有引力颇为相似。
1800年，伏打发明了化学电池，人们终于获得了稳定的持续的电流。电作为一种物理现象，终于可以方便地展开研究了。
1821年，丹麦的物理学家奥斯特给学生做了一个实验，这个简单的物理学实验足以让他名垂物理学史。当他给一根电线通电的时候，旁边指南针的小磁针发生了偏转，原来电流是可以产生磁性的，过去看似风马牛不相及的电与磁背后却有着内在的联系。
对于这种奇异的现象，奥斯特没有给出任何令人满意的解释，他也没有试着用数学的架构来表达这一现象。经过几个月的仔细检验，来回做了几十次实验以后，他正式发表了一篇论文讲述他的实验结果。欧洲的物理学界震惊了，一大群嗅觉灵敏的科学家们立马扑向了这个领域。法国人下手尤其迅速，先是必欧和沙伐搞出了个“必欧-沙伐定律”，后来安培又搞出了一个“安培定律”。他们给出了数学上的计算，到底一根通电的导线，会产生什么样的磁性？
偏偏有人与他们走的不是同一个路数，此人便是伟大的法拉第。法拉第的经历可以说是英国版的成功励志故事，他自幼家境贫寒，父亲是个铁匠，没什么文化，但是他知道再穷也不能穷教育，因此坚持让法拉第上完了小学。后来实在负担不起学费，就把他送进一家书店当跑腿的快递员。那时候很多书籍和报纸都是租回家阅读，看完了是要还的，书报杂志的收发全靠法拉第跑来跑去。法拉第后来当了书店学徒，不用到处跑了，这也让他有了大把时间蹲在书店里看书。他的青少年时光一点也没有浪费，书店里的书不看白不看，于是，他看了大量的科学读物，尤其喜欢电学与化学。有人看他勤奋好学，就给了他一张科学讲座的入场券，开设讲座的是当时大名鼎鼎的科学家戴维爵士。这个戴维十分了得，一个人就神勇无比地发现了七种化学元素，还搞出了安全矿灯等等一大堆发明。法拉第也很勤奋，他把自己的讲座笔记加上很多旁征博引的材料交给了戴维，戴维一看，吃了一惊，原来这个不起眼的年轻人如此有水平。后来戴维做三氯化氮实验时受了伤，需要一位秘书来帮忙，于是就挑中了法拉第。
这时候的法拉第还在书店里打杂，新老板对他一点儿也不好，于是法拉第乐着蹦着就跳了槽，另谋高就了，他成了戴维的化学助理。戴维有着爵士的身份，然而法拉第出身卑微，戴维到欧洲大陆讲学，法拉第也只是个跟班的地位。其实他并不是戴维家的仆人，可人家丝毫也没拿他当个正经八百的科学研究人员，这让法拉第十分沮丧。法拉第为人谦和宽厚，品格脾气都是很优秀的，他要受不了的话，估计也没几个人能受得了戴维一家特别是戴维夫人的呼来喝去。当然啦，我国某些大学研究机构里，研究生给导师打个开水泡个茶，也是很常见的现象了。
奥斯特电磁实验的消息传遍欧洲，大家都扑上去研究。法国人玩儿命研究数学计算，英国这边戴维和渥拉斯顿就开始研究能不能利用这种现象制造电动机，用电流让一台机器转起来，这个可是代替那种笨重无比的蒸汽机的好东西啊！渥拉斯顿本来想到一个好办法，兴冲冲地跑到戴维面前演示，但是现场玩砸了，线圈就是纹丝不动。后来戴维和渥拉斯顿折腾了好久，也没能让这玩意儿转起来。
法拉第看在眼里记在心里，他花了三个月的时间查资料做实验。先是找了个容器，里面泡上水银，垂直放置一个条形磁铁，粘在缸底，一根铜丝插进一个软木塞，然后漂浮在水银里。铜丝与水银接触，水银连接到电池的一个极，软木塞上的铜丝通过很细很软的电线连接到
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