1.两种电流体
以下是一份乏味的报告，讨论的是几个非常简单的实验。报告之所以乏味，不仅因为实验描述不如实际做实验那样有趣，也是因为在未作理论阐明之前，实验的意义尚未明了。我们的目的是为理论在物理学中的作用提供一个显著的例子。
1.用一个玻璃底座支撑起一根金属棒，棒的两端用金属线连接在验电器上。验电器是什么东西呢？这是一个简单的仪器，本质上由悬挂在一小段金属末端的两片金箔所组成，这些东西都被封闭在一个玻璃瓶中。金属棒只与被称为绝缘体的非金属物相接触。除了验电器和金属棒，我们还需要有一根硬橡胶棒和一块法兰绒。
实验如下：先看一下两片金箔是否合拢，因为这是其正常位置。万一没有合拢，用手指碰一下金属棒就可以让它们合起来。做了这些初步准备之后，用法兰绒用力摩擦橡胶棒，再用橡胶棒触碰金属棒，两片金箔会立刻张开！甚至在移走橡胶棒之后，它们也仍然是张开的。
2.我们再用同样的仪器做另一个实验，开始时金箔仍处于合拢状态。这一次我们不让橡胶棒实际触碰金属棒，而只是靠近金属棒。验电器的金箔再次张开，但情况有所不同。当把未触碰金属棒的橡胶棒移走之后，金箔不再继续张开，而是立刻合拢，恢复到正常位置。
3.做第三个实验时，我们把仪器略作改变。假定金属棒由两节连接而成。用法兰绒摩擦橡胶棒以后再使之靠近金属棒，同样的现象再次发生，金箔张开了。但现在先把金属棒分成它的两节，然后把橡胶棒移走。我们发现这时金箔仍然张开，而不像第二个实验中那样恢复到正常位置。
对于这些质朴的实验，人们很难表现出强烈的兴趣。在中世纪，做这些实验的人也许已经受过非难了。在我们看来，这些实验似乎是乏味而缺乏条理的。读过这份报告之后，即使要头脑清晰地重述一遍恐怕都不容易。懂得一些理论，就能理解它们的意义了。我们还可以说：很难想象这样的实验是偶然做着玩的，对于它们的意义，实验者一定预先有过确切的了解。
有一个非常质朴的理论能够解释上述所有事实，现在我们就来谈谈它的基本观念。
存在着两种电流体，一种叫作正的（+），另一种叫作负的（-）。它们有点像我们前面已经解释过的实体，因为它们的量既可以增加，也可以减少，而在任一封闭系统内的总量是守恒的。但电流体与热、物质或能量之间也存在着一种本质差别。电的实体有两种。这里无法像以前那样拿钱做类比，除非做出某种推广。如果物体的正电流体与负电流体完全相互抵消，这个物体就是电中性的。一个人如果身无分文，要么是因为他的确身无分文，要么是因为他放在保险箱里的钱的总数正好等于他负债的总数。我们可以把两种电流体比作账簿中的借项和贷项。
这个理论的第二条假设是，同类的两种电流体相互排斥，异类的两种电流体相互吸引。这可以用下图来表示：
最后还要作一个理论假设：物体有两类，电流体可以在其中自由运动的物体被称为导体，不能在其中自由运动的物体则被称为绝缘体。和往常一样，不能把这种区分看得太认真，理想的导体和绝缘体都是一种永远无法实现的虚构。金属、大地、人体都是导体的例子，但导电性各不相同。玻璃、橡胶、瓷器等等都是绝缘体。空气仅在部分程度上是绝缘体，这是见到上述实验的人都知道的。静电实验若是结果不好，通常都会归因于空气湿度，因为湿度会增加空气的导电性。
这些理论假设已经足以解释上述三个实验了。现在我们按照原先的顺序再来讨论一下这三个实验，不过是借助于电流体理论。
1.和其他任何物体一样，橡胶棒在正常情况下是电中性的。它包含数量相等的正、负两种电流体。用法兰绒摩擦它，就把两种电流体分开了。这纯粹是一种习惯上的约定，因为它是用理论创造出来的术语来描述摩擦过程。摩擦之后橡胶棒多余的电被称为“负电”，这个名称当然只是约定罢了。假如实验是用毛皮摩擦玻璃棒，我们就不得不把多余的电称为“正电”，以和业已接受的约定相一致。接着，我们用橡胶棒触碰金属导体，把电流体传送过去。电流体在导体中自由移动，分布于包括金箔在内的整个导体。由于负电与负电相互排斥，两片金箔会尽可能地张开，就像我们观察到的那样。金属要放在玻璃或其他绝缘体上，这样，只要空气的电导率允许，电流体就可以留在导体上。现在我们知道在实验开始之前为何必须用手触碰金属棒了，因为这样一来，金属、人体和大地就构成了一个巨大的导体，电流体被大大稀释，验电器上几乎已经没有什么电流体了。
2.第二个实验开始时和第一个实验完全一样。但这次橡胶棒不再触碰金属棒，而只是靠近它。导体中的两种电流体可以自由移动，所以被分开了，一种被吸引，另一种被排斥。若把橡胶棒移走，它们会重新混合起来，因为不同类的电流体会相互吸引。
3.现在把金属棒分成两节，然后移走橡胶棒。这时两种电流体无法混合，金箔保留了多余的那种电流体，所以仍然张开。
借助于这个简单的理论，上述所有事实似乎都变得可以理解了。它不仅能使我们理解这些现象，还能使我们理解“静电学”领域的其他许多事实。每一个理论都旨在帮助我们理解新的事实，做新的实验，从而发现新的现象和定律。举一个例子就明白了。设想对第二个实验做些调整。我拿橡胶棒靠近金属棒，同时又用手指触碰金属棒，会有什么情况发生呢？理论给出的回答是：受橡胶棒排斥的负（－）电流体现在可以经由我的身体逃逸，结果只有正（＋）电流体留在金属棒中，只有靠近橡胶棒的那个验电器的金箔仍然张开。实际做出的实验证实了这个预言。
这个理论当然还很简陋，而且从现代物理学的观点来看是不恰当的，但它却是一个很好的例子，表明了每一个物理理论的典型特征。科学中没有永恒的理论，理论预言的事实往往会被实验推翻。每一个理论都有它逐渐发展和成功的时期，之后则可能迅速衰落。前面讨论的热质说的兴衰便是一例，以后还会讲到其他更为深刻和重要的例子。科学中几乎每一项重大进展都是源于旧理论遇到了危机，最后通过努力找到了解决困难的方法。我们必须考察旧观念和旧理论，虽然它们属于过去，但只有考察它们，才能理解新观念和新理论的重要性以及在何种程度上有效。
在本书开头，我们曾把科学家比作侦探，先要搜集所需的事实，然后通过纯粹的思考去寻找正确答案。必须认为，至少在一个关键点上，这种比较是很表面的。无论在生活中还是在侦探小说中，犯罪都是既定的事实。侦探必须寻找信件、指纹、子弹、枪支等，但他至少知道有一桩谋杀案。而科学家却不然。不难想象有人对于电一无所知，因为古人都不了解电，却生活得很快乐。假定把做那三个实验所需的金属棒、金箔、瓶子、硬橡胶棒、法兰绒等都交给这样一个人。他也许很有教养，但可能会用瓶子盛酒，用法兰绒做抹布，而从不会想到拿它们去做上述实验。对侦探而言，犯罪是既定的事实，问题是：究竟谁杀了人？而科学家不仅要进行侦察，至少在部分程度上还要亲自犯罪。此外，他所要解释的案件不止一个，所有已经发生或可能发生的现象他都要解释。
在引入电流体概念时，我们看到了力学观的影响，因为力学观试图用物质和在物质之间起作用的简单力来解释一切事物。要想知道能否用力学观来描述电现象，必须考虑下面这个问题。假定有两个带电的小球，就是说都带有某种多余的电流体。我们知道，这两个小球要么相互吸引，要么相互排斥。但是，力只与距离有关吗？如果是，具体关系如何？最简单的猜测似乎是，这种力与距离的关系就像万有引力与距离的关系一样，例如距离增加到3倍，力的强度就减小到原来的1/9。库仑（coulomb）所做的实验表明这个定律的确有效。在牛顿发现万有引力定律一百年之后，库仑发现电力与距离也有类似的关系。但牛顿定律与库仑定律有两个重要差异：万有引力总是存在，而电力只在物体带电时才存在；万有引力只是吸引，而电力则可以吸引或排斥。
这里产生了我们前面联系热现象讨论过的一个问题。电流体作为实体是否有重量呢？换句话说，一块金属带电时的重量和不带电时的重量是否相同？我们用天平称量的结果表明没有差别，由此可以断定，电流体也是一种无重量的实体。
电理论的进一步发展需要引入两个新的概念。我们还是避免严格的定义，而是与我们熟悉的概念进行类比。我们还记得，区分热和温度对于理解热现象是多么重要。这里区分电势和电荷也同样重要。为了弄清楚这两个概念的区别，我们不妨作以下类比：
电势－温度
电荷－热
两个导体，例如两个尺寸不等的球，可以有相同的电荷，也就是说，多余的电流体相同，但两者的电势是不同的：小球的电势较高，大球的电势较低。小球上电流体的密度较大，也更受到压缩。由于斥力必定随密度而增加，所以小球上电荷的逃逸趋势要比大球大。电荷逃离导体的这种趋势就是电势的直接量度。为了清楚地说明电荷与电势的差别，我们可以把受热物体的行为和带电导体的行为作一比照：
热
起初温度不同的两个物体，互相接触一段时间之后达到相同的温度。
等量的热会在两个热容不同的物体中产生不同的温度变化。
温度计与物体相接触，通过水银柱的高度显示出自己的温度，因而也显示出物体的温度。
电
起初电势不同的两个绝缘导体，相互接触之后很快达到相同的电势。
等量的电荷会在两个电容不同的物体中产生不同的电势变化。
验电器与导体相接触，通过金箔的张开程度显示出自己的电势，因而也显示出导体的电势。
但这种类比不能推得太远。下面这个例子在显示其相似性的同时，也显示了它们的差异。如果让一个热物体与一个冷物体相接触，热会从热物体流向冷物体。另一方面，假定有两个绝缘的导体，它们电荷相等，电性相反，即一个带正电，另一个带负电。两者的电势各不相同，我们习惯上认为，负电荷的电势比正电荷的电势低。现在把两个导体合在一起或者用导线连接起来，那么根据电流体理论，它们将显示出不带电荷，因此根本不会有电势差。我们只能设想，在电势差得到平衡的很短时间内，电荷从一个导体“流”向了另一个导体。但它是怎样流的呢？是正的电流体流向带负电的物体，还是负的电流体流向带正电的物体呢？
仅凭这里给出的材料，我们无法判定两者之中哪个是对的。我们可以假定这两种可能性，甚至可以假定同时有双向流动。我们知道无法用实验来解决这个问题，它只涉及习惯上的约定，选择本身并没有什么意义。后来发展出了一种深刻得多的电理论，能够回答这个问题。用简单而原始的电流体理论来表述这种理论是完全没有意义的。这里我们只是径直采用以下表达方式：电流体从电势较高的导体流向电势较低的导体。于是，在上述两个导体中，电从带正电的导体流向带负电的导体。这种表述完全是一种习惯，在这里甚至是任意的。所有这些困难都表明，热与电之间的类比绝非完备。
我们已经看到，可以用力学观来描述静电学的基本事实。同样，也可以用力学观来描述磁现象。
2.磁流体
这里我们将和以前一样，先谈几个非常简单的事实，再去寻求理论解释。
1.有两根长磁棒，一根自由地悬浮在中央，另一根拿在手里。把两根磁棒的末端靠近，使两者之间产生强烈的吸引。这总是能够做到的。如果没有产生吸引，就把磁棒掉过来，试试另一端。只要棒有磁性，就一定有现象发生。磁棒的两端被称为它的磁极。接下来，我们把手持磁棒的磁极沿着另一个磁棒移动，此时我们发现吸引力减小了。而当磁极到达那根悬浮磁棒的中央时，就显示不出任何力了。如果继续沿同一方向移动磁极，就会出现排斥力，到达悬浮磁棒的另一极时排斥力最大。
2.上述实验又引出了另一个实验。每根磁棒都有两个磁极，我们难道不能分离出其中一极吗？想法很简单，只要把磁棒分成相等的两段就可以了。我们已经看到，一根磁棒的磁极与另一根磁棒的中央之间是没有力的。但实际把一根磁棒折成两段，其结果却是惊人和出乎意料的。如果按照上述实验再做一次，不过这次是用悬浮磁棒的一半，那么结果完全相同。本来无磁力可循的地方，现在成了很强的磁极。
如何解释这些事实呢？由于磁现象和静电现象一样有吸引和排斥，我们可以仿照电流体理论来建立一种磁理论。假定有两个球形导体，电荷相等，电性相反。这里的“相等”是指有相同的绝对值，例如+5和-5就有相同的绝对值。假如用一种玻璃棒之类的绝缘体把这两个球连接起来，这种安排可以用一个从带负电导体指向带正电导体的箭头来表示。我们把整个东西称为电偶极子。显然，这样两个偶极子的行为将和第一个实验中的两根磁棒完全一样。若把这项发明看成一根实际磁棒的模型，我们可以说，假定有磁流体存在，那么磁棒不过就是一个磁偶极子罢了，它的两端有两种不同类的磁流体。这个模仿电理论建立起来的简单理论足以解释第一个实验。一端应该是吸引，另一端是排斥，在中央则是两种相等而相反的力互相抵消。那么第二个实验呢？把电偶极子的玻璃棒折断，我们得到两个孤立的极。折断磁偶极子的铁棒应该也是如此，但这与第二个实验的结果相矛盾。这个矛盾迫使我们介绍一种更为复杂的理论。我们放弃之前的模型，想象磁棒由许多非常小的基本磁偶极子所组成，这些基本磁偶极子不再能折断成独立的极。有一种秩序在统治着整个磁棒，因为所有基本磁偶极子都有相同的指向。我们马上就会知道，为什么把一根磁棒折成两段之后，新的两端又会变成新的两极，以及这个更精致的理论为何既能解释第二个实验，又能解释第一个实验。
有许多事实用那个简单的理论也能解释，精致的理论似乎是不必要的。举例来说，我们知道磁棒会吸引铁片。为什么呢？因为在普通的铁片中，两种磁流体是混合在一起的，因此不会产生净效应。把磁棒的正极靠近铁，对磁流体起着“令其分开”的作用，吸引负的磁流体而排斥正的磁流体，结果导致铁与磁棒相互吸引。移走磁棒之后，磁流体又或多或少恢复到原先的状态，恢复多少要看它们在多大程度上“记住”了外力的命令。
我们无须详述这个问题的定量方面。把两根很长的磁棒相互靠近，我们可以研究其磁极的吸引或排斥。如果磁棒足够长，棒的另一端的影响就可以忽略。引力或斥力与磁极之间的距离是什么关系呢？库仑实验给出的回答是：这种关系与牛顿的万有引力定律和库仑的静电学定律是一样的。
我们再次看到，这个理论应用了一个一般观点，即倾向于通过引力和斥力来描述一切现象，这些力只与距离有关，而且作用于不变的粒子之间。
这里不妨提到一个众所周知的事实，因为以后我们还会用到它。地球是一个巨大的磁偶极子。至于为何如此，我们无法解释。北极大致是地球的负（-）磁极，南极则大致是地球的正（+）磁极。正负的名称仅仅是习惯上的约定，然而一旦固定下来，我们就可以在任何其他情况下指定磁极。装在竖直轴上的磁针将会服从地球磁力的命令。磁针的（+）极指向北极，也就是说指向地球的（-）磁极。
虽然在这里介绍的电现象和磁现象的领域，我们可以前后一致地贯彻力学观，但对此不必感到特别自豪或欣喜。这个理论的某些特征即使不让人灰心，也肯定不能令人满意。我们不得不发明新的实体：两种电流体和基本磁偶极子。不得不说，实体实在是太多了。
力是简单的，引力、电力和磁力都可以用类似的方式来表达。但为了这种简单性，我们也付出了高昂的代价，即引入了新的无重量实体。这些都是非常人为的概念，而且与质量这种基本实体没有什么关系。
3.第一个严重困难
现在可以指出应用我们的一般哲学观所遇到的第一个严重困难了。后面我们还会看到，由于这个困难以及另一个更严重的困难，我们关于一切现象都可以作力学解释的信念彻底破灭了。
自从发现电流，电学作为科学技术的一个分支才有了迅猛发展。这里我们看到了科学史上一个极为罕见的例子，表明偶然事件似乎起了关键作用。蛙腿抽搐的故事有诸多不同版本，不管细节的真实性如何，无疑是伽伐尼（galvani）的偶然发现使伏打（volta）在18世纪末发明了所谓的伏打电池。这种电池早已没有什么实际用途，但学校的实验和教科书一直把它作为一个很简单的例子来说明电流的来源。
伏打电池的构造原理很简单。拿几个玻璃杯，里面盛上水和一点硫酸。每一个玻璃杯的溶液中都浸有两个金属片，一为铜片，一为锌片。将一个玻璃杯中的铜片与下一个玻璃杯中的锌片连接起来，只有第一个杯中的锌片和最后一个杯中的铜片没有连接。如果组成电池的装有金属片的玻璃杯即“元件”的数目足够多，我们用较为灵敏的验电器就可以发现第一个杯中的铜片和最后一个杯中的锌片之间有电势差。
仅仅是为了用上述仪器获得某种容易测量的东西，我们才介绍了由若干个装有金属片的玻璃杯组成的电池。而在后面的讨论中，用一个装有金属片的玻璃杯就够了。事实证明，铜的电势比锌更高。这里是在+2比-2更大的意义上使用“更高”的。如果把一个导体连接到那个空着的铜片上，把另一个导体连接到那个空着的锌片上，那么两者都会带电，前者带正电，后者带负电。到这里为止，还没有什么特别新或引人注目的现象出现，我们也许会尝试运用以前关于电势差的观念。我们已经看到，如果用导线把两个电势不同的导体连起来，电势差会迅速消失，因此有电流体从一个导体流向另一个导体。这个过程类似于热流使温度变得相等。但伏打电池的情况也是如此吗？伏打在其实验报告中写道，金属片的行为和导体一样：
……微弱地带电，它们不停地起作用，或者说在每一次放电之后，又会有新的电荷。总而言之，它提供了无穷无尽的电荷，或者说产生了持久的电流体作用或推动。
这个实验的惊人结果是，与两个带电导体用导线连接起来的情况不同，铜片与锌片之间的电势差并没有消失。既然电势差仍然存在，根据电流体理论，它必定会使电流体从高电势（铜片）持续流向低电势（锌片）。在试图挽救电流体理论的过程中，我们可以假定有某个恒常的力使电势差不断再生，从而引起电流体的流动。但是从能量的观点来看，整个现象令人惊讶。在电流通过的导线中产生了相当多的热量，导线若是较细，甚至会被熔化。因此，导线中产生了热能。但是由于外部没有提供能量，整个伏打电池形成了一个孤立系统。如果不想放弃能量守恒定律，就必须查明能量转变发生在何处，热能是如何转变出来的。不难理解，电池内部正在发生复杂的化学过程，溶液本身及浸在溶液中的铜片和锌片都积极参与了这个过程。从能量的观点来看，正在发生的转变链条是这样的：化学能→流动的电流体即电流的能量→热。伏打电池并不能持久，与电流相关的化学变化很快就会使电池失去效用。
大约一百二十年前，奥斯特（oersted）做了一个实验，它实际揭示了应用力学观的巨大困难。这个实验初听上去很奇怪。他报告说：
这些实验似乎表明，借助于一个伽伐尼装置可以使磁针移动位置，但只有在伽伐尼电路闭合时才可以。几年前，一些非常著名的物理学家曾经尝试在电路断开时使磁针移动位置，但没有成功。
假定我们有一个伏打电池和一根导线。如果把导线连接在铜片上，而没有连接在锌片上，那么会有电势差，但不会有电流。把导线弯成一个圈，在其中央放一根磁针，导线和磁针处于同一平面。只要导线不接触锌片，就什么也不会发生。没有力在起作用，现存的电势差对磁针的位置没有任何影响。似乎很难理解为什么奥斯特所说的那些“非常著名的物理学家”会期待有这种影响。
现在把导线连接在锌片上，奇怪的事情立刻发生了。磁针偏离了原先的位置。如果书页代表线圈所在的平面，那么磁针的一极现在将指向读者。这是一个垂直于线圈平面的力作用于磁极所产生的结果。在实验事实面前，我们不可避免会得出这样一个关于力的作用方向的结论。
这个实验之所以有趣，首先是因为它显示了磁性和电流这两种表面上完全不同的现象之间的关系。还有一个方面甚至更为重要。磁极与电流流经的一小部分导线之间的力不是沿着导线与磁针的连线，也不是沿着电流粒子与基本磁偶极子的连线，而是垂直于这些线。按照力学观的看法，我们希望把外在世界的一切作用都归结为同一种力，而现在第一次出现了一种与之不同的力。我们还记得，服从牛顿定律和库仑定律的引力、静电力和磁力都是沿着两个相互吸引或排斥的物体的连线起作用的。
大约六十年前，罗兰（rowland）做了一个精巧的实验，更加揭示了这个困难。抛开技术细节不谈，这个实验可以描述如下。设想有一个带电的小球，沿着圆形轨道迅速移动，圆心处有一根磁针。这个实验原则上与奥斯特的实验并无二致，唯一的区别在于，他没有用普通电流，而是用了一种通过力学方式产生的电荷运动。罗兰发现，实验结果的确类似于电流通过线圈时观察到的结果，一个垂直的力使磁针发生偏转。
现在让电荷运动得更快，作用于磁极的力因此而增大，磁针更加偏离原先的位置。这一结果引出了另一个严重的困难。不仅力不在磁针与电荷的连线上，力的强度还依赖于电荷的速度。整个力学观都基于这样一种信念，认为一切现象都可以通过只依赖于距离而不依赖于速度的力来解释。罗兰的实验结果显然动摇了这个信念。不过我们也许仍然愿意选择保守，在旧观念的框架内寻求解答。
一种理论在顺利发展时，突然遇到了出乎意料的障碍，这种困难在科学上屡见不鲜。有时把旧观念加以简单推广似乎不失为一个好办法，至少暂时是这样。例如在目前的情况下，把之前的观点拓宽，在基本粒子之间引入一些更一般的力似乎就够了。但旧理论往往已经无法修补，困难最终会使之崩溃，新理论随之兴起。把基础看似牢固并且大获成功的力学理论推翻的不只是一根小磁针的行为。更有力的一击来自完全不同的角度，但这是另一个故事，我们以后再谈。
4. 光速
在伽利略的《两门新科学》（two new sciences）中，有一段话是老师和学生们在讨论光速：
萨格雷多（sagredo）：我们应该认为这个光速属于哪一类以及有多大呢？光的运动是瞬时的，还是像其他运动一样需要时间呢？我们能用实验来解决这个问题吗？
辛普里丘（simplicio）：日常经验表明，光的传播是瞬时的，因为当我们看见远处开炮时，闪光无需时间便传到了我们的眼睛，而声音却要经过一段时间才能传到耳朵。
萨格雷多：那么，辛普里丘，由这点熟悉的经验我只能推论出，传到我们耳朵的声音比光传播得更慢；它并没有告诉我光的传播究竟是瞬时的，还是虽然传播极快也总是需要时间……
萨尔维亚蒂（salviati）：诸如此类的观察曾引导我设计出一种方法，由它可以准确地查明光的传播究竟是否是瞬时的……
萨尔维亚蒂进而解释了他的实验方法。为了理解他的想法，让我们设想光速不仅有限，而且很小，光的运动就像在慢动作影片中一样慢下来。甲乙二人各自拿一盏遮住的灯相距1英里站着。甲先打开他的灯。两人事先约定，乙一看见甲的灯就立即打开自己的灯。假定在我们的“慢动作”中，光每秒钟走1英里。甲移去灯上的遮盖物，从而发出一个信号。乙在1秒钟后看到它，并发出一个应答信号。甲在发出自己信号2秒钟之后收到乙的信号。也就是说，假定光速为1英里每秒，那么从甲发出信号到甲收到1英里以外乙的信号需要2秒钟。反过来，如果甲不知道光速，但其同伴是遵守约定的，他注意到自己的灯打开2秒钟之后乙的灯也打开了，他就可以断定光速为1英里每秒。
凭借当时的实验技术，伽利略当然无法以这种方式测定光速。如果距离是1英里，他必须能够检测出10-5秒量级的时间间隔！
伽利略提出了测定光速的问题，但没有解决它。提出一个问题往往要比解决一个问题更重要，解决一个问题也许只是数学或实验技巧上的事情而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，标志着科学的真正进步。正是通过从新的角度原创性地思考业已熟知的实验和现象，我们才得到了惯性原理和能量守恒定律。接下来，我们还会看到很多这样的事例，我们会着重强调从新的角度看待已知事实的重要性，并且会描述一些新理论。
再回到相对简单的光速测定问题。奇怪的是，伽利略没有意识到他的实验可以更为简单准确地做出来。他不必请一位伙伴站在远处，只要在那里安一面镜子就够了，接收到光以后，镜子会立刻自动把信号发送回来。
大约二百五十年后，斐索（fizeau）才使用了这个原理，他第一次通过地面实验测定了光速。在斐索之前，罗默（roemer）已经通过天文学的观测结果测定了光速，但不够精确。
显然，由于光速非常大，要想测量它，所取的距离必须堪比地球与太阳系中另一颗行星的距离，或者大大改进实验技术。罗默采用了第一种方法，斐索则采用了第二种方法。在这些最早的实验之后，这个非常重要的光速数值又被多次测定，而且越来越精确。在20世纪，迈克尔孙（michelson）为此设计了一种非常精巧的仪器。这些实验的结果可以径直表达为：光在真空中的速度约为每秒186000英里或300000公里。
5. 光作为实体
我们再从几个实验事实开始讲起。刚才引用的数值是光在真空中的速度。如果不受干扰，光会以这种速度穿过真空。抽出空玻璃容器中的空气，我们仍然可以透过它看见东西。我们看到行星、恒星、星云，但它们的光是经过真空传到我们眼睛的。无论容器中是否有空气，我们都能透过它看见东西，这个简单的事实表明，空气是否存在是无关紧要的。因此，我们在普通房间做光学实验与在没有空气的地方做实验会得到同样的结果。
一个最简单的光学事实是光沿直线传播。有一个原始而简单的实验可以证明这一点。在点光源前面放置一个开有小孔的屏。点光源是一个非常小的光源，比如在遮住的灯笼上开一个小口。屏上的小孔在远处的墙上将会呈现为黑暗背景上的光斑。下图显示了这个现象与光沿直线传播的关系。所有这些现象，甚至是出现光、影和半影的那些更复杂的情况，都可以通过假设光在真空中或空气中沿直线传播来解释。
再举一个光穿过物质的例子。一束光穿过真空落在玻璃板上，会有什么情况发生呢？如果直线传播定律仍然有效，光束的路径应如图中虚线所示。但实际上并非如此。如图所示，光束的路径偏转了，这种现象被称为折射。把一根棍子的一半浸在水中，这根棍子看起来似乎在中间处折断了，这个众所周知的现象就是折射现象的一个例子。
这些事实已经足以指明应当如何设计一种关于光的简单力学理论了。这里我们旨在说明实体、粒子和力的观念是如何进入光学领域的，以及这种旧的哲学观点最终是如何崩溃的。
这里提出的理论是其最简单、最原始的形式。假定所有发光物体都会发射光的粒子或微粒，这些微粒落在我们眼睛里便产生了光感。为了作出力学解释，我们已经习惯于引入新的实体，因此现在可以毫不犹豫再引入一种。这些微粒必须以已知的速度沿直线穿过真空，并把信息从发光物体带到我们的眼睛。所有展示光的直线传播的现象都支持微粒说，因为给微粒指定的运动正是直线运动。这个理论还对光的镜面反射作了非常简单的解释，认为这种反射就像弹性小球撞在墙上时发生的那种反射一样，此力学实验如下图所示。
对折射的解释要更困难一些。如果不深入细节，我们可以看出作一种力学解释的可能性。例如，假定微粒落在玻璃表面，玻璃中的物质粒子或许会对这些微粒施加一个力，不过奇怪的是，这种力只有在最邻近的物质周围才会起作用。我们知道，任何作用于运动粒子的力都会使粒子改变速度。如果作用于光微粒的净力是垂直于玻璃表面的引力，那么新的运动将会处于原先的路径与垂线之间。这种简单的解释似乎可以保证光的微粒说取得成功，但要确定这个理论的用处和有效范围，就必须研究新的更复杂的事实。
6.颜色之谜
同样是天才的牛顿第一次解释了世界上万紫千红的颜色。以下是牛顿对一个实验的描述：
1666年初，我正在磨制一些非球面的光学玻璃。我做了一个三角形的玻璃棱镜，以便试验那些著名的颜色现象。为此，我把房间弄暗，在窗户上做了一个小孔，让适量的日光透进来。我把棱镜放在光的入口处，使光能够折射到对面的墙上。我第一次看到由此产生的鲜艳浓烈的颜色，真是备感愉悦。
太阳光是“白色”的。经过棱镜之后，它便显示出可见世界中存在的各种颜色。自然本身在彩虹的美丽颜色中再现了同样的结果。很早就有人试图解释这种现象，《圣经》中说，彩虹是神与人立约的签名，在某种意义上，这也是一种“理论”。但它无法令人满意地解释为何彩虹会反复出现，而且总是同雨联系在一起。正是牛顿的伟大工作第一次从科学上处理了整个颜色之谜，并且给出了解答。
彩虹的一条边总是红的，另一条边总是紫的，其间排列着所有其他颜色。牛顿对这种现象的解释是：每一种颜色已经存在于白光中，所有颜色一致地穿过星际空间和大气，呈现出白光的效果。可以说，白光是属于不同颜色的不同种类微粒的混合。在牛顿的实验中，棱镜将它们从空间上分开了。根据力学理论，折射缘于玻璃粒子发出的力作用于光微粒。这些力对不同颜色光微粒的作用是不同的，对紫色光的微粒作用最大，对红色光的微粒作用最小。因此，光离开棱镜时，每一种颜色会沿着不同的路径折射，从而相互分开。在彩虹的情况下，水滴起着棱镜的作用。
现在，光的实体理论比以前更为复杂。光的实体不是一种，而是有很多种，每一种实体都属于不同的颜色。但倘若这个理论不无道理，它的推论就必须与观察相一致。
牛顿实验所揭示的太阳白光中的颜色序列被称为太阳光谱，或者更确切些说，是太阳的可见光谱。像上面那样把白光分解成它的各个组分被称为光的色散。如果这种解释不错，那么用第二个校准的棱镜可以把分开的谱色再次混合起来。这一过程应当正好与前一过程相反，从前已分开的颜色应当可以得到白光。牛顿用实验表明，通过这种简单的方式，的确可以无数次从白光的光谱获得白光，或者从白光获得光谱。这些实验强烈支持一个理论：属于每一种颜色的微粒，其行为都像不变的实体。牛顿写道：
……那些颜色不是新产生的，而是在分开之后才显现出来；因为如果重新把它们混合起来，它们又会组合成分开以前的那种颜色。同理，把各种颜色混合起来所发生的变化并不真实，因为如果把这些不同种类的射线再次分开，它们又会呈现出进入合成之前的那种颜色。我们知道，若把蓝色和黄色的粉末细致地混合起来，肉眼看起来会是绿色，但组分微粒的颜色并不因此而发生实际变化，而只是混合起来罢了。如果用一个良好的显微镜去观察，它们仍会呈现为散布着的蓝色和黄色。
假定我们已经从光谱中隔离出一个窄条，也就是说，在所有颜色当中，我们只让一种颜色通过缝隙，其余的都被屏挡住，那么通过缝隙的光束将是单色光，亦即不能继续分解为进一步组分的光。这是理论的一个推论，很容易用实验来验证。这样一束单色光无论用何种方式都不能进一步分解。单色光的光源很容易获得，比如炽热的钠就会发出单色的黄光。用单色光来做一些光学实验往往很方便，因为这样一来，实验结果会简单得多。
假定突然发生了一件怪事：太阳只射出某种特定颜色的单色光，比如黄光，那么地球上的种种颜色将会立即消失，一切都是黄色或黑色的！该预言是光的实体理论的一个推论，因为新的颜色无法被创造出来。其有效性可以用实验来验证：在一个以炽热的钠为唯一光源的房间里，一切都是黄色或黑色的。世界上万紫千红的颜色反映了组成白光的各种颜色。
在所有这些情况下，光的实体理论似乎都很管用。但它必须为每种颜色引入一种实体，这使我们感到有些不舒服。假定所有光微粒在真空中都有完全相同的速度也显得很人为。
可以设想，有另一组假设、一种性质完全不同的理论也能同样出色地给出一切所需的解释。事实上，我们很快就会看到另一种理论的兴起，它基于完全不同的概念，却能解释同样的光学现象。不过在提出这个新理论的基本假设之前，必须回答一个与这些光学考虑毫无关系的问题。我们必须回到力学，追问：
7.波是什么？
伦敦的一个谣言很快就会传到爱丁堡，尽管没有一个传播谣言的人来往于这两座城市之间。这里涉及两种非常不同的运动，一种是谣言从伦敦到爱丁堡的运动，另一种则是谣言传播者的运动。风经过麦田会泛起波浪，后者掠过整个麦田传播出去。这里我们必须再次区别波的运动和每颗麦穗的轻微摆动。众所周知，把石头丢入池塘会泛起波浪，这些波浪以越来越大的圆圈传播开去。波的运动与水粒子的运动非常不同。粒子只是上下移动。我们观察到的波的运动是物质状态的运动，而不是物质本身的运动。我们从浮在波上的软木塞可以清楚看到这一点，因为软木塞不是被波带着走，而是在仿照水的实际运动上下移动。
为了更好地理解波的机制，我们再考察一个理想实验。假定一个很大的空间中非常均匀地充满着水、空气或其他某种“介质”。中心某处有一个球体，实验之初没有任何运动。突然，球体开始有节奏地“呼吸”起来，体积一胀一缩，但保持球形不变。那么介质中会发生什么呢？我们从球体开始膨胀那一刻开始考察。球体周围最近的介质粒子被外推，致使那一球层水或空气的密度超过其正常值。同样，当球体收缩时，球体周围最近的那部分介质的密度将会减小。这些密度变化会传遍整个介质。构成介质的粒子只作微小的振动，但整个运动却是一个向前行进的波的运动。这里的全新之处在于，我们第一次考察了这样一种东西的运动，这种东西不是物质，而是借助于物质来传播的能量。
利用这个振动球体的例子，我们可以引入两个对描述波至关重要的一般物理概念。第一个概念是波的传播速度。它与介质有关，比如水波的传播速度就不同于空气波的传播速度。第二个概念是波长。海波或河波的波长是从一个波的波谷到下一个波的波谷的距离，或者从一个波的波峰到下一个波的波峰的距离。于是，海波的波长大于河波的波长。而就振动球体所引起的波而言，波长是在某个特定时间显示出最大或最小密度的两个相邻球壳之间的距离。显然，这个距离不单与介质有关。球体的振动速度肯定有很大影响，振动越快波长越短，振动越慢则波长越长。
事实证明，这个波的概念在物理学中非常成功。它肯定是一个力学概念。波的现象可以归结为粒子的运动，而根据运动论，粒子是物质的组分。因此一般来说，任何使用波的概念的理论都可以被视为力学理论。例如，对声学现象的解释本质上便是基于这个概念。声带和琴弦等振动物体都是声波的波源，我们可以像前面解释振动球体一样解释声波在空气中的传播。因此，借助波的概念可以把所有声学现象都归结为力学。
我们已经强调，必须区分粒子的运动和波本身的运动，波只是介质的一种状态。这两种运动非常不同，但是在振动球体的例子中，这两种运动显然都沿着同一直线。介质粒子沿着很短的线段振动，密度则随着这种运动周期性地增减。波的传播方向与振动方向是相同的，这种类型的波被称为纵波。但波只有这一种吗？非也。还有一种波被称为横波。
让我们对前面的例子做些改动。我们把那个球体浸在一种胶状的介质中，而不是浸在空气或水中。此外，球体不再振动，而是先朝一个方向转一个小角度，再朝相反的方向转回来，且始终按照同一节奏围绕确定的轴转动。胶状物粘附在球体上，粘附的部分被迫模仿球体运动。这些部分又迫使更远一点的部分模仿同一运动，如此下去，便在介质中产生了波。如果我们还记得介质运动与波的运动之间的区分，就会发现它们在这里并非处于同一直线。波是沿着球体半径的方向传播的，而各部分介质的运动则垂直于这个方向，这样便形成了横波。
在水面上传播的波是横波。浮在水上的软木塞上下跳动，波却沿着水平面传播。另一方面，声波则是我们最熟悉的纵波的例子。
此外，在均匀介质中，振动球体所产生的波是球面波。之所以这样称呼它，是因为在任一特定时刻，围绕波源的任何球面上的各点都以同样的方式行为。让我们考察距离波源很远的这样一个球面的一部分。这个部分离得越远并且取得越小，它就越像一个平面。如果无需太严格，可以说平面的一部分和半径足够大的球体的一部分并无实质差别。我们常常把距离波源很远的球面波的一小部分称为平面波。图中阴影部分距离球心越远，两个半径的夹角取得越小，就越能体现平面波的特点。和其他许多物理概念一样，平面波的概念也仅仅是一种虚构，只有一定程度的准确性。但这个概念很有用，我们以后还会用到。
8.光的波动说
让我们回忆一下前面中断描述光学现象的原因。我们的目的是要介绍另一种光学理论，该理论不同于微粒说，但也试图解释同一事实领域。为此，我们不得不中断叙事而介绍波的概念。现在我们可以言归正传了。
与牛顿同时代的惠更斯（huygens）提出了一种全新的理论。他在光学论著中写道：
此外，如果我们现在所要考察的光的行进需要时间，那么这种在介质中传播的运动就是相继的；因此，它和声音一样是以球面和波的形式来传播的。我之所以称它为波，是因为它与石头丢在水里所激起的波类似，这些波也是以一个个圆圈相继传播出去的。不过产生这些圆圈是出于另一个原因，而且只在平面上进行。
按照惠更斯的说法，光是一种波，它是能量的迁移而不是实体的迁移。我们已经看到，微粒说解释了许多观察到的事实，光的波动说也能做到这一点吗？我们必须把微粒说已经回答过的问题再问一遍，看看波动说是否也能回答得这么好。这里我们将采用对话的形式，一方是牛顿微粒说的信徒，简称“牛”；另一方则是惠更斯学说的信徒，简称“惠”。事先规定，两人都不许利用这两位老师死后发展出来的论证。
牛：在微粒说中，光速有非常明确的意义，那就是微粒穿过真空的速度。在波动说中它是什么意义呢？
惠：它当然意指光波的速度。人人都知道，波是以某个确定的速度传播的，光波也不例外。
牛：这并不像看起来那么简单。声波在空气中传播，海波在水中传播，每一种波都必须有一种物质性的介质才能在其中传播。但光能穿过真空，声音却不能。假设真空中的波其实等于根本没有假设波。
惠：是的，这是一个困难，不过对我来说并非新的困难。我的老师非常认真地想过这个问题，认为唯一的出路就是假定存在着一种假想的实体——以太，这是一种充斥于整个宇宙的透明介质。可以说，整个宇宙都浸在以太之中。一旦我们有勇气引入这个概念，其他一切就变得清楚而有说服力了。
牛：但我反对这样一个假设。首先，它引入了一种新的假想的实体，而物理学中的实体已经太多了。反对它还有另一个理由。你无疑认为我们必须用力学来解释一切，但以太怎么解释呢？有一个简单的问题你能回答吗：以太是如何由基本粒子构成的，它如何在其他现象中显示自己？
惠：你的第一个反驳当然有道理，但通过引入有些人为的无重量以太，我们立即可以消除那些更加人为的光微粒。我们只有一种“神秘”实体，而不是有无数种实体对应于光谱中极多的颜色。你不觉得这是一种实实在在的进步吗？至少，所有困难都集中在一点上。我们不再需要人为地假设属于不同颜色的粒子都以相同的速度穿过真空。你的第二个反驳也是对的，我们无法对以太作出力学解释，但进一步研究光学现象以及其他现象无疑会揭示出以太的结构。目前我们只能等待新的实验和结论，但我希望我们最终能够解决以太的力学结构问题。
牛：我们先暂时离开这个问题，因为现在无法解决它。即使不考虑那些困难，我也想知道你的理论如何解释那些在微粒说看来非常明白而且容易理解的现象，比如光在真空或空气中沿直线行进。把一张纸放在蜡烛前面，会在墙上产生分明的、轮廓清晰的影子。倘若光的波动说是正确的，那么绝不可能有清晰的影子，因为波会绕过纸的边缘，使影子变得模糊。你知道，海洋中的小船并不能阻挡波，波会径直绕过它而不投下影子。
惠：这个论证并不能让人信服。比如河流中的小波拍击大船侧面，船的一侧产生的波在另一侧就看不到。如果波足够小而船足够大，就会出现一个非常清晰的影子。我们之所以觉得光是沿直线行进的，很可能是因为它的波长远小于普通障碍物以及实验中孔隙的尺寸。如能制作出一个足够小的障碍物，可能就不会出现影子。要制作仪器来表明光能否弯曲，我们可能会碰到很大的实验困难。但如果能设计出这样一个实验，就能对光的波动说和微粒说做一个判决性的结论了。
牛：波动说在未来也许会引出新的事实，但我不知道有什么实验材料能够令人信服地验证它。除非能用实验明确证明光可以弯曲，我看不出有任何理由不相信微粒说。在我看来，微粒说比波动说更简单，因此也更好。
这里对话可以告一段落了，尽管这个话题还没有论述详尽。
我们仍需说明波动说如何解释光的折射和各种颜色。我们知道，微粒说能够做到这一点。我们先从折射开始谈起，但不妨先考察一个与光学无关的例子。
假设有两个人拿着一根坚硬的棍子在一片空旷的场地上走路，两人各执棍子一端。起初他们以相同的速度直着往前走。只要两人速度一样，那么无论速度大小如何，棍子都会作平行的位移，亦即不会改变方向。随后棍子的所有位置都是相互平行的。现在我们设想，在极短的时间之内，也许只有几分之一秒，两人的走路速度不同了，那么会发生什么情况呢？显然，这一瞬间棍子会改变方向，因此不再平行于原先的位置。等到恢复为相等的速度时，棍子的方向已经不同于原来。下图清楚地表明了这一点。方向变化发生在两位行路者速度不同的瞬间。
这个例子使我们能够理解波的折射。一列在以太中穿行的平面波碰到一个玻璃盘。在下图中，我们看到一列具有较大波前的波正在行进。波前是一个平面，该平面上以太的各个部分在任何时刻都以相同的方式行为。由于光速依赖于光所通过的介质，因此光在玻璃中的速度不同于光在真空中的速度。在波前进入玻璃的极短时间内，波前的各个部分将有不同的速度。显然，已经到达玻璃的那部分将以光在玻璃中的速度行进，其他部分则仍以光在以太中的速度行进。由于“浸”入玻璃期间波前的各个部分有不同的速度，波本身的方向就发生了变化。
由此可见，微粒说和波动说都可以解释折射。如果再加上一点数学，我们进一步考察就会发现，波动说的解释更简单、更好，而且推论与观察结果完全相符。事实上，如果知道光束进入介质时是如何折射的，我们凭借定量的推理方法就可以推出折射介质中的光速。直接测量出色地证实了这些预言，从而也证实了光的波动说。
还有一个颜色问题没有解决。
我们还记得，波由速度和波长这两个数值来刻画。光的波动说的主要假设是：不同的波长对应于不同的颜色。黄光的波长不同于蓝色光或紫色光的波长。现在我们有了波长的自然差异，而不必把属于不同颜色的微粒人为地区分开来。
于是，我们可以用微粒说和波动说这两种不同的语言来描述牛顿关于光的色散实验。例如：
微粒语言
属于不同颜色的微粒在真空中速度相同，在玻璃中速度不同。
波的语言
属于不同颜色的波长不同的光线在以太中速度相同，在玻璃中速度不同。
白光是由属于不同颜色的微粒组合而成的，而在光谱中这些微粒被分开了。
白光是由各种波长的波组合而成的，而在光谱中这些波被分开了。
对于同一种现象，存在着两种截然不同的理论。为了避免由此产生的混乱，不妨把两者的优缺点作一番认真思考，然后决定支持哪一种。“牛”与”惠”的对话表明，这绝非易事。此时作出的决定与其说是科学的确证，不如说是品味问题。在牛顿时代以及此后的一个多世纪里，物理学家大都支持微粒说。
直到19世纪中叶，历史才作出了自己的裁决——支持光的波动说，反对光的微粒说。在与“惠”的对话中，“牛”说原则上可以用实验来裁决这两种理论。微粒说不允许光弯曲，要求存在清晰的影子。而根据波动说，足够小的障碍物不会投下影子。杨（young）和菲涅耳（fresnel）用实验实现了这个结果，并给出了理论结论。
我们已经讨论过一个极为简单的实验：将一个有孔的屏放在点光源前面，墙上就会出现影子。我们对这个实验再作些简化，假定光源发射的是单色光。为了得到最好的结果，应当使用强光源，并把屏上的孔做得越来越小。如果使用强光源，并把孔做得足够小，就会出现一种新奇的现象——从微粒说的观点来看，这种现象很令人费解——明与暗之间不再有截然的区分，光渐渐消失于黑暗的背景中，成为一系列亮环和暗环。环的出现正是波动说的典型特征。要想清楚地解释亮环与暗环的交替出现，需要一种略为不同的实验安排。假定有一张黑纸，纸上有两个针孔，光可以从中透过。如果两孔非常接近又非常小，而且单色光源足够强，那么墙上会出现许多亮带和暗带，它们在边上渐渐消失于黑暗的背景中。解释很简单：从一个针孔发出的波的波谷与从另一个针孔发出的波的波峰相遇之处就会出现暗带，因为两者是相互抵消的。而从不同针孔发出的波的两谷或两峰相遇之处就会出现亮带，因为两者是相互加强的。在前面的例子中，我们使用的屏只有一个孔，这里对暗环与亮环的解释要更为复杂，但原理是一样的。我们要牢记，通过两个孔会出现亮带和暗带，通过一个孔会出现亮环和暗环，以后我们还会讨论这两种不同的图像。这个实验显示了光的衍射，即把小孔或小障碍物置于光波的行进路线上时光的直线传播发生的偏离。
借助于一点数学我们还可以走得更远。我们可以计算出波长要多大或者不如说要多小，才能产生某种衍射图样。于是，这里描述的实验能使我们测量出单色光源的波长。要想知道这个数有多么小，可以看看太阳光谱两极的波长，即红光和紫光的波长：
红光的波长是0.00008厘米。
紫光的波长是0.00004厘米。
我们不必惊异于这些数值是如此之小。我们之所以能在自然之中观察到清晰的影子，也就是光的直进现象，仅仅是因为与光的波长相比，我们通常遇到的所有孔隙和障碍物都极为巨大。只有用非常小的障碍物和孔隙才能显示出光的波动性。
然而，对光的理论的寻求还远远没有结束。19世纪的裁决并非最终裁决。对于现代物理学家来说，如何在微粒与波之间作出判断，这个问题依然存在，只不过现在使用的方法要深刻和复杂得多。在没有认识到波动说胜利的可疑性之前，我们先承认微粒说失败了。
9.光波是纵波还是横波？
我们前面考察过的所有光学现象都支持波动说。光会绕过小的障碍物以及对折射的解释都是支持波动说的强有力证据。以力学观为指导，我们意识到还有一个问题需要回答，那就是如何确定以太的力学性质。要想解决这个问题，必须知道以太中的光波是纵波还是横波。换句话说，光是像声音一样传播吗？光波是因介质密度的变化而起，因此粒子沿着传播方向振动吗？还是说，以太类似于一种弹性的胶状物，因此只能产生横波，以太粒子的运动方向与波本身的传播方向垂直？
在解决这个问题之前，我们试着判断一下哪个答案更可取。显然，如果光波是纵波，那就太好了，因为这样一来，设计一种力学以太要简单得多。我们的以太图景大概很像解释声波传播的气体的力学图景。设想以太传播横波就困难多了。要把一种胶状物想象成由粒子组成的传播横波的介质，这绝非易事。惠更斯相信，以太是“气状的”而不是“胶状的”。但大自然很少理会我们给它的限制。在这件事情上，大自然会慷慨地允许物理学家从力学观点来理解所有事件吗？为了回答这个问题，我们必须讨论几个新实验。
我们只详细讨论许多实验中的一个，这个实验能给我们一个答案。假定我们用一种特殊方法切出电气石晶体的薄片。晶体片必须很薄，这样我们才能透过它看到光源。现在，取两个这样的薄片放在我们的眼睛与光源之间，我们会期望看到什么呢？倘若薄片足够薄，我们会再次看到一个光点。实验很可能会证实我们的期望。假定我们不必担心这个结果是偶然造成的，而的确是透过两个晶体片看到光点的。现在我们慢慢转动其中一个晶体片以改变它的位置。转动所围绕的轴必须固定不变，上面这句话才有意义。我们将以入射光所确定的线为轴，也就是说除了轴上各点，我们移动了一个晶体片上所有点的位置。奇怪的事情发生了！光越来越弱，最后完全消失。随着转动的继续，它将重新出现，达到初始位置时，我们又重新看到了最初的景象。
我们不必详述诸如此类的实验就可以提出以下问题：如果光波是纵波，这些现象能够得到解释吗？倘若是纵波，以太粒子会像光束那样沿轴运动。如果晶体转动，则沿轴没有任何东西发生变化。轴上各点并不运动，只有很小的位移在附近发生。对于纵波来说，像光的消失和出现那样的明显变化是绝不可能发生的。只有假定光波不是纵波而是横波，才能解释诸如此类的现象！或者换句话说，我们必须假定以太是“胶状”的。
这真让人遗憾！要想用力学方式描述以太，就必须准备面对极大的困难。
10.以太和力学观
为了理解以太作为光传播介质的力学性质，物理学家们做过各种努力。所有这些努力可以写成一个很长的故事。我们知道，力学构造意味着实体由粒子和力所组成，力沿着粒子的连线起作用，而且只依赖于距离。为把以太构造成一种胶状的力学实体，物理学家不得不作出一些人为的、不自然的假设。这里我们不去引用这些假设，它们早已过时，几乎已经被人遗忘，但结果却重要而有意义。这些假设是那样人为，而且还要引入那么多，彼此之间又毫无关联，所有这些都足以动摇我们对力学观的信念。
对于以太，除了构造所面临的困难，还有其他更简单的反驳。要想用力学方法来解释光学现象，就必须假定以太无处不在。倘若光只能在介质中行进，就不能有空的空间。
但我们从力学中知道，星际空间并不阻碍物体的运动。例如，虽然物质性的介质会阻碍物体的运动，但行星在以太胶状物中运行却没有碰到任何阻碍。如果以太不对物质的运动造成干扰，那么以太粒子与物质粒子之间就不会有任何相互作用。光既穿过以太，也穿过玻璃和水，但是在后面两种物质中，光速却改变了。这一事实如何能用力学方法来解释呢？我们似乎只能假定，以太粒子与物质粒子之间存在着某种相互作用。我们已经看到，对自由运动的物体而言，必须假定这种相互作用不存在。换句话说，在光学现象中以太与物质之间有相互作用，而在力学现象中却没有！这个结论显然非常悖谬。
摆脱所有这些困难似乎只有一条出路。在20世纪以前的整个科学发展过程中，为了尝试从力学观去理解自然现象，必须人为地引入电流体、磁流体、光微粒和以太等一些实体。结果只是把所有困难都集中在几个关键点上，比如光学现象中的以太。以某种简单的方式来构造以太的所有尝试都没有成功，再加上其他反对意见，所有这些似乎都在暗示，错误在于一条基本假设，即可以从一种力学观来解释所有自然现象。科学并没有令人信服地贯彻力学纲领，今天已经没有物理学家相信它有可能实现了。
在上述对主要物理观念所作的简短回顾中，我们遇到了一些尚未解决的问题以及若干困难和阻碍，使我们不敢尝试用一种统一的、前后一致的观点来解释外部世界的一切现象。经典力学中存在着引力质量与惯性质量相等这条未被注意的线索。电流体和磁流体的引入都是人为的。电流与磁针的相互作用也是一个尚未解决的困难。我们还记得，这种力不在导线与磁极的连线上起作用，而且依赖于运动电荷的速度。描述它的方向与大小的定律极为复杂。最后还有以太所导致的巨大困难。
现代物理学已经处理和解决了所有这些问题，但是在解决这些问题的过程中又产生了新的更深刻的问题。如今，我们的知识要比19世纪的物理学家更为深广，但我们的疑惑与困难也是如此。
总结：
无论是旧的电流体理论，还是光的微粒说和波动说，都是应用力学观的进一步尝试。但在电学现象和光学现象的领域中，这种应用遇到了极大的困难。
运动电荷对磁针的作用力不仅依赖于距离，而且依赖于电荷的速度。这种力对磁针既不排斥也不吸引，而是垂直于磁针与电荷的连线起作用。
在光学中，我们不得不支持光的波动说，反对光的微粒说。波在由粒子组成的介质中传播，并且有机械力作用于二者之间，这显然是一种力学观念。但传播光的介质到底是什么呢？它的力学性质又是怎样的？在这个问题得到解决之前，要把光学现象归结为力学现象是没有希望的。但解决这个问题遇到了极大的困难，我们不得不将其放弃，因而也不得不放弃力学观。