波-粒大战之一（《量子物理史话》梗概与更改）

关于光的本质-即光是微粒还是波，在历史上发生了旷日持久的大战，经过数次较量，最后握手言和，尘埃落定，他们昔日各自的辉煌也成了人们饭后茶余的历史佳话。如所周知，这场战争的最终结论是：光即不单是微粒，也不单是波，光具有波-粒二象性，它既具有粒子性又具有波动性。这一既辩证又中庸的结论，今天已经得到了举世公认，似乎没有波-粒两大阵营之分了，没有人再宣称自己是波动派还是粒子派。然而，“战后”的物理学家们仍然保留着波-粒两分的倾向性却是一个不争的事实，这主要是因为物理学并没有完全实现光的波-粒统一的数学表达，特别是相对论和量子力学至今没有融合统一。这场战事还要继续下去，所不同的是不再是派别之争，而是各自发挥优势特长，以求得波-粒统一和物理学的大一统。
                                     
                                                            原始的统一：粒子说
     
        光，是每个人见得最多的东西(“见得最多”在这里用得真是一点也不错)。自古以来，它就被理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一。在远古的神话中，往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗，于是世界开始了运转。光在人们的心目中，永远代表着生命，活力和希望。在《圣经》里，神要创造世界，首先要创造的就是光，可见它在这个宇宙中所占的独一无二的地位。
　      可是，光究竟是一种什么东西？或者，它究竟是不是一种“东西”呢？
　      远古时候的人们似乎是不把光作为一种实在的事物的，光亮与黑暗，在他们看来只是一种环境的不同罢了。只有到了古希腊，科学家们才开始好好地注意起光的问题来。有一样事情是肯定的：我们之所以能够看见东西，那是因为光在其中作用的结果。人们于是猜想，光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西，当它到达某样事物的时候，这样事物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒(Empedocles)就认为世界是由水、火、气、土四大元素组成的，而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒(Aphrodite)用火点燃的，当火元素(也就是光。古时候往往光、火不分)从人的眼睛里喷出到达物体时，我们就得以看见事物。
　      但显而易见，这种解释是不够的。它可以说明为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不行；但它解释不了为什么在暗的地方，我们即使睁着眼睛也看不见东西。为了解决这个困难，人们引进了复杂得多的假设。比如认为有三种不同的光，分别来源于眼睛，被看到的物体和光源，而视觉是三者综合作用的结果。
　      这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代，伟大的学者卢克莱修(Lucretius)在其不朽著作《物性论》中提出，光是从光源直接到达人的眼睛的，但是他的观点却始终不为人们所接受。对光成像的正确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科学家阿尔*哈桑(al-Haytham)所提出：原来我们之所以能够看到物体，只是由于光从物体上反射到我们眼睛里的结果。他提出了许多证据来证明这一点，其中最有力的就是小孔成像的实验，当我们亲眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像，我们就无可怀疑这一说法的正确性了。
　      关于光的一些性质，人们也很早就开始研究了。古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面，当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论，我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的，首先它就可以很好地解释为什么光总是沿着直线前进，为什么会严格而经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度变化而得到解释。基于光总是走直线的假定，欧几里德(Euclid)在《反射光学》(Catoptrica)一书里面就研究了光的反射问题。托勒密(Ptolemy)、哈桑和开普勒(Johannes Kepler)都对光的折射作了研究，而荷兰物理学家斯涅耳(W.Snell)则在他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后，光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费尔马(Pierre de Fermat)所归结为一个简单的法则，那就是“光总是走最短的路线”。几何光学终于作为一门物理学科被正式确立起来。
        几何光学的思想基础就是光的“微粒”学说。在此前时期，“微粒”学说平静得漫步在物理学原始的旷野。
                                    
                                                             “波动说”的诞生
    
        粒子说也有一些显而易见的困难：比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开，人们也无法得知，这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处的，它们的数量是不是可以无限多，等等。
  　    当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究，声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们开始怀疑：既然声音是一种波，为什么光不能够也是波呢？十七世纪初，笛卡儿(Des Cartes)在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出了这样的可能：光是一种压力，在媒质里传播。不久后，意大利的一位数学教授格里马第(Francesco Maria Grimaldi)做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射，于是提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说 。
        波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下水波，它不是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果。光的波动说容易解释投影里的明暗条纹，也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题，人们很快就认识到光的波长是很短的，在大多数情况下，光的行为就犹同经典粒子一样。而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题，那就是任何波动都需要有介质才能够传递，比如声音，在真空里就无法传播。而光则不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。举一个简单的例子，星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球，这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字，叫做“以太”(Aether)。
  　    就在这样一种奇妙的气氛中，光的波动说登上了历史舞台。

                                                               第一次波-粒之战
    
        导致“第一次波-粒战争”爆发的导火索是波义耳在1663年提出的一个理论。他认为我们看到的各种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产生的效果。这个论调本身并没有关系到微粒波动什么事，但是却引起了对颜色属性的激烈争论。
  　    在格里马第的眼里，颜色的不同，是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克(Robert Hooke)的兴趣。胡克本来是波义耳的实验助手，他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他的判断，光必定是某种快速的脉冲，于是他在1665年出版的《显微术》(Micrographia)一书中明确地支持波动说。
        1672年，艾萨克*牛顿向皇家学会评议委员会递交了一篇论文，名字叫做《关于光与色的新理论》。其内容是关于他所做的光的色散实验的，这也是牛顿所做的最为有名的实验之一。实验室里一片漆黑，只有一束亮光从一个特意留出的小孔里面射进来，每当三棱镜被插进去的时候，原来的那束白光就不见了，而在屋里的墙上，映射出了一条长长的彩色宽带：颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个实验，得出了白色光是由七彩光混合而成的结论。把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波义耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称，牛顿论文中正确的部分(也就是色彩的复合)是窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不值一提。
  　    但是，一方面因为胡克的名气，另一方面也因为牛顿的注意力更多地转移到了运动学和力学方面，牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说(只是在几篇论文中反驳了胡克)。而这时候，波动方面荷兰物理学家惠更斯(Christiaan Huygens)成为了波动说的主将。
  　    惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的，他继承了胡克的思想，认为光是一种在以太里传播的纵波，并引入了“波前”的概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。他的波动理论虽然还十分粗略，但是所取得的成功却是杰出的。当时随着光学研究的不断深入，新的战场不断被开辟：1665年，牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜照射到光学平玻璃板上，会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹，也就是著名的“牛顿环”。到了1669年，丹麦的巴塞林那斯(E.Bartholinus)发现当光在通过方解石晶体时，会出现双折射现象。惠更斯将他的理论应用于这些新发现上面，只需要作了小小的改制(比如引进椭圆波的概念)。1690年，惠更斯的著作《光论》出版，标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。
        胡克去世后的第二年，也就是1704年，牛顿出版了他的煌煌巨著《光学》。在这本划时代的作品中，牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论，质疑如果光如同声波一样，为什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究，提出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难，牛顿则以他的天才加以解决。他从波动对手那里吸收了许多东西，比如将波的一些有用的概念如振动，周期等引入微粒论，从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方面，牛顿把粒子说和他的力学体系结合在了一起，于是使得这个理论顿时呈现出无与伦比的力量。
        牛顿作为光学界的泰斗，他的才华和权威是不容质疑的，第一次波-粒战争就以波动的惨败而告终。
    
                                                              第二次波-粒之战
        一个世纪过去了，牛顿体系的地位已经是如此地崇高，令人不禁有一种目眩的感觉。而他所提倡的光是一种粒子的观念也已经是如此地深入人心，以致人们几乎都忘了当年它那对手的存在。
  　    1773年托马斯*杨诞生，19岁的时候，受到他那当医生的叔父的影响，决定去伦敦学习医学。杨研究了人体上眼睛的构造，开始接触到了光学上的一些基本问题，并最终形成了他的光是波动的想法。杨的这个认识，是来源于波动中所谓的“干涉”现象。
  　    我们都知道，普通的物质是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是两滴水，而不会一起消失。但是波动就不同了，一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果两列波相遇，当它们正好都处在高峰时，那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值，如果都处在低谷时，叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的谷底呢？答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇(物理上叫做“反相”)，那么在它们重叠的地方，将会波平如镜，既没有高峰，也没有谷底。
  　    托马斯*杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，被这个关于波动的想法给深深打动了。为什么会形成一明一暗的条纹呢？一个思想渐渐地在杨的脑海里成型：用波来解释不是很简单吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同相”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，结果造成了两倍光亮的效果；而黑暗的那些条纹，则一定是两道光处于“反相”，它们的波峰波谷相对，正好互相抵消了。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已，他马上着手进行了一系列的实验，并于1801年和1803年分别发表论文报告，阐述了如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据，计算出了光的波长应该在1/36000至1/60000英寸之间。
  　    在1807年，杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。
  　    杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的干涉条纹。
　　    杨的著作点燃了革命的导火索，物理史上的“第二次波-粒战争”开始了。
        这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿，几乎无法反驳。无论微粒怎么样努力，就是难以说明两道光叠加在一起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的：两个小孔距离屏幕上某点的距离会有所不同。当这个距离是波长的整数值时，两列光波正好互相加强，就形成亮点。反之，当距离差刚好造成半个波长的相位差时，两列波就正好互相抵消，造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。
  　    在节节败退后，微粒终于发现自己无法抵挡对方的进攻。于是它采取了以攻代守的战略。许多对波动说不利的实验证据被提出来以证明波动说的矛盾。其中最为知名的就是马吕斯(Etienne Louis Malus)在1809年发现的偏振现象，这一现象和已知的波动论有抵触的地方。两大对手开始相持不下，但是各自都没有放弃自己获胜的信心。杨在给马吕斯的信里说：“……您的实验只是证明了我的理论有不足之处，但没有证明它是虚假的。”
        1818年法国科学院举行悬赏征文竞赛。竞赛的题目是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情况。竞赛评委会由许多知名科学家组成，这其中包括比奥(J.B.Biot)、拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)和泊松(S.D.Poission)，都是积极的微粒说拥护者。组织这个竞赛的本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动，以打击波动理论。
  　    但是戏剧性的情况出现了。一个不知名的法国年轻工程师--菲涅耳向组委会提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。在这篇论文里，菲涅耳采用了光是一种波动的观点，但是革命性地认为光是一种横波(也就是类似水波那样，振子作相对传播方向垂直运动的波)而不像从胡克以来一直所认为的那样是一种纵波(类似弹簧波，振子作相对传播方向水平运动的波)。从这个观念出发，他以严密的数学推理，圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。他的体系完整而无缺，以致委员会成员为之深深惊叹。泊松并不相信这一结论，对它进行了仔细的审查，结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间将会出现一个亮斑。这在泊松看来是十分荒谬的，影子中间怎么会出现亮斑呢？这差点使得菲涅尔的论文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果(Fran?ois Arago)在关键时刻坚持要进行实验检测，结果发现真的有一个亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置亮度和理论符合得相当完美。圆盘阴影正中的亮点(后来被相当有误导性地称作“泊松亮斑”)成了波动军手中威力不下于干涉条纹的重武器，给了微粒势力以致命的一击。到了19世纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对。
  　    在1819年的5月6日，傅科(Foucault，他后来以“傅科摆”实验而闻名)向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后，他也进行了水中光速的测量，发现这个值小于真空中的速度。波动论终于在100多年后革命成功，第二次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。
    
                                                           电磁理论的诞生 
    
        但是波动内部还是有一个小小的困难，就是以太的问题。光是一种横波的事实已经十分清楚，它传播的速度也得到了精确测量，这个数值达到了30万公里/秒，是一个惊人的高速。通过传统的波动论，我们必然可以得出它的传播媒介的性质：这种媒介必定是十分地坚硬，比最硬的物质金刚石还要硬上不知多少倍。然而事实是从来就没有任何人能够看到或者摸到这种“以太”，也没有实验测定到它的存在。星光穿越几亿亿公里的以太来到地球，然而这些坚硬无比的以太却不能阻挡任何一颗行星或者彗星的运动，哪怕是最微小的也不行！
　　    波动对此的解释是以太是一种刚性的粒子，但是它却是如此稀薄，以致物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力，“就像风穿过一小片丛林”(托马斯?杨语)。以太在真空中也是绝对静止的，只有在透明物体中，可以部分地被拖曳(菲涅耳的部分拖曳假说)。
  　    这个观点其实是十分牵强的，但是波动说并没有为此困惑多久。因为更加激动人心的胜利很快就到来了。伟大的麦克斯韦于1856、1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文，这是一个开天辟地的工作，它在牛顿力学的大厦上又完整地建立起了另一座巨构，而且其辉煌灿烂绝不亚于前者。麦克斯韦的理论预言，光其实只是电磁波的一种。这段文字是他在1861年的第二篇论文《论物理力线》里面特地用斜体字写下的。
       1887年德国的海因里希*鲁道夫*赫兹在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里专心致志地摆弄他的仪器。赫兹的装置在今天看来是很简单的：它的主要部分是一个电火花发生器，有两个相隔很近的小铜球作为电容。赫兹全神贯注地注视着这两个相对而视的铜球，然后合上了电路开关。顿时，电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装置里的感应线圈，并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置，在心里面想象着电容两段电压不断上升的情形。在电学的领域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是有充分信心的，他知道，随着电压的上升，很快两个小球之间的空气就会被击穿，然后整个系统就会形成一个高频的振荡回路(LC回路)，但是，他现在想要观察的不是这个。
  　    果然，过了一会儿，随着细微的“啪”的一声，一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间，整个系统形成了一个完整的回路，细小的电流束在空气中不停地扭动，绽放出幽幽的荧光。
　　    赫兹反而更加紧张了，他盯着那串电火花，还有电火花旁边的空气。他不是要看这个装置如何产生火花短路，他这个实验的目的，是为了求证那虚无飘渺的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊，它看不见，摸不着，到那时为止谁也没有见过，验证过它的存在。可是，赫兹是坚信它的存在的，因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言：不管理论怎样无懈可击，它毕竟还是要通过实验来验证的。他站在那里看了一会儿，在心里面又推想了几遍，终于确定自己的实验无误：如果麦克斯韦是对的话，那么在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场，同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去，在实验室的另一边，放着一个开口的铜环，在开口处也各镶了一个小铜球。那是电磁波的接收器，如果电磁波真的存在的话，那么它就会穿越这个房间到达另外一端，在接收器那里感生一个振荡的电动势，从而在接收器的开口处也激发出电火花来。
　　    实验室里面静悄悄地，赫兹一动不动地站在那里，仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越。铜环接受器突然显得有点异样，赫兹简直忍不住要大叫一声，他把自己的鼻子凑到铜环的前面，明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里闪烁。赫兹飞快地跑到窗口，把所有的窗帘都拉上，现在更清楚了：淡蓝色的电花在铜环的缺口不断地绽开，而整个铜环却是一个隔离的系统，既没有连接电池也没有任何的能量来源。赫兹注视了足足有一分钟之久，在他眼里，那些蓝色的火花显得如此地美丽。终于他揉了揉眼睛，直起腰来：现在不用再怀疑了，电磁波真真实实地存在于空间之中，正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了，成功地解决了这个8年前由柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题；同时，麦克斯韦的理论也胜利了，物理学的一个新高峰--电磁理论终于被建立起来。伟大的法拉第(Michael Faraday)为它打下了地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体，而今天，他--伟大的赫兹--为这座大厦封了顶。
        根据实验数据，赫兹得出了电磁波的波长，把它乘以电路的振荡频率，就可以计算出电磁波的前进速度。这个数值精确地等于30万公里/秒，也就是光速。麦克斯韦惊人的预言得到了证实：原来电磁波一点都不神秘，我们平时见到的光就是电磁波的一种，只不过它的频率限定在某一个范围内，而能够为我们所见到罢了。
　　    无论从哪一个意义上来说，这都是一个了不起的发现。古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面，而“光是电磁波的一种”的论断，也终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论。电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了，这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性，无疑是电磁理论的一个巨大成就。。
        波动说现在是如此地强大，凭借着麦氏理论的力量，它已经彻底地将微粒打倒，并且很快就拓土开疆，建立起一个空前的大帝国来。不久后，它的领土就横跨整个电磁波的频段，从微波到X射线，从紫外线到红外线，从γ射线到无线电波……普通光线只是它统治下的一个小小的国家罢了。（未完待续）

  最后修改于 2007-08-17 10:44   阅读(115)评论(0)

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