由光本質引發的三次“波粒戰爭”

Maylany

想不到，這本在家里躺了多年的書——《上帝擲骰子嗎？——量子物理史話》，曾經因為名字被勸退。最近硬著頭皮一翻，卻發現“真香”。物理于我，簡直是初高中學習生涯的陰影。高中畢業距現在近二十年了，物理早就與我的文科腦絕緣了。哪里想到，這本書不僅喚醒了我的“物理腦”，還讓我感嘆，如果當初有人能用這樣簡單直白的語言讓我搞懂那些定理原理公式，它一定不會成為我的噩夢。不得不說，我對于理科的理解能力，只能止步于曹天元這樣的最簡單的比方，最通俗易懂的文字的水平。 這本書足足有470多頁，拿在手里沉甸甸的，一般來說，我對于厚如磚頭的書都挺抵觸的，可是這本書讓我又打破了自己的一個心魔，真是神奇。這兩天斷斷續續讀了五章，算是把三次波粒戰爭的前因后果都看到了。這里，我用我的理解再簡單說一下這三次戰爭。 在說這三次戰爭之前，兩派的觀點先簡單了解一下。 早在15世紀，人們對光的行為了如指掌，卻對其本質是什么依然難以回答。 古希臘時代，認為光是由光原子組成，這解釋了光的直線傳播，反射折射，但解釋不了為什么兩束光互相碰撞的時候不會彈開？光粒子在點上燈火之前藏在何處，數量有多少等。這就是最初的微粒說。 在人們認識到聲音是一種波的時候，笛卡爾率先提出光是一種波的這種可能。格里馬第通過小孔成像提出最早的波動說。這種說法解釋了光束互不干擾的問題，卻無法說明傳播介質。于是假設了一種不為人知的介質——以太。 第一次波粒戰爭 導火索：1663年，波義爾提出一種理論——我們看到的各種顏色，其實并不是物體本身的屬性，而是光照上去才產生的效果。 開端：助手胡克重復格里馬第的工作，在1665年出版的《顯微術》中明確支持波動說，讓波動說占了上風。 發展：1672年牛頓光散射實驗，得出白光由七彩光混合而成，并提出理論：光的復合和分解是不同顏色的微粒的混合和分開。引發胡克強烈抨擊。牛頓也憤而反攻，完全倒向微粒說。 高潮：惠更斯繼承胡克思想，用波動理論成功證明和推導了光的反射和折射。并在1675年輕易占領了“牛頓環”開辟的領地。波動說達到鼎盛。 結局：胡克死后，牛頓成為皇家學會主席，發表巨著《光學》，從粒子的角度解釋了光的種種現象，駁斥了波動理論，并將其與自己的力學體系結合在一起，完成了對波動派摧枯拉朽般的打擊。波動說群龍無首，被迫轉入地下，長達一個世紀抬不起頭來。 第二次波粒戰爭 導火索：托馬斯·楊的“光的雙縫干涉”實驗。 開端：波軍的巧妙實驗從數據到現象簡單直接，微粒無法解釋，節節敗退。 發展：粒軍以攻代守，對波動說不利的陸續證據被提出，如馬呂斯的偏振現象。 高潮：1819年，在由微粒說的擁護者組成的評委團的科學競賽中，菲涅爾以嚴密的數學推理，用波動理論完美解釋了光的衍射問題。最終獲得了那一屆的科學獎。圓盤陰影正中的亮點成為波軍的重要武器。菲涅爾又提出光是一種橫波，又完美解釋了偏振現象。 結局：1850年傅科實驗證明光在水中速度慢于在真空中的速度，徹底宣判微粒說死刑。 后續：1856年麥克斯韋關于電磁理論的發表，預言光其實是電磁波的一種。波動說達到光輝的頂點。 盡管這一時期戰爭不斷，但卻是經典物理的黃金時代：完美的電磁理論（經典電磁力學）、偉大堅固的牛頓力學體系（經典力學）、熱力學三大定律已有雛形（經典熱力學）。物理學似乎已經盡善盡美。但卻有的兩朵“烏云”（困境）籠罩在熱和光動力理論上空，一朵是邁克爾—雷莫實驗的失敗，光以太作為支撐經典物理學大廈的支柱被否定；另一朵是黑體輻射實驗和理論的不一致。第一朵烏云，最終導致了相對論革命的爆發；第二朵烏云，最終導致了量子論革命的爆發。 第三次波粒戰爭 導火索：愛因斯坦從普朗克的量子假設出發，提出光量子假說。讓沉寂了一個世紀的微粒大軍死灰復燃。 開端：湯姆遜想象出“葡萄干布丁”的原子模型，他的學生盧瑟福想要用散射實驗驗證原子的大小和性質，卻發現了其中有些粒子的散射角度偏差較大，于是修改這一模型為行星模型，但這一模型卻會導致原子自身的坍縮。玻爾在其基礎上引入量子概念，能解釋電子的運行方式，卻不明白為什么這樣。粒子大軍遇到難題，反復修補。 發展：德布羅意根據愛因斯坦的相對論，假設電子有質量，推斷出電子具有內在頻率，所以電子在前進時伴隨著一個波。他稱之為“相波”。波軍又有了新的武器。 高潮：戴維遜用電子束轟擊金屬鎳時偶然發現，被鎳塊散射的電子，行為和X射線一模一樣，從而證明了德布羅意假說。這將第三次波粒戰爭推向高潮，戰爭全面升級，從光到底是粒子還是波到整個物質世界是粒子還是波。 結局：威爾遜云室可以清晰看到電子的運行情況，進一步肯定了康普頓的論據，波特和蓋革的實驗也再一次有力支持了光量子假說，愛因斯坦在玻色思想——光可以看作不區分的粒子的集合——的基礎上，發展出了玻色-愛因斯坦統計方法，確定了微粒在光領域的里程碑式勝利。但這些，仍然解釋不了光的雙縫干涉。戰場再次陷入僵持。 　　正是在這樣的僵封階段，量子物理才漸漸從混沌中看到微光。后來的物理學家們相繼登場，精彩的量子物理開始登上歷史舞臺。

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