世界究竟是粒子还是波?这是一场纠结了几个世纪的战争

1远古之战

光,是每个人见的最多的东西。自古以来,它就理所当然的被认为是这个宇宙中最原始的事物之一。在远古神话中,总是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗。

古希腊的时候,人们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。当时的人为啥这么想呢,其实最主要的原因还是古代的人们对除了粒子以外的其他的物质形式不是很清楚。

当黑暗的中世纪过去之后,波动现象被深入的研究和了解。声音是一种波动的观念深入人心,人们开始怀疑:既然是一种波,那么光为什么不能是一种波呢?但是波动说有一个基本的难题:既然波本身是介质的振动,那它必须在某种介质中才能传播,比如声音可以沿着空气振动,但在真空中就无法传播。而光则不然,它似乎不需要任何介质就可以任意的前行。为了解决这个难题,一个叫做的“以太”的充满整个宇宙的超级牛逼的介质就这样出现了。

就在这样一个奇妙的氛围中,光的波动说登上了历史舞台。这个新生力量似乎是粒子说的前世冤家。它们俩展开了一个长达数个世纪之久的战争。

2第一次波粒大战

从初中到高中的所有历史课上凡有战争,必有导火索,这次物理学上的大战也不例外:波义耳在1663年提出了一个理论,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。这个论调本来和微粒波动没有半毛钱关系,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,是由于光波频率的不同引起的。他的实验引起了罗伯特.胡克的兴趣。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。波动说由于胡克这位牛人的加入,一时间占了上风。

然而,在冥冥之中,上天给波动说安排了一个异常牛逼的对手,他叫艾萨克.牛顿。牛顿当时才29岁出头,正准备大展拳脚。在写给英国皇家学会秘书的信里,他介绍了他关于光和色的理论,说白了就是那个关于光的色散的实验。

大多数科普读物都是这样介绍这个实验的情景的:在一个炎热难忍的夏天,牛顿戴着厚重的假发待在一间小屋里。窗户全都被封死了,窗帘也都被拉上了,屋子又闷又热,一片漆黑,只有一束亮光从一个特意留的小孔里射了进来。牛顿身上汗如雨下,他把手里的一个三棱镜插进一个小孔里,原来的那束白光不见了,而在屋里的墙上,映射出一条常常的彩色宽带:颜色从红到紫。

当然真实的情况是不是这样,其实蛮难说的,但是大致情况应该不会差太多吧。正是凭借这个实验,牛顿得出了白色光是由七彩光混合而成的。在牛顿的理论里,光的复合和分解被比喻成不同颜色微粒的混合和分开。

胡克这个爆脾气的小伙计对牛顿的观点进行了猛烈的抨击,声称牛顿论文中正确的部分是窃取的他的想法,而牛顿“原创”的微粒说则不值一提。这一批评不要紧,让本来还在波动和微粒之间摇摆不定的牛顿彻底倒向了微粒说,牛顿表示:听说你不服。

胡克死后第二年,牛顿出版了他的巨著《光学》,在时间上,这是一次精心安排的战术,因为其实这本书早就写完了。在打击报复这件事情上,牛顿真是不遗余力。在这本书中,牛顿详细阐述了光的复合和分散,从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射试验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论:为什么光无法像声音那样绕开障碍物前进。而在粒子方面的基本困难,牛顿则加以天才的解释。他从波里吸收了许多东西,比如将波的一些有用的概念如振动、周期等引入微粒论,从而很好的解决了牛顿环的问题。在另一方面,牛顿把微粒说和他的力学体系结合了起来,一时间让这个理论呈现出了无与伦比的力量。

这完全是一次摧枯拉朽的打击,当时的牛顿早已不是那个年轻的牛顿。那时的牛顿早已经出版了《原理》,创立了微积分,那时的牛顿已经成为了神话般的人物。

第一战:粒子说胜利。

世界究竟是粒子还是波?这是一场纠结了几个世纪的战争

3第二次波粒大战

转眼间,一个世纪快要过去了,牛顿所提倡的光是一种粒子的观念早已深入人心,以致于人们都快要忘记了它的对手的存在。

然而,1773年6月13日,英国一个教徒的家庭里天降伟人,他叫托马斯.杨。这个未来反派的领袖的成长史真心是一个“励志”故事:他2岁就能够阅读各种经典,6岁时开始学习拉丁文,14岁时用拉丁文写过一篇自传,到了16岁时他已经能够讲10种语言。

然而,他年轻时候的牛逼事迹也只是他生命中的小小陪衬,他的人生才刚刚开始。

托马斯.杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候,被波动的想法深深打动了。“为什么会形成一明一暗的条纹呢?”他想:“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“同向”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;而暗的那些条纹,则一定是两道光正好处于“反向”,它们的波峰波谷相对,正好相互抵消了。“

为了验证个这个想法,他立即进行了一系列实验,其中有一个实验名扬海外:光的双缝干涉。(小伙伴们在高中课本中一定学过这个实验吧)

废话不多说,直接上图:

世界究竟是粒子还是波?这是一场纠结了几个世纪的战争

实验是这样滴:把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前边,这样就形成了一个点光源,现在在纸后边再放一张纸,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。

杨的著作点燃了革命的导火索,物理学史上的”第二次波粒大战“开始了。高傲的微粒仍然沉浸在牛顿时代的光荣里,并不把波动军团放在眼里,然而后来他们发现干涉条纹这门超级大炮的威力着实惊人,无论微粒怎么努力,也无法躲开它的无情轰炸:微粒军团无论怎么努力,也无法说明两道光叠加在一起怎么反而会造成黑暗,而波动方面则可以轻而易举的解释。

在节节败退之后,微粒方面展开了猛烈的反击,其中最著名的就是1809年马吕斯提出的偏振现象,然而这并不能打败波动军。

决定性的时刻在1819年到了。1818年,法国科学院举办了一个悬赏征文竞赛,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运动情况。竞赛评委会由许多科学家组成,大都是微粒说的拥护者。

然而戏剧性的一幕出现了,一个不知名的法国工程师——菲涅尔向组委会提交了一篇论文。在这篇论文里,菲涅尔采用了光是一种波动的观点,并以严密的推理圆满的解释了光的衍射问题。然而泊松并不相信这一结论,对它进行了仔细的审查,结果发现当他把这个理论应用于圆盘衍射的时候,将会在阴影中间出现一个亮斑。这差点使得论文夭折,但是评委之一的阿拉果坚持要做实验验证,结果真的出现了一个亮斑,和理论预测的分毫不差。

这个亮斑后来被相当误导性的称谓”泊松亮斑“,然而这并不影响结果,菲涅尔的理论成为了第二次波粒战争的决定性事件。当然,还有一个问题要解决:偏振问题。1821年,菲涅尔发表了题为《关于偏振光线的相互作用》的论文,用横波理论成功的解释了偏振现象,攻克了战役中最难以征服的据点。

到了19世纪,微粒说唯一能够挽回战局的就是光速在水中的测定结果了。因为根据微粒理论,这个速度应该比真空中的光速要快,而根据波动论,这个速度应该比真空中要慢才对。1819年5月6日,傅科向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告:他发现水中的光速要小于真空中的光速,后者只有前者的3/4.。

这一结论彻底宣布了微粒说的死刑。

第二战:波动说胜利。

3第三次波粒大战

1900年12月14日,这一天是“量子”的诞辰,量子这个幽灵从普朗克的方程中脱胎而出,开始在欧洲上空飘荡。然而,如果你认为量子从一诞生开始就是以一副救世主的姿态出现的话,那你就大错特错了,实际情况是一开始,根本没人理它。因为如果量子理论是正确的话,首当其冲的就是麦克斯韦的电磁场论,但是麦氏理论看起来是那样的完美无瑕,又是那样的深入人心,不容置疑。

直到有一天,一个叫做光电效应的物理现象被提了出来,发现无论如何也无法用经典的电磁场论来解释,换句话说,用经典理论得出的结论总是和实验结果完全相反,令人费解。

1905年,在瑞士的伯尔尼专利局,一位26岁的小公务员在光电效应上停留下来,这个人的名字叫阿尔伯特.爱因斯坦。于是,一瞬间电闪雷鸣,暴风雨即将到来。

1905年,爱因斯坦阅读了关于普朗克的大量论文,量子化的概念深深的打动了他,凭着一种直觉,他感到,对于光来说,量子化也是一种必然的趋势。爱因斯坦写道:根据这种假设,从一点所发出的光线在不断扩大的空间中传播时,它的能量不是连续分布的,而是由一些数目有限的,局限于空间中某个地点的“能量子”所组成的,这些能量子是不可分割的,他们只能整份的被吸收或者发射。“组成光的能量的这种最小的基本单位,爱因斯坦后来把它们叫做”光量子“。

爱因斯坦后来因为对光电效应的神级解释而获得了诺贝尔物理学奖,然而这并不重要,因为,小伙伴们有没有发现一个问题:光量子是个什么鬼?难道我们不是很清楚的已经下结论光是一种波动吗?光量子是个什么概念?

也许这就是宿命的轮回,在绕了一大圈后,又回到了起点。第三次波粒大战一触即发。这一次的战争与前两次不同,前两次只是关于光的,而这一次将撼动整个物理世界。

卷土重来的微粒军团携光电效应和康普顿效应猛烈进攻,波动军团节节败退,但是波动军团苦心经营的阵地也不是那么容易攻破的。托马斯.杨的两道光依然不屈不挠的显示出明暗相间的干涉条纹来,泊松亮斑依然在阴影的正中间出现,麦克斯韦的电磁场论依然优雅的给出准确的预言。

战局很快就陷入了僵局,双方都在自己得心应手的阵地之内,谁也无力去占领对方的地盘。

1912年,玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇上结婚,随后他们前往英国展开蜜月,当然,有一个人是不能不去拜访的,他的老朋友——卢瑟福教授。

虽然是在蜜月期,原子和量子的图景还是没能从玻尔的脑海中消失,现在玻尔必须做出选择:要么放弃卢瑟福模型,要么放弃麦克斯韦的经典理论,和很多电视剧的剧情差不多,玻尔选择放弃后者,放弃了过去的老的理论,选择了新的革命性的理论。

玻尔根据巴尔末公式有了一个大胆的想法(关于这个巴尔末公式不提也罢,已经成为历史尘埃了):原子内部只能释放特定量的能量,说明电子只能在特定的”势能位置“之间转换。也就是说,电子只能按照某些”确定的“轨道运行,这些轨道,必须符合一定的势能条件,从而使得电子在这些轨道之间跃迁时,只能释放出符合巴尔末公式的能量来。

好了,一切都明白了,在原子内部,连续性被破坏,量子化条件必须成为原子理论的主宰。一个完整的关于原子的理论体系第一次被建立起来,虽然这个体系留有浓厚的旧世界的痕迹,但它的力量无论如何不能低估。

不过,很快问题就来了。电子的轨道不是连续的,为什么呢?玻尔的理论没能给出解释,玻尔只是态度强硬的做出了硬性规定。一个叫德布罗意的小伙伴这样想着。

他指出,电子在前进的时候总是伴随着一个波,更要命的是,这个波的速度竟然远超光速。爱因斯坦对于这个也只是睁一只眼闭一只眼。德布罗意把这个波称为”相波“,后人为了纪念他,也叫”德布罗意波“。

但是,等等,我们似乎在谈论一个波,在电子这个大后方,竟然出现了波动的奸细。

1924年,玻尔曾试图调停,提出了一个对应原理,然而,最后的结果是,谁也不愿意妥协,战争继续进行。

当时流行着一个笑话:物理学家们不得不在星期一三五把世界看成粒子,在二四六则把世界看成波。到了星期天,他们干脆待在家里祈祷上帝保佑。

第三次波粒大战即将进入高潮,世界将变的面目全非,我们即将进入”量子力学的新时代“,看好奥,过去的那段只能叫”量子理论“,两个学说的新领袖将带领我们进入一个与过去完全不同的时代,最终,世界将成为一个我们完全无法想象的世界。

上帝真的在掷骰子。

波粒大战的高潮已经来了,欲知后事如何,赶快关注小编吧,我们明天继续


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