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上帝掷骰子吗--量子物理史话(转帖)

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发表于 2009-5-27 22:30:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
第一章黄金时代 一 我们的故事要从1887年的德国开始。位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城市,在它的城中心,矗立着著名的18世纪的宫殿。郁郁葱葱的森林和温暖的气候也使得这座小城成为了欧洲的一个旅游名胜。然而这些怡人的景色似乎没有分散海因里希?鲁道夫?赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)的注意力:现在他正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。那时候,赫兹刚刚30岁,也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师赫耳姆霍兹(Hermann von Helmholtz)一样鼎鼎有名的人物,不会想到他将和卡尔?本茨(Carl Benz)一样成为这个小城的骄傲。现在他的心思,只是完完全全地倾注在他的那套装置上。 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,心里面想象了一幅又一幅的图景。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。而麦克斯韦理论……哦,它在数学上简直完美得像一个奇迹!仿佛是上帝的手写下的一首诗歌。这样的理论,很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气,又笑了:不管理论怎样无懈可击,它毕竟还是要通过实验来验证的呀。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,如果麦克斯韦的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。 赫兹小心地把接受器移到不同的位置,电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽。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(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。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。 赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里,可是,作为一个纯粹的严肃的科学家,赫兹当时却没有想到他的发现里面所蕴藏的巨大的商业意义。在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘,根本没有料到他的实验会带来一场怎么样的时代革命。赫兹英年早逝,还不到37岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而,就在那一年,一位在伦巴底度假的20岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文;两年后,这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演,不久他的公司成立,并成功地拿到了专利证。到了1901年,赫兹死后的第7年,无线电报已经可以穿越大西洋,实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫?马可尼(Guglielmo Marconi),与此同时俄国的波波夫(Aleksandr Popov)也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴,把整个人类带进了一个崭新的“信息时代”。不知赫兹如果身后有知,又会做何感想? 但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学家,把对真理的追求当作人生最大的价值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景,也会不屑去把它付诸实践的吧?也许,在美丽的森林和湖泊间散步,思考自然的终极奥秘,在秋天落叶的校园里,和学生探讨学术问题,这才是他真正的人生吧。今天,他的名字已经成为频率这个物理量的单位,被每个人不断地提起,可是,或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢?

















第一章黄金时代



上次我们说到,1887年,赫兹的实验证实了电磁波的存在,也证实了光其实是电磁波的一种,两者具有共同的波的特性。这就为光的本性之争画上了一个似乎已经是不可更改的句号。

说到这里,我们的故事要先回一回头,穿越时空去回顾一下有关于光的这场大战。这也许是物理史上持续时间最长,程度最激烈的一场论战。它几乎贯穿于整个现代物理的发展过程中,在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印。

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。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”。光学终于作为一门物理学科被正式确立起来。

但是,当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候,却依然有一个最基本的问题没有得到解决,那就是:“光在本质上到底是一种什么东西?”这个问题看起来似乎并没有那么难回答,但人们大概不会想到,对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久,而这一探索的过程,对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大,其意义超过当时任何一个人的想象。

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。但是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(这个大家在中学物理的插图上应该都见过),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。我们很快就会看到,这个新生力量似乎是微粒说的前世冤家,它命中注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争。他们两个的命运始终互相纠缠在一起,如果没有了对方,谁也不能说自己还是完整的。到了后来,他们简直就是为了对手而存在着。这出精彩的戏剧从一开始的伏笔,经过两个起落,到达令人眼花缭乱的高潮。而最后绝妙的结局则更让我们相信,他们的对话几乎是一种可遇而不可求的缘分。17世纪中期,正是科学的黎明到来之前那最后的黑暗,谁也无法预见这两朵小火花即将要引发一场熊熊大火。

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饭后闲话:说说“以太”(Aether)。

正如我们在上面所看到的,以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的由来则早在古希腊:亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星辰围绕着地球运转,但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的,它们只能由一种更为纯洁的元素所构成,这就是亚里士多德所谓的“第五元素”--以太(希腊文的αηθηρ)。而自从这个概念被借用到科学里来之后,以太在历史上的地位可以说是相当微妙的,一方面,它曾经扮演过如此重要的角色,以致成为整个物理学的基础;另一方面,当它荣耀不再时,也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎,改换头面,赋予自己新的意义,却仍然逃不了最终被抛弃的命运,甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。但无论怎样,以太的概念在科学史上还是占有它的地位的,它曾经代表的光媒以及绝对参考系,虽然已经退出了舞台,但直到今天,仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片,记载了一个贵族光荣的过去。今天,以太(Ether)作为另外一种概念用来命名一种网络协议(Ethernet),看到这个词的时候,是不是也每每生出几许慨叹?

向以太致敬






上次说到,关于光究竟是什么的问题,在十七世纪中期有了两种可能的假设:微粒说和波动说。

然而在一开始的时候,双方的武装都是非常薄弱的。微粒说固然有着悠久的历史,但是它手中的力量是很有限的。光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领地,但波动方面军队在发展了自己的理论后,迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为一种新兴的理论,格里马第的光衍射实验是它发家的最###宝,但它却拖着一个沉重的包袱,就是光以太的假设,这个凭空想象出来的媒介,将在很长一段时间里成为波动军队的累赘。

两支力量起初并没有发生什么武装冲突。在笛卡儿的《方法论》那里,他们还依然心平气和地站在一起供大家检阅。导致“第一次微波战争”爆发的导火索是波义耳(Robert Boyle,中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人?)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,当时是英国皇家学会的会员,同时也兼任实验管理员。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。《显微术》这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉,波动说由于这位大将的加入,似乎也在一时占了上风。

然而不知是偶然,还是冥冥之中自有安排,一件似乎无关的事情改变了整个战局的发展。

1672年,一位叫做艾萨克?牛顿的年轻人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》。牛顿当时才30岁,刚刚当选为皇家学会的会员。这是牛顿所发表的第一篇正式科学论文,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。实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive:炎热难忍的夏天,牛顿却戴着厚重的假发呆在一间小屋里。四面窗户全都被封死了,屋子里面又闷又热,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。牛顿不顾身上汗如雨下,全神贯注地在屋里走来走去,并不时地把手里的一个三棱镜插进那个小孔里。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。

然而在这篇论文中,牛顿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。牛顿大怒,马上撤回了论文,并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。

其实在此之前,牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇摆的,并没有完全否认波动说。1665年,胡克发表他的观点时,牛顿还刚刚从剑桥三一学院毕业,也许还在苹果树前面思考他的万有引力问题呢。但在这件事之后,牛顿开始一面倒地支持微粒说。这究竟是因为报复心理,还是因为科学精神,今天已经无法得知了,想来两方面都有其因素吧。不过牛顿的性格是以小气和斤斤计较而闻名的,这从以后他和莱布尼兹关于微积分发明的争论中也可见一斑。

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,波动方面军开始了他们的现代化进程--用理论来装备自己。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”(对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道)。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,发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地,只需要作小小的改制即可(比如引进椭圆波的概念)。1690年,惠更斯的著作《光论》(Traite de la Lumiere)出版,标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。

不幸的是,波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫。因为在他们的对手那里站着一个光芒四射的伟大人物:艾萨克?牛顿先生(而且马上就要成为爵士)。这位科学巨人--不管他是出于什么理由--已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击。为了避免再次引起和胡克之间的争执,导致不必要的误解,牛顿在战术上也进行了精心的安排。直到胡克去世后的第二年,也就是1704年,牛顿才出版了他的煌煌巨著《光学》(Opticks)。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。

这完全是一次摧枯拉朽般的打击。那时的牛顿,已经再不是那个可以在评议会上被人质疑的青年。那时的牛顿,已经是出版了《数学原理》的牛顿,已经是发明了微积分的牛顿。那个时候,他已经是国会议员,皇家学会会长,已经成为科学史上神话般的人物。在世界各地,人们对他的力学体系顶礼膜拜,仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首(惠更斯也早于1695年去世),这支失去了领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一点的堡垒,就遭到了毁灭性的打击。他们惊恐万状,溃不成军,几乎在一夜之间丧失了所有的阵地。这一方面是因为波动自己的防御工事有不足之处,它的理论仍然不够完善,另一方面也实在是因为对手的实力过于强大:牛顿作为光学界的泰斗,他的才华和权威是不容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终,战争的结果是微粒说牢牢占据了物理界的主流。波动被迫转入地下,在长达整整一个世纪的时间里都抬不起头来。然而,它却仍然没有被消灭,惠更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力,默默潜伏着以待东山再起的那天。

*********

饭后闲话:胡克与牛顿

胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家。两个人都在力学,光学,仪器等方面有着伟大的贡献。两人互相启发,但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之外,他们之间还有一个争执,那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题。胡克在力学与行星运动方面花过许多心血,他深入研究了开普勒定律,于1964年提出了行星轨道因引力而弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理,提出了行星运动的理论。1679年,他在写给牛顿的信中,提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念,但是说得比较模糊,并未加之量化(原文是:…my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal)。在牛顿的《原理》出版之后,胡克要求承认他对这个定律的优先发现,但牛顿最后的回答却是把所有涉及胡克的引用都从《原理》里面给删掉了。

应该说胡克也是一位伟大的科学家,他曾帮助波义耳发现波义耳定律,用自己的显微镜发现了植物的细胞,他在地质学方面的工作(尤其是对化石的观测)影响了这个学科整整30年,他发明和制造的仪器(如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等)在当时无与伦比。他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代,他在力学和光学方面是仅次于牛顿的伟大科学家,可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里。今天的牛顿名满天下,但今天的中学生只有从课本里的胡克定律(弹性定律)才知道胡克的名字,胡克死前已经变得愤世嫉俗,字里行间充满了挖苦。他死后连一张画像也没有留下来,据说是因为他“太丑了”。






第一章黄金时代



上次说到,在微粒与波动的第一次交锋中,以牛顿为首的微粒说战胜了波动,取得了在物理上被普遍公认的地位。

转眼间,近一个世纪过去了。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。

然而1773年的6月13日,英国米尔沃顿(Milverton)的一个教徒的家庭里诞生了一个男孩,叫做托马斯?杨(Thomas Young)。这个未来反叛派领袖的成长史是一个典型的天才历程,他两岁的时候就能够阅读各种经典,6岁时开始学习拉丁文,14岁就用拉丁文写过一篇自传,到了16岁时他已经能够说10种语言,并学习了牛顿的《数学原理》以及拉瓦锡的《化学纲要》等科学著作。

杨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。在以后的日子里,他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读,最后还是回到剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业。在他还是学生的时候,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。这就像一个人把你往左边拉,另一个人用相同的力气把你往右边拉,结果是你会站在原地不动。

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(就好像有两个人同时在左边或者右边拉你);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(就好像两个人同时在两边拉你)。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。后来的历史证明,这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列,而在今天,它已经出现在每一本中学物理的教科书上。

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“第二次微波战争”开始了。波动方面军在经过了百年的沉寂之后,终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不是好过的,在微粒大军仍然一统天下的年代,波动的士兵们衣衫褴褛,缺少后援,只能靠游击战来引起人们对它的注意。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺,被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”,在近20年间竟然无人问津。杨为了反驳专门撰写了论文,但是却无处发表,只好印成小册子,但是据说发行后“只卖出了一本”。

不过,虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中,一开始并不把起义的波动叛乱分子放在眼睛里。但他们很快就发现,这些反叛者虽然人数不怎么多,服装并不那么整齐,但是他们的武器却今非昔比。在受到了几次沉重的打击后,干涉条纹这门波动大炮的杀伤力终于惊动整个微粒军团。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,也无法躲开对手的无情轰炸:它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。”

决定性的时刻在1819年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛。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(Augustin Fresnel,当时他才31岁)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。

菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖(Grand Prix),同时一跃成为了可以和牛顿,惠更斯比肩的光学界的传奇人物。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。起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领域,把微粒从统治的地位赶了下来,后者在严厉的打击下捉襟见肘,节节溃退,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。

然而不幸的微粒军团终于在1819年的莫斯科严冬之后,又于1850年迎来了它的滑铁卢。这一年的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。这一结果彻底宣判了微粒说的死刑,波动论终于在100多年后革命成功,登上了物理学统治地位的宝座。在胜利者的一片欢呼声中,第二次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。

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。而我们在本章的一开始已经看到,这个预言是怎么样由赫兹在1887年用实验证实了的。波动说突然发现,它已经不仅仅是光领域的统治者,而是业已成为了整个电磁王国的最高司令官。波动的光辉到达了顶点,只要站在大地上,它的力量就像古希腊神话中的巨人那样,是无穷无尽而不可战胜的。而它所依靠的大地,就是麦克斯韦不朽的电磁理论。

*********

饭后闲话:阿拉果(Dominique Fran?ois Jean Arago)的遗憾

阿拉果一向是光波动说的捍卫者,他和菲涅耳在光学上其实是长期合作的。菲涅耳关于光是横波的思想,最初还是来源于托马斯?杨写给阿拉果的一封信。而对于相互垂直的两束偏振光线的相干性的研究,是他和菲涅耳共同作出的,两人的工作明确了来自同一光源但偏振面相互垂直的两支光束,不能发生干涉。但在双折射和偏振现象上,菲涅耳显然更具有勇气和革命精神,在两人完成了《关于偏振光线的相互作用》这篇论文后,菲涅耳指出只有假设光是一种横波,才能完满地解释这些现象,并给出了推导。然而阿拉果对此抱有怀疑态度,认为菲涅耳走得太远了。他坦率地向菲涅耳表示,自己没有勇气发表这个观点,并拒绝在这部分论文后面署上自己的名字。于是最终菲涅耳以自己一个人的名义提交了这部分内容,引起了科学院的震动,而最终的实验却表明他是对的。

这大概是阿拉果一生中最大的遗憾,他本有机会和菲涅耳一样成为在科学史上大名鼎鼎的人物。当时的菲涅耳还是无名小辈,而他在学界却已经声名显赫,被选入法兰西研究院时,得票甚至超过了著名的泊松。其实在光波动说方面,阿拉果做出了许多杰出的贡献,不在菲涅耳之下,许多还是两人互相启发而致的。在菲涅耳面临泊松的质问时,阿拉果仍然站在了菲涅耳一边,正是他的实验证实了泊松光斑的存在,使得波动说取得了最后的胜利。但关键时候的迟疑,却最终使得他失去了“物理光学之父”的称号。这一桂冠如今戴在菲涅耳的头上。











上帝掷骰子吗--量子物理史话

第一章黄金时代



上次说到,随着麦克斯韦的理论为赫兹的实验所证实,光的波动说终于成为了一个板上钉钉的事实。

波动现在是如此地强大。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。波动君临天下,振长策而御宇内,四海之间莫非王土。而可怜的微粒早已销声匿迹,似乎永远也无法翻身了。

赫兹的实验也同时标志着经典物理的顶峰。物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌,令人叹为观止。牛顿的力学体系已经是如此雄伟壮观,现在麦克斯韦在它之上又构建起了同等规模的另一幢建筑,它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视。电磁理论在数学上完美得难以置信,著名的麦氏方程组刚一问世,就被世人惊为天物。它所表现出的深刻、对称、优美使得每一个科学家都陶醉在其中,玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)情不自禁地引用歌德的诗句说:“难道是上帝写的这些吗?”一直到今天,麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范,即使在还没有赫兹的实验证实之前,已经广泛地为人们所认同。许多伟大的科学家都为它的魅力折服,并受它深深的影响,有着对于科学美的坚定信仰,甚至认为:对于一个科学理论来说,简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。无论从哪个意义上来说,电磁论都是一种伟大的理论。罗杰?彭罗斯(Roger Penrose)在他的名著《皇帝新脑》(The Emperor’s New Mind)一书里毫不犹豫地将它和牛顿力学,相对论和量子论并列,称之为“Superb”的理论。

物理学征服了世界。在19世纪末,它的力量控制着一切人们所知的现象。古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒,反而更加凸现出它的伟大和坚固来。从天上的行星到地上的石块,万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则。1846年海王星的发现,更是它所取得的最伟大的胜利之一。在光学的方面,波动已经统一了天下,新的电磁理论更把它的光荣扩大到了整个电磁世界。在热的方面,热力学三大定律已经基本建立(第三定律已经有了雏形),而在克劳修斯(Rudolph Clausius)、范德瓦尔斯(J.D. Van der Waals)、麦克斯韦、玻尔兹曼和吉布斯(Josiah Willard Gibbs)等天才的努力下,分子运动论和统计热力学也被成功地建立起来了。更令人惊奇的是,这一切都彼此相符而互相包容,形成了一个经典物理的大同盟。经典力学、经典电动力学和经典热力学(加上统计力学)形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿,构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

这是一段伟大而光荣的日子,是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样地强大,这样地令人神往。人们也许终于可以相信,上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了,再没有遗漏的地方。从当时来看,我们也许的确是有资格这样骄傲的,因为所知道的一切物理现象,几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切,都在控制之中,而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信,这个世界所有的基本原理都已经被发现了,物理学已经尽善尽美,它走到了自己的极限和尽头,再也不可能有任何突破性的进展了。如果说还有什么要做的事情,那就是做一些细节上的修正和补充,更加精确地测量一些常数值罢了。人们开始倾向于认为:物理学已经终结,所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决,而不会再有任何真正激动人心的发现了。一位著名的科学家(据说就是伟大的开尔文勋爵)说:“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

19世纪末的物理学天空中闪烁着金色的光芒,象征着经典物理帝国的全盛时代。这样的伟大时期在科学史上是空前的,或许也将是绝后的。然而,这个统一的强大帝国却注定了只能昙花一现。喧嚣一时的繁盛,终究要像泡沫那样破灭凋零。

今天回头来看,赫兹1887年的电磁波实验(准确地说,是他于1887-1888年进行的一系列的实验)的意义应该是复杂而深远的。它一方面彻底建立了电磁场论,为经典物理的繁荣添加了浓重的一笔;在另一方面,它却同时又埋藏下了促使经典物理自身毁灭的武器,孕育出了革命的种子。

我们还是回到我们故事的第一部分那里去:在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,赫兹铜环接收器的缺口之间不停地爆发着电火花,明白无误地昭示着电磁波的存在。

但偶然间,赫兹又发现了一个奇怪的现象:当有光照射到这个缺口上的时候,似乎火花就出现得更容易一些。

赫兹把这个发现也写成了论文发表,但在当时并没有引起很多的人的注意。当时,学者们在为电磁场理论的成功而欢欣鼓舞,马可尼们在为了一个巨大的商机而激动不已,没有人想到这篇论文的真正意义。连赫兹自己也不知道,量子存在的证据原来就在他的眼前,几乎是触手可得。不过,也许量子的概念太过爆炸性,太过革命性,命运在冥冥中安排了它必须在新的世纪中才可以出现,而把怀旧和经典留给了旧世纪吧。只是可惜赫兹走得太早,没能亲眼看到它的诞生,没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化。

终于,在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前,一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了,仿佛是一个不祥的预兆。

1895年,伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen)发现了X射线。

1896年,贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)发现了铀元素的放射现象。

1897年,居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃尔?居里研究了放射性,并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。

1897年,J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson)在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。

1899年,卢瑟福(Ernest Rutherford)发现了元素的嬗变现象。

如此多的新发现接连涌现,令人一时间眼花缭乱。每一个人都开始感觉到了一种不安,似乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然耸立,看上去依然那么雄伟,那么牢不可破,但气氛却突然变得异常凝重起来,一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新的世纪很快就要来到,人们不知道即将发生什么,历史将要何去何从。眺望天边,人们隐约可以看到两朵小小的乌云,小得那样不起眼。没人知道,它们即将带来一场狂风暴雨,将旧世界的一切从大地上彻底抹去。

但是,在暴风雨到来之前,还是让我们抬头再看一眼黄金时代的天空,作为最后的怀念。金色的光芒照耀在我们的脸上,把一切都染上了神圣的色彩。经典物理学的大厦在它的辉映下,是那样庄严雄伟,溢彩流光,令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山上那亘古不变的宫殿。谁又会想到,这震撼人心的壮丽,却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的余辉。

(第一章完)
 楼主| 发表于 2009-5-27 22:36:12 | 显示全部楼层

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如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代,那么有两个时期是一定会入选的:17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》

的出版为标志,宣告了现代经典物理学的正式创立;而后者则为我们带来了相对论和量子论,并最彻底地推翻和重建了整个物理学体系。所不

同的是,今天当我们再谈论起牛顿的时代,心中更多的已经只是对那段光辉岁月的怀旧和祭奠;而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰着

我们至今,就像两颗青涩的橄榄,嚼得越久,反而更加滋味无穷。

我在这里先要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇,由一个不起眼的线索开始,曲径通幽,渐渐地落英缤纷,乱花迷眼。正在

没个头绪处,突然间峰回路转,天地开阔,如河出伏流,一泄汪洋。然而还未来得及一览美景,转眼又大起大落,误入白云深处不知归路……

量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一,我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我

们会看到最革命的思潮席卷大地,带来了让人惊骇的电闪雷鸣,同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地

走来,却更加坚定了对胜利的信念。

量子理论是一个复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女,我们天天与她相见,却始终无法猜透她的内心世界。今天,我们的现代文明,从

电脑,电视,手机到核能,航天,生物技术,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么?这个问题至今却依然难以回

答。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保

守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利,而量子论无疑是理性的最高成就之一。但是它被赋予的力量太

过强大,以致有史以来第一次,我们的理性在胜利中同时埋下了能够毁灭它自身的种子。以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)都要说

:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”

掐指算来,量子论创立至今已经超过100年,但它的一些基本思想却仍然不为普通的大众所熟知。那么,就让我们再次回到那个伟大的年代,再

次回顾一下那场史诗般壮丽的革命,再次去穿行于那惊涛骇浪之间,领略一下晕眩的感觉吧。我们的快艇就要出发,当你感到恐惧或者震惊时

,请务必抓紧舷边。但大家也要时刻记住,当年,物理史上最伟大的天才们也走过同样的航线,而他们的感觉,和我们是一模一样的。


第一章 黄金时代



我们的故事要从1887年的德国开始。位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城市,在它的城中心,矗立着著名的18世纪的宫殿。郁郁葱

葱的森林和温暖的气候也使得这座小城成为了欧洲的一个旅游名胜。然而这些怡人的景色似乎没有分散海因里希?鲁道夫?赫兹(Heinrich

Rudolf Hertz)的注意力:现在他正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。那时候,赫兹刚刚30岁,也许不会想到他将

在科学史上成为和他的老师赫耳姆霍兹(Hermann von Helmholtz)一样鼎鼎有名的人物,不会想到他将和卡尔?本茨(Carl Benz)一样成为这

个小城的骄傲。现在他的心思,只是完完全全地倾注在他的那套装置上。

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,心里面想象了一幅又一幅的图景。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。而麦克斯韦理论……哦,它在数学上简直

完美得像一个奇迹!仿佛是上帝的手写下的一首诗歌。这样的理论,很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气,又笑了:不管理论怎样无懈可击

,它毕竟还是要通过实验来验证的呀。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,如果麦克斯韦的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。

赫兹小心地把接受器移到不同的位置,电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽。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(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。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。

赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里,可是,作为一个纯粹的严肃的科学家,赫兹当时却没有想到他的发现里面所蕴藏的巨

大的商业意义。在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘,根本没有料到他的实验会带来一场怎么

样的时代革命。赫兹英年早逝,还不到37岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而,就在那一年,一位在伦巴底度假的20岁意大利青年读到了

他的关于电磁波的论文;两年后,这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演,不久他的公司成立,并成功地拿到了专利证。到了1901

年,赫兹死后的第7年,无线电报已经可以穿越大西洋,实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫?马可尼(Guglielmo

Marconi),与此同时俄国的波波夫(Aleksandr Popov)也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴,把整个人类带进了

一个崭新的“信息时代”。不知赫兹如果身后有知,又会做何感想?

但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学家,把对真理的追求当作人生最大的价值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景,也

会不屑去把它付诸实践的吧?也许,在美丽的森林和湖泊间散步,思考自然的终极奥秘,在秋天落叶的校园里,和学生探讨学术问题,这才是

他真正的人生吧。今天,他的名字已经成为频率这个物理量的单位,被每个人不断地提起,可是,或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢?




上次我们说到,1887年,赫兹的实验证实了电磁波的存在,也证实了光其实是电磁波的一种,两者具有共同的波的特性。这就为光的本性之争

画上了一个似乎已经是不可更改的句号。

说到这里,我们的故事要先回一回头,穿越时空去回顾一下有关于光的这场大战。这也许是物理史上持续时间最长,程度最激烈的一场论战。

它几乎贯穿于整个现代物理的发展过程中,在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印。

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。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”。光学终于作为一门物理学科被正式确立起来。

但是,当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候,却依然有一个最基本的问题没有得到解决,那就是:“光在本质上到底是一种什么东西?

”这个问题看起来似乎并没有那么难回答,但人们大概不会想到,对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久,而这一探索的过程,对物理学

的影响竟然会是那么地深远和重大,其意义超过当时任何一个人的想象。

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。但是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(这

个大家在中学物理的插图上应该都见过),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。我们很快就会看到,这个新生力量似乎是微粒说的前世冤家,它命中注定要与后者

开展一场长达数个世纪之久的战争。他们两个的命运始终互相纠缠在一起,如果没有了对方,谁也不能说自己还是完整的。到了后来,他们简

直就是为了对手而存在着。这出精彩的戏剧从一开始的伏笔,经过两个起落,到达令人眼花缭乱的高潮。而最后绝妙的结局则更让我们相信,

他们的对话几乎是一种可遇而不可求的缘分。17世纪中期,正是科学的黎明到来之前那最后的黑暗,谁也无法预见这两朵小火花即将要引发一

场熊熊大火。


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饭后闲话:说说“以太”(Aether)。

正如我们在上面所看到的,以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的由来则早在古希腊:亚里士多德在《论天》一书里阐

述了他对天体的认识。他认为日月星辰围绕着地球运转,但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的,它们只

能由一种更为纯洁的元素所构成,这就是亚里士多德所谓的“第五元素”——以太(希腊文的αηθηρ)。而自从这个概念被借用到科学里

来之后,以太在历史上的地位可以说是相当微妙的,一方面,它曾经扮演过如此重要的角色,以致成为整个物理学的基础;另一方面,当它荣

耀不再时,也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎,改换头面,赋予自己新的意义,却仍然逃不了最终被抛弃的命运,甚至有段时间几乎成

了伪科学的专用词。但无论怎样,以太的概念在科学史上还是占有它的地位的,它曾经代表的光媒以及绝对参考系,虽然已经退出了舞台,但

直到今天,仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片,记载了一个贵族光荣的过去。今天,以太(Ether)作为另外

一种概念用来命名一种网络协议(Ethernet),看到这个词的时候,是不是也每每生出几许慨叹?

向以太致敬。



上次说到,关于光究竟是什么的问题,在十七世纪中期有了两种可能的假设:微粒说和波动说。

然而在一开始的时候,双方的武装都是非常薄弱的。微粒说固然有着悠久的历史,但是它手中的力量是很有限的。光的直线传播问题和反射折

射问题本来是它的传统领地,但波动方面军队在发展了自己的理论后,迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为一种新兴的理论

,格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝,但它却拖着一个沉重的包袱,就是光以太的假设,这个凭空想象出来的媒介,将在很长一段时

间里成为波动军队的累赘。

两支力量起初并没有发生什么武装冲突。在笛卡儿的《方法论》那里,他们还依然心平气和地站在一起供大家检阅。导致“第一次微波战争”

爆发的导火索是波义耳(Robert Boyle,中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人?)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,当时是英国皇家学会的会员,同时也兼任实验管理员。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。《显微术》这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉,波动说由于这位大将的加入,似乎也在一时占了上风。

然而不知是偶然,还是冥冥之中自有安排,一件似乎无关的事情改变了整个战局的发展。

1672年,一位叫做艾萨克?牛顿的年轻人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》。牛顿当时才30岁,刚刚当

选为皇家学会的会员。这是牛顿所发表的第一篇正式科学论文,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。实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive:炎热难忍的夏天,牛顿却戴着厚重的假发呆在一间小屋里。四面窗户全都被封死

了,屋子里面又闷又热,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。牛顿不顾身上汗如雨下,全神贯注地在屋里走来走去,

并不时地把手里的一个三棱镜插进那个小孔里。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。

然而在这篇论文中,牛顿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。牛顿大

怒,马上撤回了论文,并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。

其实在此之前,牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇摆的,并没有完全否认波动说。1665年,胡克发表他的观点时,牛顿还刚刚从剑桥三

一学院毕业,也许还在苹果树前面思考他的万有引力问题呢。但在这件事之后,牛顿开始一面倒地支持微粒说。这究竟是因为报复心理,还是

因为科学精神,今天已经无法得知了,想来两方面都有其因素吧。不过牛顿的性格是以小气和斤斤计较而闻名的,这从以后他和莱布尼兹关于

微积分发明的争论中也可见一斑。

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,波动方面军开始了他们的现代化进程——用理论来装备自己。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”(对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道)。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,发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地,

只需要作小小的改制即可(比如引进椭圆波的概念)。1690年,惠更斯的著作《光论》(Traite de la Lumiere)出版,标志着波动说在这个

阶段到达了一个兴盛的顶点。

不幸的是,波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫。因为在他们的对手那里站着一个光芒四射的伟大人物:艾萨克?牛顿先生(而

且马上就要成为爵士)。这位科学巨人——不管他是出于什么理由——已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击。为了避免再次引

起和胡克之间的争执,导致不必要的误解,牛顿在战术上也进行了精心的安排。直到胡克去世后的第二年,也就是1704年,牛顿才出版了他的

煌煌巨著《光学》(Opticks)。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。

这完全是一次摧枯拉朽般的打击。那时的牛顿,已经再不是那个可以在评议会上被人质疑的青年。那时的牛顿,已经是出版了《数学原理》的

牛顿,已经是发明了微积分的牛顿。那个时候,他已经是国会议员,皇家学会会长,已经成为科学史上神话般的人物。在世界各地,人们对他

的力学体系顶礼膜拜,仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首(惠更斯也早于1695年去世),这支失去了领袖的军队还没有来得及在领

土上建造几座坚固一点的堡垒,就遭到了毁灭性的打击。他们惊恐万状,溃不成军,几乎在一夜之间丧失了所有的阵地。这一方面是因为波动

自己的防御工事有不足之处,它的理论仍然不够完善,另一方面也实在是因为对手的实力过于强大:牛顿作为光学界的泰斗,他的才华和权威

是不容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终,战争的结果是微粒说牢牢占据了物理界的主流。波动被迫转入地下,在长达整整

一个世纪的时间里都抬不起头来。然而,它却仍然没有被消灭,惠更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力,默默潜伏着以待

东山再起的那天。


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饭后闲话:胡克与牛顿

胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家。两个人都在力学,光学,仪器等方面有着伟大的贡献。两人互相启发,但是之间也存在着不少的争

论。除了关于光本性的争论之外,他们之间还有一个争执,那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题。胡克在力学与行星运动方面

花过许多心血,他深入研究了开普勒定律,于1964年提出了行星轨道因引力而弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理,提出了行星

运动的理论。1679年,他在写给牛顿的信中,提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念,但是说得比较模糊,并未加之量化(原文是:…

my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal)。在牛

顿的《原理》出版之后,胡克要求承认他对这个定律的优先发现,但牛顿最后的回答却是把所有涉及胡克的引用都从《原理》里面给删掉了。

应该说胡克也是一位伟大的科学家,他曾帮助波义耳发现波义耳定律,用自己的显微镜发现了植物的细胞,他在地质学方面的工作(尤其是对

化石的观测)影响了这个学科整整30年,他发明和制造的仪器(如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等)在当时无与伦比。他所发现

的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代,他在力学和光学方面是仅次于牛顿的伟大科学家,可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里

。今天的牛顿名满天下,但今天的中学生只有从课本里的胡克定律(弹性定律)才知道胡克的名字,胡克死前已经变得愤世嫉俗,字里行间充

满了挖苦。他死后连一张画像也没有留下来,据说是因为他“太丑了”。



上次说到,在微粒与波动的第一次交锋中,以牛顿为首的微粒说战胜了波动,取得了在物理上被普遍公认的地位。

转眼间,近一个世纪过去了。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。

然而1773年的6月13日,英国米尔沃顿(Milverton)的一个教徒的家庭里诞生了一个男孩,叫做托马斯?杨(Thomas Young)。这个未来反叛派

领袖的成长史是一个典型的天才历程,他两岁的时候就能够阅读各种经典,6岁时开始学习拉丁文,14岁就用拉丁文写过一篇自传,到了16岁时

他已经能够说10种语言,并学习了牛顿的《数学原理》以及拉瓦锡的《化学纲要》等科学著作。

杨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。在以后的日子里,他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读,最后还是回到

剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业。在他还是学生的时候,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。这就像一个人把你往左边拉,另一个人用相同的力气把你往右边拉,结果是你会站在原地不动。

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(就好像有两个人同时在左边或者右边拉你);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(就好像两个人同时在两边拉你)。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。后来的历史证明,这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列,而在今天,它已经出现在每一本中学物理的教科

书上。

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“第二次微波战争”开始了。波动方面军在经过了百年的沉寂之后,终于又回到了历史舞台上来。

但是它当时的日子并不是好过的,在微粒大军仍然一统天下的年代,波动的士兵们衣衫褴褛,缺少后援,只能靠游击战来引起人们对它的注意

。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺,被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”,在近20年间竟然无人问津。杨为了反驳专门撰写了论文,但

是却无处发表,只好印成小册子,但是据说发行后“只卖出了一本”。

不过,虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中,一开始并不把起义的波动叛乱分子放在眼睛里。但他们很快就发现,这些反叛者虽然

人数不怎么多,服装并不那么整齐,但是他们的武器却今非昔比。在受到了几次沉重的打击后,干涉条纹这门波动大炮的杀伤力终于惊动整个

微粒军团。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,也无法躲开对手的无情轰炸:它就是难以

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。”

决定性的时刻在1819年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛。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(Augustin Fresnel,当时他才31岁)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。

菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖(Grand Prix),同时一跃成为了可以和牛顿,惠更斯比

肩的光学界的传奇人物。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。起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领域,把微粒从统治的地位赶了下来,后者在严厉的打击下捉襟见肘,节节

溃退,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。

然而不幸的微粒军团终于在1819年的莫斯科严冬之后,又于1850年迎来了它的滑铁卢。这一年的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。这一结果彻底宣判了微粒说的死刑,波动论终于在100多年后革命成功,登上了物理学统治地位的宝座。在胜利者的一

片欢呼声中,第二次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。

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。而

我们在本章的一开始已经看到,这个预言是怎么样由赫兹在1887年用实验证实了的。波动说突然发现,它已经不仅仅是光领域的统治者,而是

业已成为了整个电磁王国的最高司令官。波动的光辉到达了顶点,只要站在大地上,它的力量就像古希腊神话中的巨人那样,是无穷无尽而不

可战胜的。而它所依靠的大地,就是麦克斯韦不朽的电磁理论。


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饭后闲话:阿拉果(Dominique Fran?ois Jean Arago)的遗憾

阿拉果一向是光波动说的捍卫者,他和菲涅耳在光学上其实是长期合作的。菲涅耳关于光是横波的思想,最初还是来源于托马斯?杨写给阿拉果

的一封信。而对于相互垂直的两束偏振光线的相干性的研究,是他和菲涅耳共同作出的,两人的工作明确了来自同一光源但偏振面相互垂直的

两支光束,不能发生干涉。但在双折射和偏振现象上,菲涅耳显然更具有勇气和革命精神,在两人完成了《关于偏振光线的相互作用》这篇论

文后,菲涅耳指出只有假设光是一种横波,才能完满地解释这些现象,并给出了推导。然而阿拉果对此抱有怀疑态度,认为菲涅耳走得太远了

。他坦率地向菲涅耳表示,自己没有勇气发表这个观点,并拒绝在这部分论文后面署上自己的名字。于是最终菲涅耳以自己一个人的名义提交

了这部分内容,引起了科学院的震动,而最终的实验却表明他是对的。

这大概是阿拉果一生中最大的遗憾,他本有机会和菲涅耳一样成为在科学史上大名鼎鼎的人物。当时的菲涅耳还是无名小辈,而他在学界却已

经声名显赫,被选入法兰西研究院时,得票甚至超过了著名的泊松。其实在光波动说方面,阿拉果做出了许多杰出的贡献,不在菲涅耳之下,

许多还是两人互相启发而致的。在菲涅耳面临泊松的质问时,阿拉果仍然站在了菲涅耳一边,正是他的实验证实了泊松光斑的存在,使得波动

说取得了最后的胜利。但关键时候的迟疑,却最终使得他失去了“物理光学之父”的称号。这一桂冠如今戴在菲涅耳的头上。



上次说到,随着麦克斯韦的理论为赫兹的实验所证实,光的波动说终于成为了一个板上钉钉的事实。

波动现在是如此地强大。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

。波动君临天下,振长策而御宇内,四海之间莫非王土。而可怜的微粒早已销声匿迹,似乎永远也无法翻身了。

赫兹的实验也同时标志着经典物理的顶峰。物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌,令人叹为观止。牛顿的力学体系已经是如此雄伟壮观,

现在麦克斯韦在它之上又构建起了同等规模的另一幢建筑,它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视。电磁理论在数学上完美得难以置信,著名的麦氏

方程组刚一问世,就被世人惊为天物。它所表现出的深刻、对称、优美使得每一个科学家都陶醉在其中,玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)情不

自禁地引用歌德的诗句说:“难道是上帝写的这些吗?”一直到今天,麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范,即使在还没有赫兹的实验证实

之前,已经广泛地为人们所认同。许多伟大的科学家都为它的魅力折服,并受它深深的影响,有着对于科学美的坚定信仰,甚至认为:对于一

个科学理论来说,简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。无论从哪个意义上来说,电磁论都是一种伟大的理论。罗杰?彭罗斯(Roger

Penrose)在他的名著《皇帝新脑》(The Emperor’s New Mind)一书里毫不犹豫地将它和牛顿力学,相对论和量子论并列,称之为“Superb

”的理论。

物理学征服了世界。在19世纪末,它的力量控制着一切人们所知的现象。古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒,反而更

加凸现出它的伟大和坚固来。从天上的行星到地上的石块,万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则。1846年海王星的发现,更是它所取得的最

伟大的胜利之一。在光学的方面,波动已经统一了天下,新的电磁理论更把它的光荣扩大到了整个电磁世界。在热的方面,热力学三大定律已

经基本建立(第三定律已经有了雏形),而在克劳修斯(Rudolph Clausius)、范德瓦尔斯(J.D. Van der Waals)、麦克斯韦、玻尔兹曼和

吉布斯(Josiah Willard Gibbs)等天才的努力下,分子运动论和统计热力学也被成功地建立起来了。更令人惊奇的是,这一切都彼此相符而

互相包容,形成了一个经典物理的大同盟。经典力学、经典电动力学和经典热力学(加上统计力学)形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地

结合在一块儿,构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

这是一段伟大而光荣的日子,是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样地强大,这样地令人神往。人们也许终于可以相信,上

帝造物的奥秘被他们所完全掌握了,再没有遗漏的地方。从当时来看,我们也许的确是有资格这样骄傲的,因为所知道的一切物理现象,几乎

都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切,都在控制之中,而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信,这个

世界所有的基本原理都已经被发现了,物理学已经尽善尽美,它走到了自己的极限和尽头,再也不可能有任何突破性的进展了。如果说还有什

么要做的事情,那就是做一些细节上的修正和补充,更加精确地测量一些常数值罢了。人们开始倾向于认为:物理学已经终结,所有的问题都

可以用这个集大成的体系来解决,而不会再有任何真正激动人心的发现了。一位著名的科学家(据说就是伟大的开尔文勋爵)说:“物理学的

未来,将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

19世纪末的物理学天空中闪烁着金色的光芒,象征着经典物理帝国的全盛时代。这样的伟大时期在科学史上是空前的,或许也将是绝后的。然

而,这个统一的强大帝国却注定了只能昙花一现。喧嚣一时的繁盛,终究要像泡沫那样破灭凋零。

今天回头来看,赫兹1887年的电磁波实验(准确地说,是他于1887-1888年进行的一系列的实验)的意义应该是复杂而深远的。它一方面彻底

建立了电磁场论,为经典物理的繁荣添加了浓重的一笔;在另一方面,它却同时又埋藏下了促使经典物理自身毁灭的武器,孕育出了革命的种

子。

我们还是回到我们故事的第一部分那里去:在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,赫兹铜环接收器的缺口之间不停地爆发着电火花,明白无误地

昭示着电磁波的存在。

但偶然间,赫兹又发现了一个奇怪的现象:当有光照射到这个缺口上的时候,似乎火花就出现得更容易一些。

赫兹把这个发现也写成了论文发表,但在当时并没有引起很多的人的注意。当时,学者们在为电磁场理论的成功而欢欣鼓舞,马可尼们在为了

一个巨大的商机而激动不已,没有人想到这篇论文的真正意义。连赫兹自己也不知道,量子存在的证据原来就在他的眼前,几乎是触手可得。

不过,也许量子的概念太过爆炸性,太过革命性,命运在冥冥中安排了它必须在新的世纪中才可以出现,而把怀旧和经典留给了旧世纪吧。只

是可惜赫兹走得太早,没能亲眼看到它的诞生,没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化。

终于,在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前,一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了,仿佛是一个不祥的预兆



1895年,伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen)发现了X射线。
1896年,贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)发现了铀元素的放射现象。
1897年,居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃尔?居里研究了放射性,并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。
1897年,J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson)在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。
1899年,卢瑟福(Ernest Rutherford)发现了元素的嬗变现象。

如此多的新发现接连涌现,令人一时间眼花缭乱。每一个人都开始感觉到了一种不安,似乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然

耸立,看上去依然那么雄伟,那么牢不可破,但气氛却突然变得异常凝重起来,一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新的世纪很快就要

来到,人们不知道即将发生什么,历史将要何去何从。眺望天边,人们隐约可以看到两朵小小的乌云,小得那样不起眼。没人知道,它们即将

带来一场狂风暴雨,将旧世界的一切从大地上彻底抹去。

但是,在暴风雨到来之前,还是让我们抬头再看一眼黄金时代的天空,作为最后的怀念。金色的光芒照耀在我们的脸上,把一切都染上了神圣

的色彩。经典物理学的大厦在它的辉映下,是那样庄严雄伟,溢彩流光,令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山上那亘古不变的宫殿。

谁又会想到,这震撼人心的壮丽,却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的余辉。

第二章 乌云



1900年的4月27日,伦敦的天气还是有一些阴冷。马路边的咖啡店里,人们兴致勃勃地谈论着当时正在巴黎举办的万国博览会。街上的报童在大

声叫卖报纸,那上面正在讨论中国义和团运动最新的局势进展以及各国在北京使馆人员的状况。一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车,赶

去听普契尼的歌剧《波希米亚人》。两位老太太羡慕地望着马车远去,对贵妇帽子的式样大为赞叹,但不久后,她们就找到了新的话题,开始

对拉塞尔伯爵的离婚案评头论足起来。看来,即使是新世纪的到来,也不能改变这个城市古老而传统的生活方式。

相比之下,在阿尔伯马尔街皇家研究所(Royal Institution, Albemarle Street)举行的报告会就没有多少人注意了。伦敦的上流社会好像已

经把他们对科学的热情在汉弗来?戴维爵士(Sir Humphry Davy)那里倾注得一干二净,以致在其后几十年的时间里都表现得格外漠然。不过,

对科学界来说,这可是一件大事。欧洲有名的科学家都赶来这里,聆听那位德高望重,然而却以顽固出名的老头子——开尔文男爵(Lord

Kelvin)的发言。

开尔文的这篇演讲名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。当时已经76岁,白发苍苍的他用那特有的爱尔兰口音开始了发言,他的第一

段话是这么说的:

“动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……”(‘The beauty

and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two

clouds.’)

这个“乌云”的比喻后来变得如此出名,以致于在几乎每一本关于物理史的书籍中都被反复地引用,成了一种模式化的陈述。联系到当时人们

对物理学大一统的乐观情绪,许多时候这个表述又变成了“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云”。这两朵著名的乌云,分别指的是

经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体一些,指的就是人们在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究中的

困境。

迈克尔逊-莫雷实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度。在人们当时的观念里,以太代表了一个绝对静止的参考系,而地球穿过以太

在空间中运动,就相当于一艘船在高速行驶,迎面会吹来强烈的“以太风”。迈克尔逊在1881年进行了一个实验,想测出这个相对速度,但结

果并不十分令人满意。于是他和另外一位物理学家莫雷合作,在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了:

他们动用了最新的干涉仪,为了提高系统的灵敏度和稳定性,他们甚至多方筹措弄来了一块大石板,把它放在一个水银槽上,这样就把干扰的

因素降到了最低。

然而实验结果却让他们震惊和失望无比:两束光线根本就没有表现出任何的时间差。以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响。迈克尔逊和莫雷

不甘心地一连观测了四天,本来甚至想连续观测一年以确定地球绕太阳运行四季对以太风造成的差别,但因为这个否定的结果是如此清晰而不

容质疑,这个计划也被无奈地取消了。

迈克尔逊-莫雷实验是物理史上最有名的“失败的实验”。它当时在物理界引起了轰动,因为以太这个概念作为绝对运动的代表,是经典物理

学和经典时空观的基础。而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱竟然被一个实验的结果而无情地否定,那马上就意味着整个物理世界的轰然崩塌

。不过,那时候再悲观的人也不认为,刚刚取得了伟大胜利,到达光辉顶峰的经典物理学会莫名其妙地就这样倒台,所以人们还是提出了许多

折衷的办法,爱尔兰物理学家费兹杰惹(George FitzGerald)和荷兰物理学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz)分别独立地提出了一种假说

,认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩,从而使得以太的相对运动速度无法被测量到。这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留,但

业已经对它的意义提出了强烈的质问,因为很难想象,一个只具有理论意义的“假设物理量”究竟有多少存在的必要。开尔文所说的“第一朵

乌云”就是在这个意义上提出来的,不过他认为长度收缩的假设无论如何已经使人们“摆脱了困境”,所要做的只是修改现有理论以更好地使

以太和物质的相互作用得以自洽罢了。

至于“第二朵乌云”,指的是黑体辐射实验和理论的不一致。它在我们的故事里将起到十分重要的作用,所以我们会在后面的章节里仔细地探

讨这个问题。在开尔文发表演讲的时候,这个问题仍然没有任何能够得到解决的迹象。不过开尔文对此的态度倒也是乐观的,因为他本人就并

不相信玻尔兹曼的能量均分学说,他认为要驱散这朵乌云,最好的办法就是否定玻尔兹曼的学说(而且说老实话,玻尔兹曼的分子运动理论在

当时的确还是有着巨大的争议,以致于这位罕见的天才苦闷不堪,精神出现了问题。当年玻尔兹曼就尝试自杀而未成,但他终于在6年后的一片

小森林里亲手结束了自己的生命,留下了一个科学史上的大悲剧)。

年迈的开尔文站在讲台上,台下的听众对于他的发言给予热烈的鼓掌。然而当时,他们中间却没有一个人(包括开尔文自己)会了解,这两朵

小乌云对于物理学来说究竟意味着什么。他们绝对无法想象,正是这两朵不起眼的乌云马上就要给这个世界带来一场前所未有的狂风暴雨,电

闪雷鸣,并引发可怕的大火和洪水,彻底摧毁现在的繁华美丽。他们也无法知道,这两朵乌云很快就要把他们从豪华舒适的理论宫殿中驱赶出

来,放逐到布满了荆棘和陷阱的原野里去过上几十年颠沛流离的生活。他们更无法预见,正是这两朵乌云,终究会给物理学带来伟大的新生,

在烈火和暴雨中实现涅磐,并重新建造起两幢更加壮观美丽的城堡来。

第一朵乌云,最终导致了相对论革命的爆发。

第二朵乌云,最终导致了量子论革命的爆发。

今天看来,开尔文当年的演讲简直像一个神秘的谶言,似乎在冥冥中带有一种宿命的意味。科学在他的预言下打了一个大弯,不过方向却是完

全出乎开尔文意料的。如果这位老爵士能够活到今天,读到物理学在新世纪里的发展历史,他是不是会为他当年的一语成谶而深深震惊,在心

里面打一个寒噤呢?
 楼主| 发表于 2009-5-27 22:39:00 | 显示全部楼层

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2001年11月,剧作家Matthew Wells的新作《薛定谔的女朋友》(Schrodinger’s Girfriend)在旧金山著名的Fort Mason Center首演。这出

喜剧以1926年薛定谔在阿罗萨那位神秘女友的陪伴下创立波动力学这一历史为背景,探讨了爱情、性,还有量子物理的关系,受到了评论家的

普遍好评。今年(2003年)初,这个剧本搬到东岸演出,同样受到欢迎。近年来形成了一股以科学人物和科学史为题材的话剧创作风气,除了

这出《薛定谔的女朋友》之外,恐怕更有名的就是那个东尼奖得主,Michael Frayn的《哥本哈根》了。

不过,要数清薛定谔到底有几个女朋友,还当真是一件难事。这位物理大师的道德观显然和常人有着一定的距离,他的古怪行为一直为人们所

排斥。1912年,他差点为了喜欢的一个女孩而放弃学术,改行经营自己的家庭公司(当时在大学教书不怎么赚钱),到他遇上安妮玛丽之前,

薛定谔总共爱上过4个年轻女孩,而且主要是一种精神上的恋爱关系。对此,薛定谔的主要传记作者之一,Walter Moore辩解说,不能把它简单

地看成一种放纵行为。

如果以上都还算正常,婚后的薛定谔就有点不拘礼法的狂放味道了。他和安妮的婚姻之路从来不曾安定和谐,两人终生也没有孩子。而在外沾

花惹草的事,薛定谔恐怕没有少做,他对太太也不隐瞒这一点。安妮,反过来,也和薛定谔最好的朋友之一,赫尔曼?威尔(Hermann Weyl)保

持着暧昧的关系(威尔自己的老婆却又迷上了另一个人,真是天昏地暗)。两人讨论过离婚,但安妮的天主教信仰和昂贵的手续费事实上阻止

了这件事的发生。《薛定谔的女朋友》一剧中调笑说:“到底是波-粒子的二象性难一点呢,还是老婆-情人的二象性更难?”

薛定谔,按照某种流行的说法,属于那种“多情种子”。他邀请别人来做他的助手,其实却是看上了他的老婆。这个女人(Hilde March)后来

为他生了一个女儿,令人惊奇的是,安妮却十分乐意地照顾这个婴儿。薛定谔和这两个女子公开同居,事实上过着一种一妻一妾的生活(这个

妾还是别人的合法妻子),这过于惊世骇俗,结果在牛津和普林斯顿都站不住脚,只好走人。他的风流史还可以开出一长串,其中有女学生、

演员、OL,留下了若干私生子。但薛定谔却不是单纯的欲望的发泄,他的内心有着强烈的罗曼蒂克式的冲动,按照段正淳的说法,和每个女子

在一起时,却都是死心塌地,恨不得把心掏出来,为之谱写了大量的情诗。我希望大家不要认为我过于八卦,事实上对情史的分析是薛定谔研

究中的重要内容,它有助于我们理解这位科学家极为复杂的内在心理和带有个人色彩的独特性格。

最最叫人惊讶的是,这样一个薛定谔的婚姻后来却几乎得到了完美的结局。尽管经历了种种风浪,穿越重重险滩,他和安妮却最终白头到老,

真正像在誓言中所说的那样:to have and to hold, in sickness and in health, till death parts us。在薛定谔生命的最后时期,两人早

已达成了谅解,安妮说:“在过去41年里的喜怒哀乐把我们紧紧结合在一起,这最后几年我们也不想分开了。”薛定谔临终时,安妮守在他的

床前握住他的手,薛定谔说:“现在我又拥有了你,一切又都好起来了。”

薛定谔死后葬在Alpbach,他的墓地不久就被皑皑白雪所覆盖。四年后,安妮玛丽?薛定谔也停止了呼吸。



1926年中,虽然矩阵派和波动派还在内心深处相互不服气,它们至少在表面上被数学所统一起来了。而且,不出意外地,薛定谔的波动方程以

其琅琅上口,简明易学,为大多数物理学家所欢迎的特色,很快在形式上占得了上风。海森堡和他那诘屈聱牙的方块矩阵虽然不太乐意,也只

好接受现实。事实证明,除了在处理关于自旋的几个问题时矩阵占点优势,其他时候波动方程抢走了几乎全部的人气。其实吗,物理学家和公

众想象的大不一样,很少有人喜欢那种又难又怪的变态数学,既然两种体系已经被证明在数学上具有同等性,大家也就乐得选那个看起来简单

熟悉的。

甚至在矩阵派内部,波动方程也受到了欢迎。首先是海森堡的老师索末菲,然后是建立矩阵力学的核心人物之一,海森堡的另一位导师马科斯?

波恩。波恩在薛定谔方程刚出炉不久后就热情地赞叹了他的成就,称波动方程“是量子规律中最深刻的形式”。据说,海森堡对波恩的这个“

叛变”一度感到十分伤心。

但是,海森堡未免多虑了,波恩对薛定谔方程的赞许并不表明他选择和薛定谔站在同一条战壕里。因为虽然方程确定了,但怎么去解释它却是

一个大大不同的问题。首先人们要问的就是,薛定谔的那个波函数ψ(再提醒一下,这个希腊字读成psai),它在物理上代表了什么意义?

我们不妨再回顾一下薛定谔创立波动方程的思路:他是从经典的哈密顿方程出发,构造一个体系的新函数ψ代入,然后再引用德布罗意关系式

和变分法,最后求出了方程及其解答,这和我们印象中的物理学是迥然不同的。通常我们会以为,先有物理量的定义,然后才谈得上寻找它们

的数学关系。比如我们懂得了力F,加速度a和质量m的概念,之后才会理解F=ma的意义。但现代物理学的路子往往可能是相反的,比如物理学家

很可能会先定义某个函数F,让F=ma,然后才去寻找F的物理意义,发现它原来是力的量度。薛定谔的ψ,就是在空间中定义的某种分布函数,

只是人们还不知道它的物理意义是什么。

这看起来颇有趣味,因为物理学家也不得不坐下来猜哑谜了。现在让我们放松一下,想象自己在某个晚会上,主持人安排了一个趣味猜谜节目

供大家消遣。“女士们先生们,”他兴高采烈地宣布,“我们来玩一个猜东西的游戏,谁先猜出这个箱子里藏的是什么,谁就能得到晚会上的

最高荣誉。”大家定睛一看,那个大箱子似乎沉甸甸的,还真像藏着好东西,箱盖上古色古香写了几个大字:“薛定谔方程”。

“好吧,可是什么都看不见,怎么猜呢?”人们抱怨道。“那当然那当然。”主持人连忙说,“我们不是学孙悟空玩隔板猜物,再说这里面也

决不是破烂溜丢一口钟,那可是货真价实的关系到整个物理学的宝贝。嗯,是这样的,虽然我们都看不见它,但它的某些性质却是可以知道的

,我会不断地提示大家,看谁先猜出来。”

众人一阵鼓噪,就这样游戏开始了。“这件东西,我们不知其名,强名之曰ψ。”主持人清了清嗓门说,“我可以告诉大家的是,它代表了原

子体系中电子的某个函数。”下面顿时七嘴八舌起来:“能量?频率?速度?距离?时间?电荷?质量?”主持人不得不提高嗓门喊道:“安

静,安静,我们还刚刚开始呢,不要乱猜啊。从现在开始谁猜错了就失去参赛资格。”于是瞬间鸦雀无声。

“好。”主持人满意地说,“那么我们继续。第二个条件是这样的:通过我的观察,我发现,这个ψ是一个连续不断的东西。”这次大家都不

敢说话,但各人迅速在心里面做了排除。既然是连续不断,那么我们已知的那些量子化的条件就都排除了。比如我们都已经知道电子的能级不

是连续的,那ψ看起来不像是这个东西。

“接下来,通过ψ的构造可以看出,这是一个没有量纲的函数。但它同时和电子的位置有某些联系,对于每一个电子来说,它都在一个虚拟的

三维空间里扩展开去。”话说到这里好些人已经糊涂了,只有几个思维特别敏捷的还在紧张地思考。

“总而言之,ψ如影随形地伴随着每一个电子,在它所处的那个位置上如同一团云彩般地扩散开来。这云彩时而浓厚时而稀薄,但却是按照某

种确定的方式演化。而且,我再强调一遍,这种扩散及其演化都是经典的,连续的,确定的。”于是众人都陷入冥思苦想中,一点头绪都没有



“是的,云彩,这个比喻真妙。”这时候一个面容瘦削,戴着夹鼻眼睛的男人呵呵笑着站起来说。主持人赶紧介绍:“女士们先生们,这位就

是薛定谔先生,也是这口宝箱的发现者。”大家于是一阵鼓掌,然后屏息凝神地听他要发表什么高见。

“嗯,事情已经很明显了,ψ是一个空间分布函数。”薛定谔满有把握地说,“当它和电子的电荷相乘,就代表了电荷在空间中的实际分布。

云彩,尊敬的各位,电子不是一个粒子,它是一团波,像云彩一般地在空间四周扩展开去。我们的波函数恰恰描述了这种扩展和它的行为。电

子是没有具体位置的,它也没有具体的路径,因为它是一团云,是一个波,它向每一个方向延伸——虽然衰减得很快,这使它粗看来像一个粒

子。女士们先生们,我觉得这个发现的最大意义就是,我们必须把一切关于粒子的假相都从头脑里清除出去,不管是电子也好,光子也好,什

么什么子也好,它们都不是那种传统意义上的粒子。把它们拉出来放大,仔细审视它们,你会发现它在空间里融化开来,变成无数振动的叠加

。是的,一个电子,它是涂抹开的,就像涂在面包上的黄油那样,它平时蜷缩得那么紧,以致我们都把它当成小球,但是,这已经被我们的波

函数ψ证明不是真的。多年来物理学误入歧途,我们的脑袋被光谱线,跃迁,能级,矩阵这些古怪的东西搞得混乱不堪,现在,是时候回归经

典了。”

“这个宝箱,”薛定谔指着那口大箱子激动地说,“是一笔遗产,是昔日传奇帝国的所罗门王交由我们继承的。它时时提醒我们,不要为歪门

邪道所诱惑,走到无法回头的岔路上去。物理学需要改革,但不能允许思想的混乱,我们已经听够了奇谈怪论,诸如电子像跳蚤一般地在原子

里跳来跳去,像一个完全无法预见自己方向的醉汉。还有那故弄玄虚的所谓矩阵,没人知道它包含什么物理含义,而它却不停地叫嚷自己是物

理学的正统。不,现在让我们回到坚实的土地上来,这片巨人们曾经奋斗过的土地,这片曾经建筑起那样雄伟构筑的土地,这片充满了骄傲和

光荣历史的土地。简洁、明晰、优美、直观性、连续性、图像化,这是物理学王国中的胜利之杖,它代代相传,引领我们走向胜利。我毫不怀

疑,新的力学将在连续的波动基础上作出,把一切都归于简单的图像中,并继承旧王室的血统。这决不是守旧,因为这种血统同时也是承载了

现代科学300年的灵魂。这是物理学的象征,它的神圣地位决不容许受到撼动,任何人也不行。”

薛定谔这番雄辩的演讲无疑深深感染了在场的绝大部分观众,因为人群中爆发出一阵热烈的掌声和喝彩声。但是,等等,有一个人在不断地摇

头,显得不以为然的样子,薛定谔很快就认出,那是哥廷根的波恩,海森堡的老师。他不是刚刚称赞过自己的方程吗?难道海森堡这小子又用

了什么办法把他拉拢过去了不成?

“嗯,薛定谔先生”,波恩清了清嗓子站起来说,“首先我还是要对您的发现表示由衷的赞叹,这无疑是稀世奇珍,不是每个人都有如此幸运

做出这样伟大的成就的。”薛定谔点了点头,心情放松了一点。“但是,”波恩接着说,“我可以问您一个问题吗?虽然这是您找到的,但您

本人有没有真正地打开过箱子,看看里面是什么呢?”

这令薛定谔大大地尴尬,他踟躇了好一会儿才回答:“说实话,我也没有真正看见过里面的东西,因为我没有箱子的钥匙。”众人一片惊诧。

“如果是这样的话,”波恩小心翼翼地说,“我倒以为,我不太同意您刚才的猜测呢。”

“哦?”两个人对视了一阵,薛定谔终于开口说:“那么您以为,这里面究竟是什么东西呢?”

“毫无疑问,”波恩凝视着那雕满了古典花纹的箱子和它上面那把沉重的大锁,“这里面藏着一些至关紧要的事物,它的力量足以改变整个物

理学的面貌。但是,我也有一种预感,这股束缚着的力量是如此强大,它将把物理学搞得天翻地覆。当然,你也可以换个词语说,为物理学带

来无边的混乱。”

“哦,是吗?”薛定谔惊奇地说,“照这么说来,难道它是潘多拉的盒子?”

“嗯。”波恩点了点头,“人们将陷入困惑和争论中,物理学会变成一个难以理解的奇幻世界。老实说,虽然我隐约猜到了里面是什么,我还

是不能确定该不该把它说出来。”

薛定谔盯着波恩:“我们都相信科学的力量,在于它敢于直视一切事实,并毫不犹豫地去面对它,检验它,把握它,不管它是什么。何况,就

算是潘多拉盒子,我们至少也还拥有盒底那最宝贵的东西,难道你忘了吗?”

“是的,那是希望。”波恩长出了一口气,“你说的对,不管是祸是福,我们至少还拥有希望。只有存在争论,物理学才拥有未来。”

“那么,你说这箱子里是……?”全场一片静默,人人都不敢出声。

波恩突然神秘地笑了:“我猜,这里面藏的是……”

“……骰子。”



骰子?骰子是什么东西?它应该出现在大富翁游戏里,应该出现在澳门和拉斯维加斯的赌场中,但是,物理学?不,那不是它应该来的地方。

骰子代表了投机,代表了不确定,而物理学不是一门最严格最精密,最不能容忍不确定的科学吗?

可以想象,当波恩于1926年7月将骰子带进物理学后,是引起了何等的轩然大波。围绕着这个核心解释所展开的争论激烈而尖锐,把物理学加热

到了沸点。这个话题是如此具有争议性,很快就要引发20世纪物理史上最有名的一场大论战,而可怜的波恩一直要到整整28年后,才因为这一

杰出的发现而获得诺贝尔奖金——比他的学生们晚上许多。

不管怎么样,我们还是先来看看波恩都说了些什么。骰子,这才是薛定谔波函数ψ的解释,它代表的是一种随机,一种概率,而决不是薛定谔

本人所理解的,是电子电荷在空间中的实际分布。波恩争辩道,ψ,或者更准确一点,ψ的平方,代表了电子在某个地点出现的“概率”。电子

本身不会像波那样扩展开去,但是它的出现概率则像一个波,严格地按照ψ的分布所展开。

我们来回忆一下电子或者光子的双缝干涉实验,这是电子波动性的最好证明。当电子穿过两道狭缝后,便在感应屏上组成了一个明暗相间的图

案,展示了波峰和波谷的相互增强和抵消。但是,正如粒子派指出的那样,每次电子只会在屏上打出一个小点,只有当成群的电子穿过双缝后

,才会逐渐组成整个图案。

现在让我们来做一个思维实验,想象我们有一台仪器,它每次只发射出一个电子。这个电子穿过双缝,打到感光屏上,激发出一个小亮点。那

么,对于这一个电子,我们可以说些什么呢?很明显,我们不能预言它组成类波的干涉条纹,因为一个电子只会留下一个点而已。事实上,对

于这个电子将会出现在屏幕上的什么地方,我们是一点头绪都没有的,多次重复我们的实验,它有时出现在这里,有时出现在那里,完全不是

一个确定的过程。

不过,我们经过大量的观察,却可以发现,这个电子不是完全没有规律的:它在某些地方出现的可能性要大一些,在另一些地方则小一些。它

出现频率高的地方,恰恰是波动所预言的干涉条纹的亮处,它出现频率低的地方则对应于暗处。现在我们可以理解为什么大量电子能组成干涉

条纹了,因为虽然每一个电子的行为都是随机的,但这个随机分布的总的模式却是确定的,它就是一个干涉条纹的图案。这就像我们掷骰子,

虽然每一个骰子掷下去,它的结果都是完全随机的,从1到6都有可能,但如果你投掷大量的骰子到地下,然后数一数每个点的数量,你会发现1

到6的结果差不多是平均的。

关键是,单个电子总是以一个点的面貌出现,它从来不会像薛定谔所说的那样,在屏幕上打出一滩图案来。只有大量电子接二连三地跟进,总

的干涉图案才会逐渐出现。其中亮的地方也就是比较多的电子打中的地方,换句话说,就是单个电子比较容易出现的地方,暗的地带则正好相

反。如果我们发现,有9成的粒子聚集在亮带,只有1成的粒子在暗带,那么我们就可以预言,对于单个粒子来说,它有90%的可能出现在亮带

的区域,10%的可能出现在暗带。但是,究竟出现在哪里,我们是无法确定的,我们只能预言概率而已。

我们只能预言概率而已。

但是,等等,我们怎么敢随便说出这种话来呢?这不是对于古老的物理学的一种大不敬吗?从伽利略牛顿以来,成千上百的先辈们为这门科学

呕心沥血,建筑起了这样宏伟的构筑,它的力量统治整个宇宙,从最大的星系到最小的原子,万事万物都在它的威力下必恭必敬地运转。任何

巨大的或者细微的动作都逃不出它的力量。星系之间产生可怕的碰撞,释放出难以想象的光和热,并诞生数以亿计的新恒星;宇宙射线以惊人

的高速穿越遥远的空间,见证亘古的时光;微小得看不见的分子们你推我搡,喧闹不停;地球庄严地围绕着太阳运转,它自己的自转轴同时以

难以觉察的速度轻微地振动;坚硬的岩石随着时光流逝而逐渐风化;鸟儿扑动它的翅膀,借着气流一飞冲天。这一切的一切,不都是在物理定

律的监视下一丝不苟地进行的吗?

更重要的是,物理学不仅能够解释过去和现在,它还能预言未来。我们的定律和方程能够毫不含糊地预测一颗炮弹的轨迹以及它降落的地点;

我们能预言几千年后的日食,时刻准确到秒;给我一张电路图,多复杂都行,我能够说出它将做些什么;我们制造的机器乖乖地按照我们预先

制定好的计划运行。事实上,对于任何一个系统,只要给我足够的初始信息,赋予我足够的运算能力,我能够推算出这个体系的一切历史,从

它最初怎样开始运行,一直到它在遥远的未来的命运,一切都不是秘密。是的,一切系统,哪怕骰子也一样。告诉我骰子的大小,质量,质地

,初速度,高度,角度,空气阻力,桌子的质地,摩擦系数,告诉我一切所需要的情报,那么,只要我拥有足够的运算能力,我可以毫不迟疑

地预先告诉你,这个骰子将会掷出几点来。

物理学统治整个宇宙,它的过去和未来,一切都尽在掌握。这已经成了物理学家心中深深的信仰。19世纪初,法国的大科学家拉普拉斯

(Pierre Simon de Laplace)在用牛顿方程计算出了行星轨道后,把它展示给拿破仑看。拿破仑问道:“在你的理论中,上帝在哪儿呢?”拉

普拉斯平静地回答:“陛下,我的理论不需要这个假设。”

是啊,上帝在物理学中能有什么位置呢?一切都是由物理定律来统治的,每一个分子都遵照物理定律来运行,如果说上帝有什么作用的话,他

最多是在一开始推动了这个体系一下,让它得以开始运转罢了。在之后的漫长历史中,有没有上帝都是无关紧要的了,上帝被物理学赶出了舞

台。

“我不需要上帝这个假设。”拉普拉斯站在拿破仑面前说。这可算科学最光荣最辉煌的时刻之一了,它把无边的自豪和骄傲播撒到每一个科学

家的心中。不仅不需要上帝,拉普拉斯想象,假如我们有一个妖精,一个大智者,或者任何拥有足够智慧的人物,假如他能够了解在某一刻,

这个宇宙所有分子的运动情况的话,那么他就可以从正反两个方向推演,从而得出宇宙在任意时刻的状态。对于这样的智者来说,没有什么过

去和未来的分别,一切都历历在目。宇宙从它出生的那一刹那开始,就坠入了一个预定的轨道,它严格地按照物理定律发展,没有任何岔路可

以走,一直到遇见它那注定的命运为止。就像你出手投篮,那么,这究竟是一个三分球,还是打中篮筐弹出,或者是一个air ball,这都在你

出手的一刹那决定了,之后我们所能做的,就是看着它按照写好的剧本发展而已。

是的,科学家知道过去;是的,科学家明白现在;是的,科学家了解未来。只要掌握了定律,只要搜集足够多的情报,只要能够处理足够大的

运算量,科学家就能如同上帝一般无所不知。整个宇宙只不过是一台精密的机器,它的每个零件都按照定律一丝不苟地运行,这种想法就是古

典的,严格的决定论(determinism)。宇宙从出生的那一刹那起,就有一个确定的命运。我们现在无法了解它,只是因为我们所知道的信息太

少而已。

那么多的天才前仆后继,那么多的伟人呕心沥血,那么多在黑暗中的探索,挣扎,奋斗,这才凝结成物理学在19世纪黄金时代的全部光荣。物

理学家终于可以说,他们能够预测神秘的宇宙了,因为他们找到了宇宙运行的奥秘。他们说这话时,带着一种神圣而不可侵犯的情感,决不饶

恕任何敢于轻视物理学力量的人。

可是,现在有人说,物理不能预测电子的行为,它只能找到电子出现的概率而已。无论如何,我们也没办法确定单个电子究竟会出现在什么地

方,我们只能猜想,电子有90%的可能出现在这里,10%的可能出现在那里。这难道不是对整个物理历史的挑衅,对物理学的光荣和尊严的一

种侮辱吗?

我们不能确定?物理学的词典里是没有这个字眼的。在中学的物理考试中,题目给了我们一个小球的初始参数,要求t时刻的状态,你敢写上“

我不能确定”吗?要是你这样做了,你的物理老师准会气得吹胡子瞪眼睛,并且毫不犹豫地给你亮个红灯。不能确定?不可能,物理学什么都

能确定。诚然,有时候为了方便,我们也会引进一些统计的方法,比如处理大量的空气分子运动时,但那是完全不同的一个问题。科学家只是

凡人,无法处理那样多的复杂计算,所以应用了统计的捷径。但是从理论上来说,只要我们了解每一个分子的状态,我们完全可以严格地推断

出整个系统的行为,分毫不爽。

然而波恩的解释不是这样,波恩的意思是,就算我们把电子的初始状态测量得精确无比,就算我们拥有最强大的计算机可以计算一切环境对电

子的影响,即便如此,我们也不能预言电子最后的准确位置。这种不确定不是因为我们的计算能力不足而引起的,它是深藏在物理定律本身内

部的一种属性。即使从理论上来说,我们也不能准确地预测大自然。这已经不是推翻某个理论的问题,这是对整个决定论系统的挑战,而决定

论是那时整个科学的基础。量子论挑战整个科学。

波恩在论文里写道:“……这里出现的是整个决定论的问题了。”(Hier erhebt sich der ganze Problematik des Determinismus.)

对于许多物理学家来说,这是一个不可原谅的假设。骰子?不确定?别开玩笑了。对于他们中的好些人来说,物理学之所以那样迷人,那样富

有魔力,正是因为它深刻,明晰,能够确定一切,扫清人们的一切疑惑,这才使他们义无反顾地投身到这一事业中去。现在,物理学竟然有变

成摇奖机器的危险,竟然要变成一个掷骰子来决定命运的赌徒,这怎么能够容忍呢?

不确定?

一场史无前例的大争论即将展开,在争吵和辩论后面是激动,颤抖,绝望,泪水,伴随着整个决定论在20世纪的悲壮谢幕。


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饭后闲话:决定论

可以说决定论的兴衰浓缩了整部自然科学在20世纪的发展史。科学从牛顿和拉普拉斯的时代走来,辉煌的成功使它一时得意忘形,认为它具有

预测一切的能力。决定论认为,万物都已经由物理定律所规定下来,连一个细节都不能更改。过去和未来都像已经写好的剧本,宇宙的发展只

能严格地按照这个剧本进行,无法跳出这个窠臼。

矜持的决定论在20世纪首先遭到了量子论的严重挑战,随后混沌动力学的兴起使它彻底被打垮。现在我们已经知道,即使没有量子论把概率这

一基本属性赋予自然界,就牛顿方程本身来说,许多系统也是极不稳定的,任何细小的干扰都能够对系统的发展造成极大的影响,差之毫厘,

失之千里。这些干扰从本质上说是不可预测的,因此想凭借牛顿方程来预测整个系统从理论上说也是不可行的。典型的例子是长期的天气预报

,大家可能都已经听说过洛伦兹著名的“蝴蝶效应”,哪怕一只蝴蝶轻微地扇动它的翅膀,也能给整个天气系统造成戏剧性的变化。现在的天

气预报也已经普遍改用概率性的说法,比如“明天的降水概率是20%”。

1986年,著名的流体力学权威,詹姆士?莱特希尔爵士(Sir James Lighthill,他于1969年从狄拉克手里接过剑桥卢卡萨教授的席位,也就是

牛顿曾担任过的那个)于皇家学会纪念牛顿《原理》发表300周年的集会上发表了轰动一时的道歉:

“现在我们都深深意识到,我们的前辈对牛顿力学的惊人成就是那样崇拜,这使他们把它总结成一种可预言的系统。而且说实话,我们在1960

年以前也大都倾向于相信这个说法,但现在我们知道这是错误的。我们以前曾经误导了公众,向他们宣传说满足牛顿运动定律的系统是决定论

的,但是这在1960年后已被证明不是真的。我们都愿意在此向公众表示道歉。”
(We are all deeply conscious today that the enthusiasm of our forebears for the marvelous achievements of Newtonian

mechanics led them to make generalizations in this area of predictability which, indeed, we may have generally tended to

believe before 1960, but which we now recognize were false. We collectively wish to apologize for having misled the general

educated public by spreading ideas about the determinism of systems satisfying Newton's laws of motion that, after 1960,were

to be proved incorrect.)

决定论的垮台是否注定了自由意志的兴起?这在哲学上是很值得探讨的。事实上,在量子论之后,物理学越来越陷于形而上学的争论中。也许

形而上学(metaphysics)应该改个名字叫“量子论之后”(metaquantum)。在我们的史话后面,我们会详细地探讨这些问题。

Ian Stewart写过一本关于混沌的书,书名也叫《上帝掷骰子吗》。这本书文字优美,很值得一读,当然和我们的史话没什么联系。我用这个名

字,一方面是想强调决定论的兴衰是我们史话的中心话题,另外,毕竟爱因斯坦这句名言本来的版权是属于量子论的。



在我们出发去回顾新量子论与经典决定论的那场惊心动魄的悲壮决战之前,在本章的最后还是让我们先来关注一下历史遗留问题,也就是我们

的微粒和波动的宿怨。波恩的概率解释无疑是对薛定谔传统波动解释的一个沉重打击,现在,微粒似乎可以暂时高兴一下了。

“看,”它嘲笑对手说,“薛定谔也救不了你,他对波函数的解释是站不住脚的。难怪总是有人说,薛定谔的方程比薛定谔本人还聪明哪。波

恩的概率才是有道理的,电子始终是一个电子,任何时候你观察它,它都是一个粒子,你吵嚷多年的所谓波,原来只是那看不见摸不着的‘概

率’罢了。哈哈,把这个头衔让给你,我倒是毫无异议的,但你得首先承认我的正统地位。”

但是波动没有被吓倒,说实话,双方300年的恩怨缠结,经过那么多风风雨雨,早就练就了处变不惊的本领。“哦,是吗?”它冷静地回应道,

“恐怕事情不如你想象得那么简单吧?我们不如缩小到电子那个尺寸,去亲身感受一下一个电子在双缝实验中的经历如何?”

微粒迟疑了一下便接受了:“好吧,让你彻底死心也好。”

那么,现在让我们也想象自己缩小到电子那个尺寸,跟着它一起去看看事实上到底发生了什么事。一个电子的直径小于一亿分之一埃,也就是

10^-23米,它的质量小于10^-30千克,变得这样小,看来这必定是一次奇妙的旅程呢。

好,现在我们已经和一个电子一样大了,突然缩小了那么多,还真有点不适应,看出去的世界也变得模糊扭曲起来。不过,我们第一次发现,

世界原来那么空旷,几乎是空无一物,这也情有可原,从我们的尺度看来,原子核应该像是远在天边吧?好,现在迎面来了一个电子,这是个

好机会,让我们睁大眼睛,仔细地看一看它究竟是个粒子还是波?奇怪,为什么我们什么都看不见呢?啊,原来我们忘了一个关键的事实!

要“看见”东西,必须有光进入我们的眼睛才行。但现在我们变得这么小,即使光——不管它是光子还是光波——对于我们来说也太大了。但

是不管怎样,为了探明这个秘密,我们必须得找到从电子那里反射过来的光,凭感觉,我知道从左边来了一团光(之所以说“一团”光,是因

为我不清楚它究竟是一个光粒子还是一道光波,没有光,我也看不到光本身,是吧?),现在让我们勇敢地迎上去,啊,秘密就要揭开了!

随着“砰”地一声,我们被这团光粗暴地击中,随后身不由己地飞到半空中,被弹出了十万八千里。这次撞击使得我们浑身筋骨欲脱,脑中天

旋地转,眼前直冒金星。我们忘了自己现在是个什么尺寸!要不是运气好,这次碰撞已经要了咱们的小命。当好不容易爬起来时,早就不知道

自己身在何方,那个电子更是无影无踪了。

刚才真是好险,看来这一招是行不通的。不过,我听见声音了,是微粒和波动在前面争论呢,咱们还是跟着这哥俩去看个究竟。它们为了模拟

一个电子的历程,从某个阴极射线管出发,现在,面前就是那著名的双缝了。

“嗨,微粒。”波动说道,“假如电子是个粒子的话,它下一步该怎样行动呢?眼前有两条缝,它只能选择其中之一啊,如果它是个粒子,它

不可能两条缝都通过吧?”

“嗯,没错。”微粒说,“粒子就是一个小点,是不可分割的。我想,电子必定选择通过了其中的某一条狭缝,然后投射到后面的光屏上,激

发出一个小点。”

“可是,”波动一针见血地说,“它怎能够按照干涉模式的概率来行动呢?比如说它从右边那条缝过去了吧,当它打到屏幕前,它怎么能够知

道,它应该有90%的机会出现到亮带区,10%的机会留给暗带区呢?要知道这个干涉条纹可是和两条狭缝之间的距离密切相关啊,要是电子只

通过了一条缝,它是如何得知两条缝之间的距离的呢?”

微粒有点尴尬,它迟疑地说:“我也承认,伴随着一个电子的有某种类波的东西,也就是薛定谔的波函数ψ,波恩说它是概率,我们就假设它

是某种看不见的概率波吧。你可以把它想象成从我身上散发出去的某种看不见的场,我想,在我通过双缝之前,这种看不见的波场在空间中弥

漫开去,探测到了双缝之间的距离,从而使我得以知道如何严格地按照概率行动。但是,我的实体必定只能通过其中的一条缝。”

“一点道理也没有。”波动摇头说,“我们不妨想象这样一个情景吧,假如电子是一个粒子,它现在决定通过右边的那条狭缝。姑且相信你的

说法,有某种概率波事先探测到了双缝间的距离,让它胸有成竹知道如何行动。可是,假如在它进入右边狭缝前的那一刹那,有人关闭了另一

道狭缝,也就是左边的那道狭缝,那时会发生什么情形呢?”

微粒有点脸色发白。

“那时候,”波动继续说,“就没有双缝了,只有单缝。电子穿过一条缝,就无所谓什么干涉条纹。也就是说,当左边狭缝关闭的一刹那,电

子的概率必须立刻从干涉模式转换成普通模式,变成一条长狭带。”

“现在,我倒请问,电子是如何在穿过狭缝前的一刹那,及时地得知另一条狭缝关闭这个事实的呢?要知道它可是一个小得不能再小的电子啊

,另一条狭缝距离它是如此遥远,就像从上海隔着大洋遥望洛杉矶。它如何能够瞬间作出反应,修改自己的概率分布呢?除非它收到了某种瞬

时传播来的信号,怎么,你想开始反对相对论了吗?”

“好吧,”微粒不服气地说,“那么,我倒想听听你的解释。”

“很简单,”波动说,“电子是一个在空间中扩散开去的波,它同时穿过了两条狭缝,当然,这也就是它造成完美干涉的原因了。如果你关闭

一个狭缝,那么显然就关闭了一部分波的路径,这时就谈不上干涉了。”

“听起来很不错。”微粒说,“照你这么说,ψ是某种实际的波,它穿过两道狭缝,完全确定而连续地分布着,一直到击中感应屏前。不过,

之后呢?之后发生了什么事?”

“之后……”波动也有点语塞,“之后,出于某种原因,ψ收缩成了一个小点。”

“哈,真奇妙。”微粒故意把声音拉长以示讽刺,“你那扩散而连续的波突然变成了一个小点!请问发生了什么事呢?波动家族突然全体罢工

了?”

波动气得面红耳赤,它争辩道:“出于某种我们尚不清楚的机制……”

“好吧,”微粒不耐烦地说,“实践是检验真理的唯一标准是吧?既然我说电子只通过了一条狭缝,而你硬说它同时通过两条狭缝,那么搞清

我们俩谁对谁错不是很简单吗?我们只要在两道狭缝处都安装上某种仪器,让它在有粒子——或者波,不论是什么——通过时记录下来或者发

出警报,那不就成了?这种仪器又不是复杂而不可制造的。”

波动用一种奇怪的眼光看着微粒,良久,它终于说:“不错,我们可以装上这种仪器。我承认,一旦我们试图测定电子究竟通过了哪条缝时,

我们永远只会在其中的一处发现电子。两个仪器不会同时响。”

微粒放声大笑:“你早说不就得了?害得我们白费了这么多口水!怎么,这不就证明了,电子只可能是一个粒子,它每次只能通过一条狭缝吗

?你还跟我唠叨个什么!”但是它渐渐发现气氛有点不对劲,终于它笑不出来了。

“怎么?”它瞪着波动说。

波动突然咧嘴一笑:“不错,每次我们只能在一条缝上测量到电子。但是,你要知道,一旦我们展开这种测量的时候,干涉条纹也就消失了…

…”

……

时间是1927年2月,哥本哈根仍然是春寒料峭,大地一片冰霜。玻尔坐在他的办公室里若有所思:粒子还是波呢?5个月前,薛定谔的那次来访

还历历在目,整个哥本哈根学派为了应付这场硬仗,花了好些时间去钻研他的波动力学理论,但现在,玻尔突然觉得,这个波动理论非常出色

啊。它简洁,明确,看起来并不那么坏。在写给赫维西(Hevesy)的信里,玻尔已经把它称作“一个美妙的理论”。尤其是有了波恩的概率解

释之后,玻尔已经毫不犹豫地准备接受这一理论并把它当作量子论的基础了。

嗯,波动,波动。玻尔知道,海森堡现在对于这个词简直是条件反射似地厌恶。在他的眼里只有矩阵数学,谁要是跟他提起薛定谔的波他准得

和谁急,连玻尔本人也不例外。事实上,由于玻尔态度的转变,使得向来亲密无间的哥本哈根派内部第一次产生了裂痕。海森堡……他在得知

玻尔的意见后简直不敢相信自己的耳朵。现在,气氛已经闹得够僵了,玻尔为了不让事态恶化,准备离开丹麦去挪威度个长假。过去的1926年

就是在无尽的争吵中度过的,那一整年玻尔只发表了一篇关于自旋的小文章,是时候停止争论了。

但是,粒子?波?那个想法始终在他脑中缠绕不去。

进来一个人,是他的另一位助手奥斯卡?克莱恩(Oskar Klein)。在过去的一年里他的成就斐然,他不仅成功地把薛定谔方程相对论化了,还

在其中引进了“第五维度”的思想,这得到了老洛伦兹的热情赞扬。不管怎么说,他可算哥本哈根最熟悉量子波动理论的人之一了。有他助阵

,玻尔更加相信,海森堡实在是持有一种偏见,波动理论是不可偏废的。
“要统一,要统一。”玻尔喃喃地说。克莱恩抬起头来看他:“您对波动理论是怎么想的呢?”

“波,电子无疑是个波。”玻尔肯定地说。

“哦,那样说来……”

“但是,”玻尔打断他,“它同时又不是个波。从BKS倒台以来,我就隐约地猜到了。”

克莱恩笑了:“您打算发表这一观点吗?”

“不,还不是时候。”

“为什么?”

玻尔叹了一口气:“克莱恩,我们的对手非常强大……非常强大,我还没有准备好……”


(注:老的说法认为,互补原理只有在不确定原理提出后才成型。但现在学者们都同意,这一思想有着复杂的来源,为了把重头戏留给下一章

,我在这里先带一笔波粒问题。)

第七章 不确定性



我们的史话说到这里,是时候回顾一下走过的路程了。我们已经看到煊赫一时的经典物理大厦如何忽喇喇地轰然倾倒,我们已经看到以黑体问

题为导索,普朗克的量子假设是如何点燃了新革命的星星之火。在这之后,爱因斯坦的光量子理论赋予了新生的量子以充实的力量,让它第一

次站起身来傲视群雄,而玻尔的原子理论借助了它的无穷能量,开创出一片崭新的天地来。

我们也已经讲到,关于光的本性,粒子和波动两种理论是如何从300年前开始不断地交锋,其间兴废存亡有如白云苍狗,沧海桑田。从德布罗意

开始,这种本质的矛盾成为物理学的基本问题,而海森堡从不连续性出发创立了他的矩阵力学,薛定谔沿着另一条连续性的道路也发现了他的

波动方程。这两种理论虽然被数学证明是同等的,但是其物理意义却引起了广泛的争论,波恩的概率解释更是把数百年来的决定论推上了怀疑

的舞台,成为浪尖上的焦点。而另一方面,波动和微粒的战争现在也到了最关键的时候。

接下去,物理学中将会发生一些真正奇怪的事情。它将把人们的哲学观改造成一种似是而非的疯狂理念,并把物理学本身变成一个大漩涡。20

世纪最著名的争论即将展开,其影响一直延绵到今日。我们已经走了这么长的路,现在都筋疲力尽,委顿不堪,可是我们却已经无法掉头。回

首处,白云遮断归途,回到经典理论那温暖的安乐窝中已经是不可能的了,摆在我们眼前的,只有一条漫长而崎岖的道路,一直通向遥远而未

知的远方。现在,就让我们鼓起最大的勇气,跟着物理学家们继续前进,去看看隐藏在这道路尽头的,究竟是怎样的一副景象。

我们这就回到1927年2月,那个神奇的冬天。过去的几个月对于海森堡来说简直就像一场恶梦,越来越多的人转投向薛定谔和他那该死的波动理

论一方,把他的矩阵忘得个一干二净。海森堡当初的那些出色的论文,现在给人们改写成波动方程的另类形式,这让他尤其不能容忍。他后来

给泡利写信说:“对于每一份矩阵的论文,人们都把它改写成‘共轭’的波动形式,这让我非常讨厌。我想他们最好两种方法都学学。”

但是,最让他伤心的,无疑是玻尔也转向了他的对立面。玻尔,那个他视为严师、慈父、良友的玻尔,那个他们背后称作“量子论教皇”的玻

尔,那个哥本哈根军团的总司令和精神领袖,现在居然反对他!这让海森堡感到无比的委屈和悲伤。后来,当玻尔又一次批评他的理论时,海

森堡甚至当真哭出了眼泪。对海森堡来说,玻尔在他心目中的地位是独一无二的,失去了他的支持,海森堡感觉就像在河中游水的小孩子失去

了大人的臂膀,有种孤立无援的感觉。

不过,现在玻尔已经去挪威度假了,他大概在滑雪吧?海森堡记得玻尔的滑雪水平拙劣得很,不禁微笑一下。玻尔已经不能提供什么帮助了,

他现在和克莱恩抱成一团,专心致志地研究什么相对论化的波动。波动!海森堡哼了一声,打死他他也不承认,电子应该解释成波动。不过事

情还不至于糟糕到顶,他至少还有几个战友:老朋友泡利,哥廷根的约尔当,还有狄拉克——他现在也到哥本哈根来访问了。

不久前,狄拉克和约尔当分别发展了一种转换理论,这使得海森堡可以方便地用矩阵来处理一些一直用薛定谔方程来处理的概率问题。让海森

堡高兴的是,在狄拉克的理论里,不连续性被当成了一个基础,这更让他相信,薛定谔的解释是靠不住的。但是,如果以不连续性为前提,在

这个体系里有些变量就很难解释,比如,一个电子的轨迹总是连续的吧?

海森堡尽力地回想矩阵力学的创建史,想看看问题出在哪里。我们还记得,海森堡当时的假设是:整个物理理论只能以可被观测到的量为前提

,只有这些变量才是确定的,才能构成任何体系的基础。不过海森堡也记得,爱因斯坦不太同意这一点,他受古典哲学的熏陶太浓,是一个无

可救要的先验主义者。

“你不会真的相信,只有可观察的量才能有资格进入物理学吧?”爱因斯坦曾经这样问他。

“为什么不呢?”海森堡吃惊地说,“你创立相对论时,不就是因为‘绝对时间’不可观察而放弃它的吗?”

爱因斯坦笑了:“好把戏不能玩两次啊。你要知道在原则上,试图仅仅靠可观察的量来建立理论是不对的。事实恰恰相反:是理论决定了我们

能够观察到的东西。”

是吗?理论决定了我们观察到的东西?那么理论怎么解释一个电子在云室中的轨迹呢?在薛定谔看来,这是一系列本征态的叠加,不过,

forget him!海森堡对自己说,还是用我们更加正统的矩阵来解释解释吧。可是,矩阵是不连续的,而轨迹是连续的,而且,所谓“轨迹”早

就在矩阵创立时被当作不可观测的量被抛弃了……

窗外夜阑人静,海森堡冥思苦想而不得要领。他愁肠百结,辗转难寐,决定起身到离玻尔研究所不远的Faelled公园去散散步。深夜的公园空无

一人,晚风吹在脸上还是凛冽寒冷,不过却让人清醒。海森堡满脑子都装满了大大小小的矩阵,他又想起矩阵那奇特的乘法规则:

p×q ≠ q×p

理论决定了我们观察到的东西?理论说,p×q ≠ q×p,它决定了我们观察到的什么东西呢?

I×II什么意思?先搭乘I号线再转乘II号线。那么,p×q什么意思?p是动量,q是位置,这不是说……

似乎一道闪电划过夜空,海森堡的神志突然一片清澈空明。

p×q ≠ q×p,这不是说,先观测动量p,再观测位置q,这和先观测q再观测p,其结果是不一样的吗?

等等,这说明了什么?假设我们有一个小球向前运动,那么在每一个时刻,它的动量和位置不都是两个确定的变量吗?为什么仅仅是观测次序

的不同,其结果就会产生不同呢?海森堡的手心捏了一把汗,他知道这里藏着一个极为重大的秘密。这怎么可能呢?假如我们要测量一个矩形

的长和宽,那么先测量长还是先测量宽,这不是一回事吗?

除非……

除非测量动量p这个动作本身,影响到了q的数值。反过来,测量q的动作也影响p的值。可是,笑话,假如我同时测量p和q呢?

海森堡突然间像看见了神启,他豁然开朗。

p×q ≠ q×p,难道说,我们的方程想告诉我们,同时观测p和q是不可能的吗?理论不但决定我们能够观察到的东西,它还决定哪些是我们观

察不到的东西!

但是,我给搞糊涂了,不能同时观测p和q是什么意思?观测p影响q?观测q影响p?我们到底在说些什么?如果我说,一个小球在时刻t,它的位

置坐标是10米,速度是5米/秒,这有什么问题吗?

“有问题,大大地有问题。”海森堡拍手说。“你怎么能够知道在时刻t,某个小球的位置是10米,速度是5米/秒呢?你靠什么知道呢?”

“靠什么?这还用说吗?观察呀,测量呀。”

“关键就在这里!测量!”海森堡敲着自己的脑壳说,“我现在全明白了,问题就出在测量行为上面。一个矩形的长和宽都是定死的,你测量

它的长的同时,其宽绝不会因此而改变,反之亦然。再来说经典的小球,你怎么测量它的位置呢?你必须得看到它,或者用某种仪器来探测它

,不管怎样,你得用某种方法去接触它,不然你怎么知道它的位置呢?就拿‘看到’来说吧,你怎么能‘看到’一个小球的位置呢?总得有某

个光子从光源出发,撞到这个球身上,然后反弹到你的眼睛里吧?关键是,一个经典小球是个庞然大物,光子撞到它就像蚂蚁撞到大象,对它

的影响小得可以忽略不计,绝不会影响它的速度。正因为如此,我们大可以测量了它的位置之后,再从容地测量它的速度,其误差微不足道。

“但是,我们现在在谈论电子!它是如此地小而轻,以致于光子对它的撞击决不能忽略不计了。测量一个电子的位置?好,我们派遣一个光子

去执行这个任务,它回来怎么报告呢?是的,我接触到了这个电子,但是它给我狠狠撞了一下后,飞到不知什么地方去了,它现在的速度我可

什么都说不上来。看,为了测量它的位置,我们剧烈地改变了它的速度,也就是动量。我们没法同时既准确地知道一个电子的位置,同时又准

确地了解它的动量。”

海森堡飞也似地跑回研究所,埋头一阵苦算,最后他得出了一个公式:

△p×△q > h/2π

△p和△q分别是测量p和测量q的误差,h是普朗克常数。海森堡发现,测量p和测量q的误差,它们的乘积必定要大于某个常数。如果我们把p测

量得非常精确,也就是说△p非常小,那么相应地,△q必定会变得非常大,也就是说我们关于q的知识就要变得非常模糊和不确定。反过来,假

如我们把位置q测得非常精确,p就变得摇摆不定,误差急剧增大。

假如我们把p测量得100%地准确,也就是说△p=0,那么△q就要变得无穷大。这就是说,假如我们了解了一个电子动量p的全部信息,那么我们

就同时失去了它位置q的所有信息,我们一点都不知道,它究竟身在何方,不管我们怎么安排实验都没法做得更好。鱼与熊掌不能得兼,要么我

们精确地知道p而对q放手,要么我们精确地知道q而放弃对p的全部知识,要么我们折衷一下,同时获取一个比较模糊的p和比较模糊的q。

p和q就像一对前世冤家,它们人生不相见,动如参与商,处在一种有你无我的状态。不管我们亲近哪个,都会同时急剧地疏远另一个。这种奇

特的量被称为“共轭量”,我们以后会看到,这样的量还有许多。

海森堡的这一原理于1927年3月23日在《物理学杂志》上发表,被称作Uncertainty Principle。当它最初被翻译成中文的时候,被十分可爱地

译成了“测不准原理”,不过现在大多数都改为更加具有普遍意义的“不确定性原理”。
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量子人物素描

薛定谔:
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海森堡:
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玻尔:
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不确定性原理……不确定?我们又一次遇到了这个讨厌的词。还是那句话,这个词在物理学中是不受欢迎的。如果物理学什么都不能确定,那

我们还要它来干什么呢?本来波恩的概率解释已经够让人烦恼的了——即使给定全部条件,也无法预测结果。现在海森堡干得更绝,给定全部

条件?这个前提本身都是不可能的,给定了其中一部分条件,另一部分条件就要变得模糊不清,无法确定。给定了p,那么我们就要对q说拜拜

了。

这可不太美妙,一定有什么地方搞错了。我们测量了p就无法测量q?我倒不死心,非要来试试看到底行不行。好吧,海森堡接招,还记得威尔

逊云室吧?你当初不就是为了这个问题苦恼吗?透过云室我们可以看见电子运动的轨迹,那么通过不断地测量它的位置,我们当然能够计算出

它的瞬时速度来,这样不就可以同时知道它的动量了吗?

“这个问题,”海森堡笑道,“我终于想通了。电子在云室里留下的并不是我们理解中的精细的‘轨迹’,事实上那只是一连串凝结的水珠。

你把它放大了看,那是不连续的,一团一团的‘虚线’,根本不可能精确地得出位置的概念,更谈不上违反不确定原理。”

“哦?是这样啊。那么我们就仔细一点,把电子的精细轨迹找出来不就行了?我们可以用一个大一点的显微镜来干这活,理论上不是不可能的

吧?”

“对了,显微镜!”海森堡兴致勃勃地说,“我正想说显微镜这事呢。就让我们来做一个思维实验(Gedanken-experiment),想象我们有一个

无比强大的显微镜吧。不过,再厉害的显微镜也有它基本的原理啊,要知道,不管怎样,如果我们用一种波去观察比它的波长还要小的事物的

话,那就根本谈不上精确了,就像用粗笔画不出细线一样。如果我们想要观察电子这般微小的东西,我们必须要采用波长很短的光。普通光不

行,要用紫外线,X射线,甚至γ射线才行。”

“好吧,反正是思维实验用不着花钱,我们就假设上头破天荒地拨了巨款,给我们造了一台最先进的γ射线显微镜吧。那么,现在我们不就可

以准确地看到电子的位置了吗?”

“可是,”海森堡指出,“你难道忘了吗?任何探测到电子的波必然给电子本身造成扰动。波长越短的波,它的频率就越高,是吧?大家都应

该还记得普朗克的公式E = hν,频率一高的话能量也相应增强,这样给电子的扰动就越厉害,同时我们就更加无法了解它的动量了。你看,这

完美地满足不确定性原理。”

“你这是狡辩。好吧我们接受现实,每当我们用一个光子去探测电子的位置,就会给它造成强烈的扰动,让它改变方向速度,向另一个方向飞

去。可是,我们还是可以采用一些聪明的,迂回的方法来实现我们的目的啊。比如我们可以测量这个反弹回来的光子的方向速度,从而推导出

它对电子产生了何等的影响,进而导出电子本身的方向速度。怎样,这不就破解了你的把戏吗?”

“还是不行。”海森堡摇头说,“为了达到那样高的灵敏度,我们的显微镜必须有一块很大直径的透镜才行。你知道,透镜把所有方向来的光

都聚集到一个焦点上,这样我们根本就无法分辨出反弹回来的光子究竟来自何方。假如我们缩小透镜的直径以确保光子不被聚焦,那么显微镜

的灵敏度又要变差而无法胜任此项工作。所以你的小聪明还是不奏效。”

“真是邪门。那么,观察显微镜本身的反弹怎样?”

“一样道理,要观察这样细微的效应,就要用波长短的光,所以它的能量就大,就给显微镜本身造成抹去一切的扰动……”

等等,我们并不死心。好吧,我们承认,我们的观测器材是十分粗糙的,我们的十指笨拙,我们的文明才几千年历史,现代科学更是仅创立了

300年不到的时间。我们承认,就我们目前的科技水平来说,我们没法同时观测到一个细小电子的位置和动量,因为我们的仪器又傻又笨。可是

,这并不表明,电子不同时具有位置和动量啊,也许在将来,哪怕遥远的将来,我们会发展出一种尖端科技,我们会发明极端精细的仪器,从

而准确地测出电子的位置和动量呢?你不能否认这种可能性啊。

“话不是这样说的。”海森堡若有所思地说,“这里的问题是理论限制了我们能够观测到的东西,而不是实验导致的误差。同时测量到准确的

动量和位置在原则上都是不可能的,不管科技多发达都一样。就像你永远造不出永动机,你也永远造不出可以同时探测到p和q的显微镜来。不

管今后我们创立了什么理论,它们都必须服从不确定性原理,这是一个基本原则,所有的后续理论都要在它的监督下才能取得合法性。”

海森堡的这一论断是不是太霸道了点?而且,这样一来物理学家的脸不是都给丢尽了吗?想象一下公众的表现吧:什么,你是一个物理学家?

哦,我真为你们惋惜,你们甚至不知道一个电子的动量和位置!我们家汤米至少还知道怎么摆弄他的皮球。

不过,我们还是要摆事实,讲道理,以德服人。一个又一个的思想实验被提出来,可是我们就是没法既精确地测量出电子的动量,同时又精确

地得到它的位置。两者的误差之乘积必定要大于那个常数,也就是h除以2π。幸运的是,我们都记得h非常小,只有6.626×10^-34焦耳秒,那

么假如△p和△q的量级差不多,它们各自便都在10^-17这个数量级上。我们现在可以安慰一下不明真相的群众:事情并不是那么糟糕,这种效

应只有在电子和光子的尺度上才变得十分明显。对于汤米玩的皮球,10^-17简直是微不足道到了极点,根本就没法感觉出来。汤米可以安心地

拍他的皮球,不必担心因为测不准它的位置而把它弄丢了。

不过对于电子尺度的世界来说,那可就大大不同了。在上一章的最后,我们曾经假想自己缩小到电子大小去一探原子里的奥秘,那时我们的身

高只有10^-23米。现在,妈妈对于我们淘气的行为感到担心,想测量一下我们到了哪里,不过她们注定要失望了:测量的误差达到10^-17米,

是我们本身高度的100万倍!100万倍的误差意味着什么,假如我们平时身高1米75,这个误差就达到175万米,也就是1750公里,母亲们得在整

条京沪铁路沿线到处寻找我们才行。“测不准”变得名副其实了。

在任何时候,大自然都固执地坚守着这一底线,绝不让我们有任何机会可以同时得到位置和动量的精确值。任凭我们机关算尽,花样百出,它

总是比我们高明一筹,每次都狠狠的把我们的小聪明击败。不能测量电子的位置和动量?我们来设计一个极小极小的容器,它内部只能容纳一

个电子,不留下任何多余的空间,这下如何?电子不能乱动了吧?可是,首先这种容器肯定是造不出来的,因为它本身也必定由电子组成,所

以它本身也必然要有位置的起伏,使内部的空间涨涨落落。退一步来说,就算可以,在这种情况下,电子也会神秘地渗过容器壁,出现在容器

外面,像传说中穿墙而过的崂山道士。不确定性原理赋予它这种神奇的能力,冲破一切束缚。还有一种办法,降温。我们都知道原子在不停地

振动,温度是这种振动的宏观表现,当温度下降到绝对零度,理论上原子就完全静止了。那时候动量确定为零,只要测量位置就可以了吧?可

惜,绝对零度是无法达到的,无论如何努力,原子还是拼命地保有最后的一点内能不让我们测准它的动量。不管是谁,也无法让原子完全静止

下来,传说中的圣斗士也不行——他们无法克服不确定性原理。

动量p和位置q,它们真正地是“不共戴天”。只要一个量出现在宇宙中,另一个就神秘地消失。要么,两个都以一种模糊不清的面目出现。海

森堡很快又发现了另一对类似的仇敌,它们是能量E和时间t。只要能量E测量得越准确,时刻t就愈加模糊;反过来,时间t测量得愈准确,能量

E就开始大规模地起伏不定。而且,它们之间的关系遵守相同的不确定性规则:

△E×△t > h/2π

各位看官,我们的宇宙已经变得非常奇妙了。各种物理量都遵循着海森堡的这种不确定性原理,此起彼伏,像神秘的大海中不断升起和破灭的

泡沫。在古人看来,“空”就是空荡荡无一物。不过后来人们知道了,看不见的空气中也有无数分子,“空”应该指抽空了空气的真空。再后

来,人们觉得各种场,从引力场到电磁场,也应该排除在“空”的概念之外,它应该仅仅指空间本身而已。

但现在,这个概念又开始混乱了。首先爱因斯坦的相对论告诉我们空间本身也能扭曲变形,事实上引力只不过是它的弯曲而已。而海森堡的不

确定性原理展现了更奇特的场景:我们知道t测量得越准确,E就越不确定。所以在非常非常短的一刹那,也就是t非常确定的一瞬间,即使真空

中也会出现巨大的能量起伏。这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现的,它的确违反了能量守恒定律!但是这一刹那极短,在人们还没有来

得及发现以前,它又神秘消失,使得能量守恒定律在整体上得以维持。间隔越短,t就越确定,E就越不确定,可以凭空出现的能量也就越大。

所以,我们的真空其实无时无刻不在沸腾着,到处有神秘的能量产生并消失。爱因斯坦告诉我们,能量和物质可以互相转换,所以在真空中,

其实不停地有一些“幽灵”物质在出没,只不过在我们没有抓住它们之前,它们就又消失在了另一世界。真空本身,就是提供这种涨落的最好

介质。

现在如果我们谈论“空”,应该明确地说:没有物质,没有能量,没有时间,也没有空间。这才是什么都没有,它根本不能够想象(你能想象

没有空间是什么样子吗?)。不过大有人说,这也不算“空”,因为空间和时间本身似乎可以通过某种机制从一无所有中被创造出来,我可真

要发疯了,那究竟怎样才算“空”呢?


*********
饭后闲话:无中生有

曾几何时,所有的科学家都认为,无中生有是绝对不可能的。物质不能被凭空制造,能量也不能被凭空制造,遑论时空本身。但是不确定性原

理的出现把这一切旧观念都摧枯拉朽一般地粉碎了。

海森堡告诉我们,在极小的空间和极短的时间里,什么都是有可能发生的,因为我们对时间非常确定,所以反过来对能量就非常地不确定。能

量物质可以逃脱物理定律的束缚,自由自在地出现和消失。但是,这种自由的代价就是它只能限定在那一段极短的时间内,当时刻一到,灰姑

娘就要现出原形,这些神秘的物质能量便要消失,以维护质能守恒定律在大尺度上不被破坏。

不过上世纪60年代末,有人想到了一种可能性:引力的能量是负数(因为引力是吸力,假设无限远的势能是0,那么当物体靠近后因为引力做功

使得其势能为负值),所以在短时间内凭空生出的物质能量,它们之间又可以形成引力场,其产生的负能量正好和它们本身抵消,使得总能量

仍然保持为0,不破坏守恒定律。这样,物质就真的从一无所有中产生了。

许多人都相信,我们的宇宙本身就是通过这种机制产生的。量子效应使得一小块时空突然从根本没有时空中产生,然后因为各种力的作用,它

突然指数级地膨胀起来,在瞬间扩大到整个宇宙的尺度。MIT的科学家阿伦?古斯(Alan Guth)在这种想法上出发,创立了宇宙的“暴涨理论”

(Inflation)。在宇宙创生的极早期,各块空间都以难以想象的惊人速度暴涨,这使得宇宙的总体积增大了许多许多倍。这就可以解释为什么

今天它的结构在各个方向看来都是均匀同一的。

暴涨理论创立以来也已经出现多个版本,不过很难确定地证实这个理论究竟是否正确,因为宇宙毕竟不像我们的实验室可以随心所欲地观测研

究。但大多数物理学家对其还是偏爱的,认为这是一个有希望的理论。1998年,古斯还出版了一本通俗的介绍暴涨的书,他最爱说的一句话是

:“宇宙本身就是一顿免费午餐。”意思是宇宙是从一无所有中而来的。

不过,假如再苛刻一点,这还不能算严格的“无中生有”。因为就算没有物质,没有时间空间,我们还有一个前提:存在着物理定律!相对论

和量子论的各种规则,比如不确定原理本身又是如何从无中生出的呢?或者它们不言而喻地存在?我们越说越玄了,这就打住吧。



当海森堡完成了他的不确定性原理后,他迅即写信给泡利和远在挪威的玻尔,把自己的想法告诉他们。收到海森堡的信后,玻尔立即从挪威动

身返回哥本哈根,准备就这个问题和海森堡展开深入的探讨。海森堡可能以为,这样伟大的一个发现必定能打动玻尔的心,让他同意自己对于

量子力学的一贯想法。可是,他却大大地错了。

在挪威,玻尔于滑雪之余好好地思考了一下波粒问题,新想法逐渐在他脑中定型了。当他看到海森堡的论文,他自然而然地用这种想法去印证

整个结论。他问海森堡,这种不确定性是从粒子的本性而来,还是从波的本性导出的呢?海森堡一愣,他压根就没考虑过什么波。当然是粒子

,由于光子击中了电子而造成了位置和动量的不确定,这不是明摆的吗?

玻尔很严肃地摇头,他拿海森堡想象的那个巨型显微镜开刀,证明在很大程度上不确定性不单单出自不连续的粒子性,更是出自波动性。我们

在前面讨论过德布罗意波长公式λ= h/mv,mv就是动量p,所以p= h/λ,对于每一个动量p来说,总是有一个波长的概念伴随着它。对于E-t关

系来说,E= hν,依然有频率ν这一波动概念在里面。海森堡对此一口拒绝,要让他接受波动性可不是一件容易的事情,对海森堡的顽固玻尔

显然开始不耐烦了,他明确地对海森堡说:“你的显微镜实验是不对的”,这把海森堡给气哭了。两人大吵一场,克莱恩当然帮着玻尔,这使

得哥本哈根内部的气氛闹得非常尖锐。从物理问题出发,后来几乎变成了私人误会,以致海森堡不得不把写给泡利的信要回去以作出澄清。最

后,泡利本人亲自跑去丹麦,这才最后平息了事件的余波。

对海森堡来说不幸的是,在显微镜问题上的确是他错了。海森堡大概生来患有某种“显微镜恐惧症”,一碰到显微镜就犯晕。当年,他在博士

论文答辩里就搞不清最基本的显微镜分辨度问题,差点没拿到学位。这次玻尔也终于让他意识到,不确定性是建立在波和粒子的双重基础上的

,它其实是电子在波和粒子间的一种摇摆:对于波的属性了解得越多,关于粒子的属性就了解得越少。海森堡最后终于接受了玻尔的批评,给

他的论文加了一个附注,声明不确定性其实同时建筑在连续性和不连续性两者之上,并感谢玻尔指出了这一点。

玻尔也在这场争论中有所收获,他发现不确定原理的普遍意义原来比他想象中的要大。他本以为,这只是一个局部的原理,但现在他领悟到这

个原理是量子论中最核心的基石之一。在给爱因斯坦的信中,玻尔称赞了海森堡的理论,说他“用一种极为漂亮的手法”显示了不确定如何被

应用在量子论中。复活节长假后,双方各退一步,局面终于海阔天空起来。海森堡写给泡利的信中又恢复了良好的心情,说是“又可以单纯地

讨论物理问题,忘记别的一切”了。的确,兄弟阋于墙,也要外御其侮,哥本哈根派现在又团结得像一块坚石了,他们很快就要共同面对更大

的挑战,并把哥本哈根这个名字深深镌刻在物理学的光辉历史上。

不过,话又说回来。波动性,微粒性,从我们史话的一开始,这两个词已经深深困扰我们,一直到现在。好吧,不确定性同时建立在波动性和

微粒性上……可这不是白说吗?我们的耐心是有限的,不如摊开天窗说亮话吧,这个该死的电子到底是个粒子还是波那?

粒子还是波,真是令人感慨万千的话题啊。这是一出300年来的传奇故事,其中悲欢起落,穿插着物理史上最伟大的那些名字:牛顿、胡克、惠

更斯、杨、菲涅尔、傅科、麦克斯韦、赫兹、汤姆逊、爱因斯坦、康普顿、德布罗意……恩恩怨怨,谁又能说得明白?我们处在一种进退维谷

的境地中,一方面双缝实验和麦氏理论毫不含糊地揭示出光的波动性,另一方面光电效应,康普顿效应又同样清晰地表明它是粒子。就电子来

说,玻尔的跃迁,原子里的光谱,海森堡的矩阵都强调了它不连续的一面,似乎粒子性占了上风,但薛定谔的方程却又大肆渲染它的连续性,

甚至把波动的标签都贴到了它脸上。

怎么看,电子都没法不是个粒子;怎么看,电子都没法不是个波。

这该如何是好呢?

当遇到棘手的问题时,最好的办法还是问问咱们的偶像,无所不能的歇洛克?福尔摩斯先生。他是这样说的:“我的方法,就建立在这样一种假

设上面:当你把一切不可能的结论都排除之后,那剩下的,不管多么离奇,也必然是事实。”(《新探案?皮肤变白的军人》)

真是至理名言啊。那么,电子不可能不是个粒子,它也不可能不是波。那剩下的,唯一的可能性就是……

它既是个粒子,同时又是个波!

可是,等等,这太过分了吧?完全没法叫人接受嘛。什么叫“既是个粒子,同时又是波”?这两种图像分明是互相排斥的呀。一个人可能既是

男的,又是女的吗(太监之类的不算)?这种说法难道不自相矛盾吗?

不过,要相信福尔摩斯,更要相信玻尔,因为玻尔就是这样想的。毫无疑问,一个电子必须由粒子和波两种角度去作出诠释,任何单方面的描

述都是不完全的。只有粒子和波两种概念有机结合起来,电子才成为一个有血有肉的电子,才真正成为一种完备的图像。没有粒子性的电子是

盲目的,没有波动性的电子是跛足的。

这还是不能让我们信服啊,既是粒子又是波?难以想象,难道电子像一个幽灵,在粒子的周围同时散发出一种奇怪的波,使得它本身成为这两

种状态的叠加?谁曾经亲眼目睹这种恶梦般的场景吗?出来作个证?

“不,你理解得不对。”玻尔摇头说,“任何时候我们观察电子,它当然只能表现出一种属性,要么是粒子要么是波。声称看到粒子-波混合叠

加的人要么是老花眼,要么是纯粹在胡说八道。但是,作为电子这个整体概念来说,它却表现出一种波-粒的二像性来,它可以展现出粒子的一

面,也可以展现出波的一面,这完全取决于我们如何去观察它。我们想看到一个粒子?那好,让它打到荧光屏上变成一个小点。看,粒子!我

们想看到一个波?也行,让它通过双缝组成干涉图样。看,波!”

奇怪,似乎有哪里不对,却说不出来……好吧,电子有时候变成电子的模样,有时候变成波的模样,嗯,不错的变脸把戏。可是,撕下它的面

具,它本来的真身究竟是个什么呢?

“这就是关键!这就是你我的分歧所在了。”玻尔意味深长地说,“电子的‘真身’?或者换几个词,电子的原型?电子的本来面目?电子的

终极理念?这些都是毫无意义的单词,对于我们来说,唯一知道的只是每次我们看到的电子是什么。我们看到电子呈现出粒子性,又看到电子

呈现出波动性,那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我一点都不关心电子‘本来’是什么,我觉得那是没有意义的。事实上我也不关

心大自然‘本来’是什么,我只关心我们能够‘观测’到大自然是什么。电子又是个粒子又是个波,但每次我们观察它,它只展现出其中的一

面,这里的关键是我们‘如何’观察它,而不是它‘究竟’是什么。”

玻尔的话也许太玄妙了,我们来通俗地理解一下。现在流行手机换彩壳,我昨天心情好,就配一个shining的亮银色,今天心情不好,换一个比

较有忧郁感的蓝色。咦奇怪了,为什么我的手机昨天是银色的,今天变成蓝色了呢?这两种颜色不是互相排斥的吗?我的手机怎么可能又是银

色,又是蓝色呢?很显然,这并不是说我的手机同时展现出银色和蓝色,变成某种稀奇的“银蓝”色,它是银色还是蓝色,完全取决于我如何

搭配它的外壳。我昨天决定这样装配它,它就呈现出银色,而今天改一种方式,它就变成蓝色。它是什么颜色,取决于我如何装配它!

但是,如果你一定要打破砂锅地问:我的手机“本来”是什么颜色?那可就糊涂了。假如你指的是它原装出厂时配着什么外壳,我倒可以告诉

你。不过要是你强调是哲学意义上的“本来”,或者“理念中手机的颜色”到底是什么,我会觉得你不可理喻。真要我说,我觉得它“本来”

没什么颜色,只有我们给它装上某种外壳并观察它,它才展现出某种颜色来。它是什么颜色,取决于我们如何观察它,而不是取决于它“本来

”是什么颜色。我觉得,讨论它“本来的颜色”是痴人说梦。

再举个例子,大家都知道“白马非马”的诡辩,不过我们不讨论这个。我们问:这匹马到底是什么颜色呢?你当然会说:白色啊。可是,也许

你身边有个色盲,他会争辩说:不对,是红色!大家指的是同一匹马,它怎么可能又是白色又是红色呢?你当然要说,那个人在感觉颜色上有

缺陷,他说的不是马本来的颜色,可是,谁又知道你看到的就一定是正确的颜色呢?假如世上有一半色盲,谁来分辨哪一半说的是“真相”呢

?不说色盲,我们戴上一副红色眼镜,这下看出去的马也变成了红色吧?它怎么刚刚是白色,现在是红色呢?哦,因为你改变了观察方式,戴

上了眼镜。那么哪一种方式看到的是真实呢?天晓得,庄周做梦变成了蝴蝶还是蝴蝶做梦变成了庄周?你戴上眼镜看到的是真实还是脱下眼镜

看到的是真实?

我们的结论是,讨论哪个是“真实”毫无意义。我们唯一能说的,是在某种观察方式确定的前提下,它呈现出什么样子来。我们可以说,在我

们运用肉眼的观察方式下,马呈现出白色。同样我们也可以说,在戴上眼镜的观察方式下,马呈现出红色。色盲也可以声称,在他那种特殊构

造的感光方式观察下,马是红色。至于马“本来”是什么色,完全没有意义。甚至我们可以说,马“本来的颜色”是子虚乌有的。我们大多数

人说马是白色,只不过我们大多数人采用了一种类似的观察方式罢了,这并不指向一种终极真理。

电子也是一样。电子是粒子还是波?那要看你怎么观察它。如果采用光电效应的观察方式,那么它无疑是个粒子;要是用双缝来观察,那么它

无疑是个波。它本来到底是个粒子还是波呢?又来了,没有什么“本来”,所有的属性都是同观察联系在一起的,让“本来”见鬼去吧。

但是,一旦观察方式确定了,电子就要选择一种表现形式,它得作为一个波或者粒子出现,而不能再暧昧地混杂在一起。这就像我们可怜的马

,不管谁用什么方式观察,它只能在某一时刻展现出一种颜色。从来没有人有过这样奇妙的体验:这匹马同时又是白色,又是红色。波和粒子

在同一时刻是互斥的,但它们却在一个更高的层次上统一在一起,作为电子的两面被纳入一个整体概念中。这就是玻尔的“互补原理”

(Complementary Principle),它连同波恩的概率解释,海森堡的不确定性,三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心,至今仍然深刻

地影响我们对于整个宇宙的终极认识。

“第三次波粒战争”便以这样一种戏剧化的方式收场。而量子世界的这种奇妙结合,就是大名鼎鼎的“波粒二象性”。



三百年硝烟散尽,波和粒子以这样一种奇怪的方式达成了妥协:两者原来是不可分割的一个整体。就像漫画中教皇善与恶的两面,虽然在每个

确定的时刻,只有一面能够体现出来,但它们确实集中在一个人的身上。波和粒子是一对孪生兄弟,它们如此苦苦争斗,却原来是演出了一场

物理学中的绝代双骄故事,这教人拍案惊奇,唏嘘不已。

现在我们再回到上一章的最后,重温一下波和粒子在双缝前遇到的困境:电子选择左边的狭缝,还是右边的狭缝呢?现在我们知道,假如我们

采用任其自然的观测方式,它波动的一面就占了上风。这个电子于是以某种方式同时穿过了两道狭缝,自身与自身发生干涉,它的波函数ψ按

照严格的干涉图形花样发展。但是,当它撞上感应屏的一刹那,观测方式发生了变化!我们现在在试图探测电子的实际位置了,于是突然间,

粒子性接管了一切,这个电子凝聚成一点,按照ψ的概率随机地出现在屏幕的某个地方。

假使我们在某个狭缝上安装仪器,试图测出电子究竟通过了哪一边,注意,这是另一种完全不同的观测方式!!!我们试图探测电子在通过狭

缝时的实际位置,可是只有粒子才有实际的位置。这实际上是我们施加的一种暗示,让电子早早地展现出粒子性。事实上,的确只有一边的仪

器将记录下它的踪影,但同时,干涉条纹也被消灭,因为波动性随着粒子性的唤起而消失了。我们终于明白,电子如何表现,完全取决于我们

如何观测它。种瓜得瓜,种豆得豆,想记录它的位置?好,那是粒子的属性,电子善解人意,便表现出粒子性来,同时也就没有干涉。不作这

样的企图,电子就表现出波动性来,穿过两道狭缝并形成熟悉的干涉条纹。

量子派物理学家现在终于逐渐领悟到了事情的真相:我们的结论和我们的观测行为本身大有联系。这就像那匹马是白的还是红的,这个结论和

我们用什么样的方法去观察它有关系。有些看官可能还不服气:结论只有一个,亲眼看见的才是唯一的真实。色盲是视力缺陷,眼镜是外部装

备,这些怎么能够说是看到“真实”呢?其实没什么分别,它们不外乎是两种不同的观测方式罢了,我们的论点是,根本不存在所谓“真实”



好吧,现在我视力良好,也不戴任何装置,看到马是白色的。那么,它当真是白色的吗?其实我说这话前,已经隐含了一个前提:“用人类正

常的肉眼,在普通光线下看来,马呈现出白色。”再技术化一点,人眼只能感受可见光,波长在400-760纳米左右,这些频段的光混合在一起

才形成我们印象中的白色。所以我们论断的前提就是,在400-760纳米的光谱区感受马,它是白色的。

许多昆虫,比如蜜蜂,它的复眼所感受的光谱是大大不同的。蜜蜂看不见波长比黄光还长的光,却对紫外线很敏感。在它看来,这匹马大概是

一种蓝紫色,甚至它可能绘声绘色地向你描绘一种难以想象的“紫外色”。现在你和蜜蜂吵起来了,你坚持这马是白色的,而蜜蜂一口咬定是

蓝紫色。你和蜜蜂谁对谁错呢?其实都对。那么,马怎么可能又是白色又是紫色呢?其实是你们的观测手段不同罢了。对于蜜蜂来说,它也是

“亲眼”见到,人并不比蜜蜂拥有更多的正确性,离“真相”更近一点。话说回来,色盲只是对于某些频段的光有盲点,眼镜只不过加上一个

滤镜而已,本质上也是一样的,也没理由说它们看到的就是“虚假”。

事实上,没有什么“客观真相”。讨论马本质上“到底是什么颜色”,正如我们已经指出过的,是很无聊的行为。根本不存在一个绝对的所谓

“本色”,除非你先定义观测的方式。

玻尔也好,海森堡也好,现在终于都明白:谈论任何物理量都是没有意义的,除非你首先描述你测量这个物理量的方式。一个电子的动量是什

么?我不知道,一个电子没有什么绝对的动量,不过假如你告诉我你打算怎么去测量,我倒可以告诉你测量结果会是什么。根据测量方式的不

同,这个动量可以从十分精确一直到万分模糊,这些结果都是可能的,也都是正确的。一个电子的动量,只有当你测量时,才有意义。假如这

不好理解,想象有人在纸上画了两横夹一竖,问你这是什么字。嗯,这是一个“工”字,但也可能是横过来的“H”,在他没告诉你怎么看之前

,这个问题是没有定论的。现在,你被告知:“这个图案的看法应该是横过来看。”这下我们明确了:这是一个大写字母H。只有观测手段明确

之后,答案才有意义。

测量!在经典理论中,这不是一个被考虑的问题。测量一块石头的重量,我用天平,用弹簧秤,用磅秤,或者用电子秤来做,理论上是没有什

么区别的。在经典理论看来,石头是处在一个绝对的,客观的外部世界中,而我——观测者——对这个世界是没有影响的,至少,这种影响是

微小得可以忽略不计的。你测得的数据是多少,石头的“客观重量”就是多少。但量子世界就不同了,我们已经看到,我们测量的对象都是如

此微小,以致我们的介入对其产生了致命的干预。我们本身的扰动使得我们的测量中充满了不确定性,从原则上都无法克服。采取不同的手段

,往往会得到不同的答案,它们随着不确定性原理摇摇摆摆,你根本不能说有一个客观确定的答案在那里。在量子论中没有外部世界和我之分

,我们和客观世界天人合一,融和成为一体,我们和观测物互相影响,使得测量行为成为一种难以把握的手段。在量子世界,一个电子并没有

什么“客观动量”,我们能谈论的,只有它的“测量动量”,而这又和我们的测量手段密切相关。

各位,我们已经身陷量子论那奇怪的沼泽中了,我只希望大家不要过于头昏脑涨,因为接下来还有无数更稀奇古怪的东西,错过了未免可惜。

我很抱歉,这几节我们似乎沉浸于一种玄奥的哲学讨论,而且似乎还要继续讨论下去。这是因为量子革命牵涉到我们世界观的根本变革,以及

我们对于宇宙的认识方法。量子论的背后有一些非常形而上的东西,它使得我们的理性战战兢兢,汗流浃背。但是,为了理解量子论的伟大力

量,我们又无法绕开这些而自欺欺人地盲目前进。如果你从史话的一开始跟着我一起走到了现在,我至少对你的勇气和毅力表示赞赏,但我也

无法给你更多的帮助。假如你感到困惑彷徨,那么玻尔的名言“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论”或许可以给你一些

安慰。而且,正如我们以后即将描述的那样,你也许应该感到非常自豪,因为爱因斯坦和你是一个处境。

但现在,我们必须走得更远。上面一段文字只是给大家一个小小的喘息机会,我们这就继续出发了。

如果不定义一个测量动量的方式,那么我们谈论电子动量就是没有意义的?这听上去似乎是一种唯心主义的说法。难道我们无法测量电子,它

就没有动量了吗?让我们非常惊讶和尴尬的是,玻尔和海森堡两个人对此大点其头。一点也不错,假如一个物理概念是无法测量的,它就是没

有意义的。我们要时时刻刻注意,在量子论中观测者是和外部宇宙结合在一起的,它们之间现在已经没有明确的分界线,是一个整体。在经典

理论中,我们脱离一个绝对客观的外部世界而存在,我们也许不了解这个世界的某些因素,但这不影响其客观性。可如今我们自己也已经融入

这个世界了,对于这个物我合一的世界来说,任何东西都应该是可以测量和感知的。只有可观测的量才是存在的!

卡尔?萨根(Karl Sagan)曾经举过一个很有意思的例子,虽然不是直接关于量子论的,但颇能说明问题。

“我的车库里有一条喷火的龙!”他这样声称。

“太稀罕了!”他的朋友连忙跑到车库中,但没有看见龙。“龙在哪里?”

“哦,”萨根说,“我忘了说明,这是一条隐身的龙。”

朋友有些狐疑,不过他建议,可以撒一些粉末在地上,看看龙的爪印是不是会出现。但是萨根又声称,这龙是飘在空中的。

“那既然这条龙在喷火,我们用红外线检测仪做一个热扫描?”

“也不行。”萨根说,“隐形的火也没有温度。”

“要么对这条龙喷漆让它现形?”——“这条龙是非物质的,滑不溜手,油漆无处可粘。”

反正没有一种物理方法可以检测到这条龙的存在。萨根最后问:“这样一条看不见摸不着,没有实体的,飘在空中喷着没有热度的火的龙,一

条任何仪器都无法探测的龙,和‘根本没有龙’之间又有什么差别呢?”

现在,玻尔和海森堡也以这种苛刻的怀疑主义态度去对待物理量。不确定性原理说,不可能同时测准电子的动量p和位置q,任何精密的仪器也

不行。许多人或许会认为,好吧,就算这是理论上的限制,和我们实验的笨拙无关,我们仍然可以安慰自己,说一个电子实际上是同时具有准

确的位置和动量的,只不过我们出于某种限制无法得知罢了。

但哥本哈根派开始严厉地打击这种观点:一个具有准确p和q的经典电子?这恐怕是自欺欺人吧。有任何仪器可以探测到这样的一个电子吗?—

—没有,理论上也不可能有。那么,同样道理,一个在臆想的世界中生存的,完全探测不到的电子,和根本没有这样一个电子之间又有什么区

别呢?

事实上,同时具有p和q的电子是不存在的!p和q也像波和微粒一样,在不确定原理和互补原理的统治下以一种此长彼消的方式生存。对于一些

测量手段来说,电子呈现出一个准确的p,对于另一些测量手段来说,电子呈现出准确的q。我们能够测量到的电子才是唯一的实在,这后面不

存在一个“客观”的,或者“实际上”的电子!

换言之,不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够揭示出自然“是什么

”,而在于它能够明确,关于自然我们能“说什么”。没有一个脱离于观测而存在的绝对自然,只有我们和那些复杂的测量关系,熙熙攘攘纵

横交错,构成了这个令人心醉的宇宙的全部。测量是新物理学的核心,测量行为创造了整个世界。


*********
饭后闲话:奥卡姆剃刀

同时具有p和q的电子是不存在的。有人或许感到不理解,探测不到的就不是实在吗?

我们来问自己,“这个世界究竟是什么”和“我们在最大程度上能够探测到这个世界是什么”两个命题,其实质到底有多大的不同?我们探测

能力所达的那个世界,是不是就是全部实在的世界?比如说,我们不管怎样,每次只能探测到电子是个粒子或者是个波,那么,是不是有一个

“实在”的世界,在那里电子以波-粒子的奇妙方式共存,我们每次探测,只不过探测到了这个终极实在于我们感观中的一部分投影?同样,在

这个“实在世界”中还有同时具备p和q的电子,只不过我们与它缘悭一面,每次测量都只有半面之交,没法窥得它的真面目?

假设宇宙在创生初期膨胀得足够快,以致它的某些区域对我们来说是如此遥远,甚至从创生的一刹那以光速出发,至今也无法与它建立起任何

沟通。宇宙年龄大概有150亿岁,任何信号传播最远的距离也不过150亿光年,那么,在距离我们150亿光年之外,有没有另一些“实在”的宇宙

,虽然它们不可能和我们的宇宙之间有任何因果联系?

在那个实在世界里,是不是有我们看不见的喷火的龙,是不是有一匹具有“实在”颜色的马,而我们每次观察只不过是这种“实在颜色”的肤

浅表现而已。我跟你争论说,地球“其实”是方的,只不过它在我们观察的时候,表现出圆形而已。但是在那个“实在”世界里,它是方的,

而这个实在世界我们是观察不到的,但不表明它不存在。

如果我们运用“奥卡姆剃刀原理”(Occam's Razor),这些观测不到的“实在世界”全都是子虚乌有的,至少是无意义的。这个原理是14世纪

的一个修道士威廉所创立的,奥卡姆是他出生的地方。这位奥卡姆的威廉还有一句名言,那是他对巴伐利亚的路易四世说的:“你用剑来保卫

我,我用笔来保卫你。”

剃刀原理是说,当两种说法都能解释相同的事实时,应该相信假设少的那个。比如,地球“本来”是方的,但观测时显现出圆形。这和地球“

本来就是圆的”说明的是同一件事。但前者引入了一个莫名其妙的不必要的假设,所以前者是胡说。同样,“电子本来有准确的p和q,但是观

测时只有1个能显示”,这和“只存在具有p或者具有q的电子”说明的也是同一回事,但前者多了一个假设,我们应当相信后者。“存在但观测

不到”,这和“不存在”根本就是一码事。

同样道理,没有粒子-波混合的电子,没有看不见的喷火的龙,没有“绝对颜色”的马,没有150亿光年外的宇宙(150亿光年这个距离称作“视

界”),没有隔着1厘米四维尺度观察我们的四维人,没有绝对的外部世界。史蒂芬?霍金在《时间简史》中说:“我们仍然可以想像,对于一

些超自然的生物,存在一组完全地决定事件的定律,它们能够观测宇宙现在的状态而不必干扰它。然而,我们人类对于这样的宇宙模型并没有

太大的兴趣。看来,最好是采用奥卡姆剃刀原理,将理论中不能被观测到的所有特征都割除掉。”

你也许对这种实证主义感到反感,反驳说:“一片无人观察的荒漠,难道就不存在吗?”以后我们会从另一个角度来讨论这片无人观察的荒漠

,这里只想指出,“无人的荒漠”并不是原则上不可观察的。



正如我们的史话在前面一再提醒各位的那样,量子论革命的破坏力是相当惊人的。在概率解释,不确定性原理和互补原理这三大核心原理中,

前两者摧毁了经典世界的因果性,互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和实在性。新的量子图景展现出一个前所未有的世界,它

是如此奇特,难以想象,和人们的日常生活格格不入,甚至违背我们的理性本身。但是,它却能够解释量子世界一切不可思议的现象。这种主

流解释被称为量子论的“哥本哈根”解释,它是以玻尔为首的一帮科学家作出的,他们大多数曾在哥本哈根工作过,许多是量子论本身的创立

者。哥本哈根派的人物除了玻尔,自然还有海森堡、波恩、泡利、狄拉克、克莱默、约尔当,也包括后来的魏扎克和盖莫夫等等,这个解释一

直被当作是量子论的正统,被写进各种教科书中。

当然,因为它太过奇特,太教常人困惑,近80年来没有一天它不受到来自各方面的置疑、指责、攻击。也有一些别的解释被纷纷提出,这里面

包括德布罗意-玻姆的隐函数理论,埃弗莱特的多重宇宙解释,约翰泰勒的系综解释、Ghirardi-Rimini-Weber的“自发定域”(Spontaneous

Localization),Griffiths-Omnès-GellMann-Hartle的“脱散历史态”(Decoherent Histories, or Consistent Histories),等等,等等

。我们的史话以后会逐一地去看看这些理论,但是公平地说,至今没有一个理论能取代哥本哈根解释的地位,也没有人能证明哥本哈根解释实

际上“错了”(当然,可能有人争辩说它“不完备”)。隐函数理论曾被认为相当有希望,可惜它的胜利直到今天还仍然停留在口头上。因此

,我们的史话仍将以哥本哈根解释为主线来叙述,对于读者来说,他当然可以自行判断,并得出他自己的独特看法。

哥本哈根解释的基本内容,全都围绕着三大核心原理而展开。我们在前面已经说到,首先,不确定性原理限制了我们对微观事物认识的极限,

而这个极限也就是具有物理意义的一切。其次,因为存在着观测者对于被观测物的不可避免的扰动,现在主体和客体世界必须被理解成一个不

可分割的整体。没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”(being),事实上一个纯粹的客观世界是没有的,任何事物都只有结合一个特定的

观测手段,才谈得上具体意义。对象所表现出的形态,很大程度上取决于我们的观察方法。对同一个对象来说,这些表现形态可能是互相排斥

的,但必须被同时用于这个对象的描述中,也就是互补原理。

最后,因为我们的观测给事物带来各种原则上不可预测的扰动,量子世界的本质是“随机性”。传统观念中的严格因果关系在量子世界是不存

在的,必须以一种统计性的解释来取而代之,波函数ψ就是一种统计,它的平方代表了粒子在某处出现的概率。当我们说“电子出现在x处”时

,我们并不知道这个事件的“原因”是什么,它是一个完全随机的过程,没有因果关系。

有些人可能觉得非常糟糕:又是不确定又是没有因果关系,这个世界不是乱套了吗?物理学家既然什么都不知道,那他们还好意思呆在大学里

领薪水,或者在电视节目上欺世盗名?然而事情并没有想象的那么坏,虽然我们对单个电子的行为只能预测其概率,但我们都知道,当样本数

量变得非常非常大时,概率论就很有用了。我们没法知道一个电子在屏幕上出现在什么位置,但我们很有把握,当数以万亿记的电子穿过双缝

,它们会形成干涉图案。这就好比保险公司没法预测一个客户会在什么时候死去,但它对一个城市的总体死亡率是清楚的,所以保险公司一定

是赚钱的!

传统的电视或者电脑屏幕,它后面都有一把电子枪,不断地逐行把电子打到屏幕上形成画面。对于单个电子来说,我并不知道它将出现在屏幕

上的哪个点,只有概率而已。不过大量电子叠在一起,组成稳定的画面是确定无疑的。看,就算本质是随机性,但科学家仍然能够造出一些有

用的东西。如果你家电视画面老是有雪花,不要怀疑到量子论头上来,先去检查一下天线。

当然时代在进步,俺的电脑屏幕现在变成了薄薄的液晶型,那是另一回事了。

至于令人迷惑的波粒二象性,那也只是量子微观世界的奇特性质罢了。我们已经谈到德布罗意方程λ= h/p,改写一下就是λp=h,波长和动量

的乘积等于普朗克常数h。对于微观粒子来说,它的动量非常小,所以相应的波长便不能忽略。但对于日常事物来说,它们质量之大相比h简直

是个天文数字,所以对于生活中的一个足球,它所伴随的德布罗意波微乎其微,根本感觉不到。我们一点都用不着担心,在世界杯决赛中,眼

看要入门的那个球会突然化为一缕波,消失得杳然无踪。

但是,我们还是觉得不太满意,因为对“观测行为”,我们似乎还没有作出合理的解释。一个电子以奇特的分身术穿过双缝,它的波函数自身

与自身发生了干涉,在空间中严格地,确定地发展。在这个阶段,因为没有进行观测,说电子在什么地方是没有什么意义的,只有它的概率在

空间中展开。物理学家们常常摆弄玄虚说:“电子无处不在,而又无处在”,指的就是这个意思。然而在那以后,当我们把一块感光屏放在它

面前以测量它的位置的时候,事情突然发生了变化!电子突然按照波函数的概率分布而随机地作出了一个选择,并以一个小点的形式出现在了

某处。这时候,电子确定地存在于某点,自然这个点的概率变成了100%,而别的地方的概率都变成了0。也就是说,它的波函数突然从空间中

收缩,聚集到了这一个点上面,在这个点出现了强度为1的高峰。而其他地方的波函数都瞬间降为0。

哦,上帝,发生了什么事?为什么电子的波函数在一刹那发生了这样的巨变?原本形态优美,严格地符合薛定谔方程的波函数在一刹那轰然崩

溃,变成了一个针尖般的小点。从数学上来说,这两种状态显然是没法互相推导的。在我们观测电子以前,它实际上处在一种叠加态,所有关

于位置的可能性叠合在一起,弥漫到整个空间中去。但是,当我们真的去“看”它的时候,电子便无法保持它这样优雅而面面俱到的行为方式

了,它被迫作出选择,在无数种可能性中挑选一种,以一个确定的位置出现在我们面前。

波函数这种奇迹般的变化,在哥本哈根派的口中被称之为“坍缩”(collapse),每当我们试图测量电子的位置,它那原本按照薛定谔方程演

变的波函数ψ便立刻按照那个时候的概率分布坍缩(我们记得ψ的平方就是概率),所有的可能全都在瞬间集中到某一点上。而一个实实在在

的电子便大摇大摆地出现在那里,供我们观赏。

在电子通过双缝前,假如我们不去测量它的位置,那么它的波函数就按照方程发散开去,同时通过两个缝而自我互相干涉。但要是我们试图在

两条缝上装个仪器以探测它究竟通过了哪条缝,在那一刹那,电子的波函数便坍缩了,电子随机地选择了一个缝通过。而坍缩过的波函数自然

就无法再进行干涉,于是乎,干涉条纹一去不复返。

奇怪,非常奇怪。为什么我们一观测,电子的波函数就开始坍缩了呢?

事实似乎是这样的,当我们闭上眼睛不去看这个电子,它就不是一个实实在在的电子。它像一个幽灵一般按照波函数向四周散发开去,虚无飘

渺,没有实体,而以概率波的形态漂浮在空间中。随着时间的演化,这种概率波严格地按照薛定谔波动方程的指使,听话而确定地按照经典方

式发展。这个时候,与其说它是一个电子,不如说它是一个鬼魂,一团混沌,一幅浸润开来的水彩画,一朵概率云,爱丽丝梦境中那难以捉摸

的柴郡猫的笑容。不管你怎么形容都好,反正它不是一个实体,它以概率的方式扩散开来,这种概率似波动一般起伏,可以干涉和叠加,为ψ

所精确描述。

但是,当你一睁开眼睛,奇妙的事情发生了!所有的幻影,所有的幽灵都消失了。电子那散发开去的波函数在瞬间坍缩,它重新变成了一个实

实在在的粒子,随机地出现在某处。除了这个地方之外,一切的概率波,一切的可能性都消失了。化为一缕清风的妖怪重新凝聚成为一个白骨

精,被牢牢地摁死在一个地方。电子回到了现实世界里来,又成了大家所熟悉的经典粒子。

你又闭上眼睛,刚刚变回原型的电子又化为概率波,向四周扩散。再睁开眼睛,它又变回粒子出现在某个地方。你测量一次,它的波函数就坍

缩一次,随机地决定一个新的位置。当然,这里的随机是严格按照波函数所严格描述的概率分布来决定的。

我们不如叙述得更加生动活泼一些。金庸在《笑傲江湖》第二十六回里描述了令狐冲在武当脚下与冲虚一战,冲虚一柄长剑幻为一个个光圈,

让令狐冲眼花缭乱,看不出剑尖所在。用量子语言说,这时候冲虚的剑已经不是一个实体,它变成许许多多的“虚剑”,在光圈里分布开来,

每一个“虚剑尖”都代表一种可能性,它可能就是“实剑尖”所在。冲虚的剑可以为一个波函数所描述,很有可能在光圈的中心,这个波函数

的强度最大,也就是说这剑最可能出现在光圈中心。现在令狐冲挥剑直入,注意,这是一次“测量行为”!好,在那瞬间冲虚剑的波函数坍缩

了,又变成一柄实剑。令狐冲运气好,它真的出现在光圈中间,于是破了此招。要是猜错了呢?那免不了断送一条手臂,但冲虚剑的波函数总

是坍缩了,它无论如何要实实在在地出现在某处,这才能伤敌。

在《三国演义》评话里,有一个类似的情节。赵云在长坂坡遇上高览(有些说是张绣),后者使一招百鸟朝凤,枪尖幻化为千百点,赵云侥幸

破了此招——他随便一挡,迫使其波函数坍缩,结果正好坍缩到两枪相遇的位置,然后高览心慌意乱,反死于赵云之蛇盘七探枪下,这就不多

说了。

我们还是回到物理上来。这种哥本哈根解释听起来未免也太奇怪了,我们观测一下,电子才变成实在,不然就是个幽灵。许多人一定觉得不可

思议:当我们背过身,或者闭着眼的时候,电子一定在某个地方,只不过我们不知道而已。但正如我们指出的,假使电子真的“在”某个地方

,它便只能通过一道狭缝,这就难以解释干涉条纹。而且我们以后也会看到,实验完全排除了这种可能。也许我们说“幽灵”太耸人听闻,严

格地说,电子在没有观测的时候什么也不是,谈论它是无意义的,只有数学可以描述——波函数!按照哥本哈根解释,不观测的时候,根本没

有个实在!自然也就没有实在的电子。事实上,不存在“电子”这个东西,只存在“我们与电子之间的观测关系”。

我已经可以预见到即将扔过来的臭鸡蛋的数量——不过它现在还是个波函数,等一会儿才会坍缩,哈哈——然而在那些扔臭鸡蛋的人中,有几

位是让我感到十分荣幸的。事实上,哥本哈根派这下遇到真正的麻烦了,他们要面对一些强大的怀疑论者,这些人中间不少还刚刚和他们并肩

战斗过。二十世纪物理史上最激烈,影响最大,意义最深远的一场争论马上就要展开,这使得我们能够对自然的行为和精神有更加深刻的理解

。下一章我们就来谈这场伟大的辩论——玻尔-爱因斯坦之争。

第八章 论战



意大利北部的科莫市(Como)是一个美丽的小城,北临风景胜地科莫湖,与米兰相去不远。它市中心那几座著名的教堂洋溢着哥特式风格以及

文艺复兴时代的气息,折射出这个国家那悠远的历史和文化沉淀。这个小城也有一支足球队——科莫队,在上个赛季(2002-2003)还打入了

甲级联赛,可惜现在又降级了。一度报道说,它对中国球员吴承瑛有兴趣,想来对球迷不算陌生。

不过,科莫市最著名的人物,当然还是1745年出生于此的大科学家,亚里山德罗?伏打(Alessandro Volta)。他在电学方面的成就如此伟大,

以致人们用他的名字来作为电压的单位:伏特(volt)。伏打于1827年9月去世,被他的家乡视为永远的光荣和骄傲。他出世的地方被命名为伏

打广场,他的雕像自1839年起耸立于此。他的名字被用来命名教堂和科莫湖畔的灯塔,他的光辉照耀这个城镇,给它带来世界性的声名。

斗转星移,眨眼间已是1927,科学巨人已离开我们整整100周年。一向安静宁谧的科莫忽然又热闹起来,新时代的科学大师们又聚集于此,在纪

念先人的同时探讨物理学的最新进展。科莫会议邀请了当时几乎所有的最杰出的物理学家,洵为盛会。赴会者包括玻尔、海森堡、普朗克、泡

利、波恩、洛伦兹、德布罗意、费米、克莱默、劳厄、康普顿、魏格纳、索末菲、德拜、冯诺依曼(当然严格说来此人是数学家)……遗憾的

是,爱因斯坦和薛定谔都别有要务,未能出席。这两位哥本哈根派主要敌手的缺席使得论战的火花向后推迟了几个月。同样没能赶到科莫的还

有狄拉克和玻色。其中玻色的case颇为离奇:大会本来是邀请了他的,但是邀请信发给了“加尔各答大学物理系的玻色教授”。显然这封信是

寄给著名的S.N.玻色,也就是发现了玻色-爱因斯坦统计的那个玻色,他和爱因斯坦还预测了有名的玻色-爱因斯坦凝聚现象。2001年,3位分别

来自美国和德国的科学家因为以实验证实了这一现象而获得诺贝尔物理学奖。

不过在1927年,玻色早就离开了加尔各答去了达卡大学。但无巧不成书,加尔各答还有一个D.M.玻色。阴差阳错之下,这个名不见经传的“玻

色”就参加了众星云集的科莫会议,也算是饭后的一大谈资吧。

在准备科莫会议讲稿的过程中,互补原理的思想进一步在玻尔脑中成型。他决定在这个会议上把这一大胆的思想披露出来。在准备讲稿的同时

,他还给Nature杂志写短文以介绍这个发现,事情太多而时间仓促,最后搞得他手忙脚乱。在出发前的一刹那,他竟然找不到他的护照——这

耽误了几个小时的火车。

但是,不管怎么样,玻尔最后还是完成那长达8页的讲稿,并在大会上成功地作了发言。这个演讲名为《量子公设和原子论的最近发展》,在其

中玻尔第一次描述了波-粒的二象性,用互补原理详尽地阐明我们对待原子尺度世界的态度。他强调了观测的重要性,声称完全独立和绝对的测

量是不存在的。当然互补原理本身在这个时候还没有完全定型,一直要到后来的索尔维会议它才算最终完成,不过这一思想现在已经引起了人

们的注意。

波恩赞扬了玻尔“中肯”的观点,同时又强调了量子论的不确定性。他特别举了波函数“坍缩”的例子,来说明这一点。这种“坍缩”显然引

起了冯诺伊曼的兴趣,他以后会证明关于它的一些有趣的性质。海森堡和克莱默等人也都作了评论。

当然我们也要指出的是,许多不属于“哥本哈根派”的人物,对玻尔等人的想法和工作一点都不熟悉,这种互补原理对他们来说令人迷惑不解

。许多人都以为这不过是一种文字游戏,是对大家都了解的情况“换一种说法”罢了。正如罗森菲尔德(Rosenfeld)后来在访谈节目中评论的

:“这个互补原理只是对各人所清楚的情况的一种说明……科莫会议并没有明确论据,关于概念的定义要到后来才作出。”尤金?魏格纳

(Eugene Wigner)总结道:“……(大家都觉得,玻尔的演讲)没能改变任何人关于量子论的理解方式。”

但科莫会议的历史作用仍然不容低估,互补原理第一次公开亮相,标志着哥本哈根解释迈出了关键的一步。不久出版了玻尔的讲稿,内容已经

有所改进,距离这个解释的最终成熟只差最后一步了。

在哥本哈根派聚集力量的同时,他们的反对派也开始为最后的决战做好准备。对于爱因斯坦来说,一个没有严格因果律的物理世界是不可想象

的。物理规律应该统治一切,物理学应该简单明确:A导致了B,B导致了C,C导致了D。每一个事件都有来龙去脉,原因结果,而不依赖于什么

“随机性”。至于抛弃客观实在,更是不可思议的事情。这些思想从他当年对待玻尔的电子跃迁的看法中,已经初露端倪。1924年他在写给波

恩的信中坚称:“我决不愿意被迫放弃严格的因果性,并将对其进行强有力的辩护。我觉得完全不能容忍这样的想法,即认为电子受到辐射的

照射,不仅它的跃迁时刻,而且它的跃迁方向,都由它自己的‘自由意志’来选择。”

旧量子论已经让爱因斯坦无法认同,那么更加“疯狂”的新量子论就更使他忍无可忍了。虽然爱因斯坦本人曾经提出了光量子假设,在量子论

的发展历程中作出过不可磨灭的贡献,但现在他却完全转向了这个新生理论的对立面。爱因斯坦坚信,量子论的基础大有毛病,从中必能挑出

点刺来,迫使人们回到一个严格的,富有因果性的理论中来。玻尔后来回忆说:“爱因斯坦最善于不抛弃连续性和因果性来标示表面上矛盾着

的经验,他比别人更不愿意放弃这些概念。”

两大巨头未能在科莫会议上碰面,然而低头不见抬头见,命运已经在冥冥中安排好了这样的相遇不可避免。仅仅一个多月后,另一个历史性的

时刻就到来了,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。这一次,各路冤家对头终于聚首一堂,就量子论的问题作一个大决战。从黄金年代

走来的老人,在革命浪潮中成长起来的反叛青年,经典体系的庄严守护者,新时代的冒险家,这次终于都要作一个最终了断。世纪大辩论的序

幕即将拉开,像一场熊熊的大火燃烧不已,而量子论也将在这大火中接受最严苛的洗礼,锻烧出更加璀璨的光芒来。

布鲁塞尔见。
发表于 2009-6-4 14:23:55 | 显示全部楼层
我的天啊。。我太佩服楼主了
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