ASPCN防雷技术论坛

 找回密码
 轻松注册
查看: 32178|回复: 82

[转帖]量子物理始话

  [复制链接]
发表于 2004-8-29 21:40:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 10:53pm 第 4 次编辑]

第一章 黄金时代一
  上帝掷骰子吗--量子物理史话


  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?

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:43:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 10:57pm 第 2 次编辑]

  上帝掷骰子吗--量子物理史话


  第一章黄金时代


  二

  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。

  ********

  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。

回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:45:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:03pm 第 3 次编辑]

上帝掷骰子吗--量子物理史话


  第一章黄金时代


  三

  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。

  *********

  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”。

回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:48:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:05pm 第 1 次编辑]

上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第一章黄金时代

  四


  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。

回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:49:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:10pm 第 1 次编辑]

上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第一章黄金时代

  五


  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。

回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:51:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:14pm 第 1 次编辑]

  上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第二章乌云

  一


  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?

  *********

  饭后闲话:伟大的“意外”实验

  我们今天来谈谈物理史上的那些著名的“意外”实验。用“意外”这个词,指的是实验未能取得预期的成果,可能在某种程度上,也可以称为“失败”实验吧。

  我们在上面已经谈到了迈克尔逊-莫雷实验,这个实验的结果是如此地令人震惊,以致于它的实验者在相当的一段时期里都不敢相信自己结果的正确性。但正是这个否定的证据,最终使得“光以太”的概念寿终正寝,使得相对论的诞生成为了可能。这个实验的失败在物理史上却应该说是一个伟大的胜利,科学从来都是只相信事实的。

  近代科学的历史上,也曾经有过许多类似的具有重大意义的意外实验。也许我们可以从拉瓦锡(AL Laroisier)谈起。当时的人们普遍相信,物体燃烧是因为有“燃素”离开物体的结果。但是1774年的某一天,拉瓦锡决定测量一下这种“燃素”的具体重量是多少。他用他的天平称量了一块锡的重量,随即点燃它。等金属完完全全地烧成了灰烬之后,拉瓦锡小心翼翼地把每一粒灰烬都收集起来,再次称量了它的重量。

  结果使得当时的所有人都瞠目结舌。按照燃素说,燃烧后的灰烬应该比燃烧前要轻。退一万步,就算燃素完全没有重量,也应该一样重。可是拉瓦锡的天平却说:灰烬要比燃烧前的金属重,测量燃素重量成了一个无稽之谈。然而拉瓦锡在吃惊之余,却没有怪罪于自己的天平,而是将怀疑的眼光投向了燃素说这个庞然大物。在他的推动下,近代化学终于在这个体系倒台的轰隆声中建立了起来。

  到了1882年,实验上的困难同样开始困扰剑桥大学的化学教授瑞利(J.W.S Rayleigh)。他为了一个课题,需要精确地测量各种气体的比重。然而在氮的问题上,瑞利却遇到了麻烦。事情是这样的:为了保证结果的准确,瑞利采用了两种不同的方法来分离气体。一种是通过化学家们熟知的办法,用氨气来制氮,另一种是从普通空气中,尽量地除去氧、氢、水蒸气等别的气体,这样剩下的就应该是纯氮气了。然而瑞利却苦恼地发现两者的重量并不一致,后者要比前者重了千分之二。

  虽然是一个小差别,但对于瑞利这样的讲究精确的科学家来说是不能容忍的。为了消除这个差别,他想尽了办法,几乎检查了他所有的仪器,重复了几十次实验,但是这个千分之二的差别就是顽固地存在在那里,随着每一次测量反而更加精确起来。这个障碍使得瑞利几乎要发疯,在百般无奈下他写信给另一位化学家拉姆塞(William Ramsay)求救。后者敏锐地指出,这个重量差可能是由于空气里混有了一种不易察觉的重气体而造成的。在两者的共同努力下,氩气(Ar)终于被发现了,并最终导致了整个惰性气体族的发现,成为了元素周期表存在的一个主要证据。

  另一个值得一谈的实验是1896年的贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)做出的。当时X射线刚被发现不久,人们对它的来由还不是很清楚。有人提出太阳光照射荧光物质能够产生X射线,于是贝克勒尔对此展开了研究,他选了一种铀的氧化物作为荧光物质,把它放在太阳下暴晒,结果发现它的确使黑纸中的底片感光了,于是他得出初步结论:阳光照射荧光物质的确能产生X射线。

  但是,正当他要进一步研究时,意外的事情发生了。天气转阴,乌云一连几天遮蔽了太阳。贝克勒尔只好把他的全套实验用具,包括底片和铀盐全部放进了保险箱里。然而到了第五天,天气仍然没有转晴的趋势,贝克勒尔忍不住了,决定把底片冲洗出来再说。铀盐曾受了一点微光的照射,不管如何在底片上应该留下一些模糊的痕迹吧?

  然而,在拿到照片时,贝克勒尔经历了每个科学家都梦寐以求的那种又惊又喜的时刻。他的脑中一片晕眩:底片曝光得是如此彻底,上面的花纹是如此地清晰,甚至比强烈阳光下都要超出一百倍。这是一个历史性的时刻,元素的放射性第一次被人们发现了,虽然是在一个戏剧性的场合下。贝克勒尔的惊奇,终究打开了通向原子内部的大门,使得人们很快就看到了一个全新的世界。

  在量子论的故事后面,我们会看见更多这样的意外。这些意外,为科学史添加了一份绚丽的传奇色彩,也使人们对神秘的自然更加兴致勃勃。那也是科学给我们带来的快乐之一啊。

回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:52:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:35pm 第 1 次编辑]

上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第二章乌云

  二


  上次说到,开尔文在世纪之初提到了物理学里的两朵“小乌云”。其中第一朵是指迈克尔逊-莫雷实验令人惊奇的结果,第二朵则是人们在黑体辐射的研究中所遇到的困境。

  我们的故事终于就要进入正轨,而这一切的一切,都要从那令人困惑的“黑体”开始。

  大家都知道,一个物体之所以看上去是白色的,那是因为它反射所有频率的光波;反之,如果看上去是黑色的,那是因为它吸收了所有频率的光波的缘故。物理上定义的“黑体”,指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体,比如一个空心的球体,内壁涂上吸收辐射的涂料,外壁上开一个小孔。那么,因为从小孔射进球体的光线无法反射出来,这个小孔看上去就是绝对黑色的,即是我们定义的“黑体”。

  19世纪末,人们开始对黑体模型的热辐射问题发生了兴趣。其实,很早的时候,人们就已经注意到对于不同的物体,热和辐射似乎有一定的对应关联。比如说金属,有过生活经验的人都知道,要是我们把一块铁放在火上加热,那么到了一定温度的时候,它会变得暗红起来(其实在这之前有不可见的红外线辐射),温度再高些,它会变得橙黄,到了极度高温的时候,如果能想办法不让它汽化了,我们可以看到铁块将呈现蓝白色。也就是说,物体的热辐射和温度有着一定的函数关系(在天文学里,有“红巨星”和“蓝巨星”,前者呈暗红色,温度较低,通常属于老年恒星;而后者的温度极高,是年轻恒星的典范)。

  问题是,物体的辐射能量和温度究竟有着怎样的函数关系呢?

  最初对于黑体辐射的研究是基于经典热力学的基础之上的,而许多著名的科学家在此之前也已经做了许多基础工作。美国人兰利(Samuel Pierpont Langley)发明的热辐射计是一个最好的测量工具,配合罗兰凹面光栅,可以得到相当精确的热辐射能量分布曲线。“黑体辐射”这个概念则是由伟大的基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)提出,并由斯特藩(Josef Stefan)加以总结和研究的。到了19世纪80年代,玻尔兹曼建立了他的热力学理论,种种迹象也表明,这是黑体辐射研究的一个强大理论武器。总而言之,这一切就是当维尔赫姆?维恩(Wilhelm Wien)准备从理论上推导黑体辐射公式的时候,物理界在这一课题上的一些基本背景。

  维恩是东普鲁士一个地主的儿子,本来似乎命中注定也要成为一个农场主,但是当时的经济危机使他下定决心进入大学学习。在海德堡、哥廷根和柏林大学度过了他的学习生涯之后,维恩在1887年进入了德国帝国技术研究所(Physikalisch Technische Reichsanstalt,PTR),成为了赫尔姆霍兹实验室的主要研究员。就是在柏林的这个实验室里,他准备一展他在理论和实验物理方面的天赋,彻底地解决黑体辐射这个问题。

  维恩从经典热力学的思想出发,假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的,然后通过精密的演绎,他终于在1883年提出了他的辐射能量分布定律公式:

  u = b(λ^-5)(e^-a/λT)

  (其中λ^-5和e^-a/λT分别表示λ的-5次方以及e的-a/λT次方。u表示能量分布的函数,λ是波长,T是绝对温度,a,b是常数。当然,这里只是给大家看一看这个公式的样子,对数学和物理没有研究的朋友们大可以看过就算,不用理会它具体的意思)。

  这就是著名的维恩分布公式。很快,另一位德国物理学家帕邢(F.Paschen)在兰利的基础上对各种固体的热辐射进行了测量,结果很好地符合了维恩的公式,这使得维恩取得了初步胜利。

  然而,维恩却面临着一个基本的难题:他的出发点似乎和公认的现实格格不入,换句话说,他的分子假设使得经典物理学家们十分地不舒服。因为辐射是电磁波,而大家已经都知道,电磁波是一种波动,用经典粒子的方法去分析,似乎让人感到隐隐地有些不对劲,有一种南辕北辙的味道。

  果然,维恩在帝国技术研究所(PTR)的同事很快就做出了另外一个实验。卢梅尔(Otto Richard Lummer)和普林舍姆(Ernst Pringsheim)于1899年报告,当把黑体加热到1000多K的高温时,测到的短波长范围内的曲线和维恩公式符合得很好,但在长波方面,实验和理论出现了偏差。很快,PTR的另两位成员鲁本斯(Heinrich Rubens)和库尔班(Ferdinand Kurlbaum)扩大了波长的测量范围,再次肯定了这个偏差,并得出结论,能量密度在长波范围内应该和绝对温度成正比,而不是维恩所预言的那样,当波长趋向无穷大时,能量密度和温度无关。在19世纪的最末几年,PTR这个由西门子和赫尔姆霍兹所创办的机构似乎成为了热力学领域内最引人瞩目的地方,这里的这群理论与实验物理学家,似乎正在揭开一个物理内最大的秘密。

  维恩定律在长波内的失效引起了英国物理学家瑞利(还记得上次我们闲话里的那位苦苦探究氮气重量,并最终发现了惰性气体的爵士吗?)的注意,他试图修改公式以适应u和T在高温长波下成正比这一实验结论,最终得出了他自己的公式。不久后另一位物理学家金斯(J.H.Jeans)计算出了公式里的常数,最后他们得到的公式形式如下:

  u = 8π(υ^2)kT / c^3

  这就是我们今天所说的瑞利-金斯公式(Rayleigh-Jeans),其中υ是频率,k是玻尔兹曼常数,c是光速。同样,没有兴趣的朋友可以不必理会它的具体涵义,这对于我们的故事没有什么影响。

  这样一来,就从理论上证明了u和T在高温长波下成正比的实验结果。但是,也许就像俗话所说的那样,瑞利-金斯公式是一个拆东墙补西墙的典型。因为非常具有讽刺意义的是,它在长波方面虽然符合了实验数据,但在短波方面的失败却是显而易见的。当波长λ趋于0,也就是频率υ趋向无穷大时,大家可以从上面的公式里看出我们的能量辐射也将不可避免地趋向无穷大。换句话说,我们的黑体将在波长短到一定程度的时候释放出几乎是无穷的能量来。

  这个戏剧性的事件无疑是荒谬的,因为谁也没见过任何物体在任何温度下这样地释放能量辐射(如果真要这样的话,那么原子弹什么的就太简单了)。这个推论后来被加上了一个耸人听闻的,十分适合在科幻小说里出现的称呼,叫做“紫外灾变”。显然,瑞利-金斯公式也无法给出正确的黑体辐射分布。

  我们在这里遇到的是一个相当微妙而尴尬的处境。我们的手里现在有两套公式,但不幸的是,它们分别只有在短波和长波的范围内才能起作用。这的确让人们非常地郁闷,就像你有两套衣服,其中的一套上装十分得体,但裤腿太长;另一套的裤子倒是合适了,但上装却小得无法穿上身。最要命的是,这两套衣服根本没办法合在一起穿。

  总之,在黑体问题上,如果我们从经典粒子的角度出发去推导,就得到适用于短波的维恩公式。如果从类波的角度去推导,就得到适用于长波的瑞利-金斯公式。鱼与熊掌不能兼得,长波还是短波,那就是个问题。

  这个难题就这样困扰着物理学家们,有一种黑色幽默的意味。当开尔文在台上描述这“第二朵乌云”的时候,人们并不知道这个问题最后将得到一种怎么样的解答。

  然而,毕竟新世纪的钟声已经敲响,物理学的伟大革命就要到来。就在这个时候,我们故事里的第一个主角,一个留着小胡子,略微有些谢顶的德国人--马克斯?普朗克登上了舞台,物理学全新的一幕终于拉开了。


回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:53:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:37pm 第 1 次编辑]

上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第二章乌云

  三


  上次说到,在黑体问题的研究上,我们有了两套公式。可惜,一套只能对长波范围内有效,而另一套只对短波有效。正当人们为这个Dilemma头痛不已的时候,马克斯?普朗克登上了历史舞台。命中注定,这个名字将要光照整个20世纪的物理史。

  普朗克(Max Carl Ernst Ludwig Planck)于1858年出生于德国基尔(Kiel)的一个书香门第。他的祖父和曾祖父都是神学教授,他的父亲则是一位著名的法学教授,曾经参予过普鲁士民法的起草工作。1867年,普朗克一家移居到慕尼黑,小普朗克便在那里上了中学和大学。在俾斯麦的帝国蒸蒸日上的时候,普朗克却保留着古典时期的优良风格,对文学和音乐非常感兴趣,也表现出了非凡的天才来。

  不过,很快他的兴趣便转到了自然方面。在中学的课堂里,他的老师形象地给学生们讲述一位工人如何将砖头搬上房顶,而工人花的力气储存在高处的势能里,一旦砖头掉落下来,能量便又随之释放出来……。能量这种神奇的转换与守恒极大地吸引了好奇的普朗克,使得他把目光投向了神秘的自然规律中去,这也成为了他一生事业的起点。德意志失去了一位音乐家,但是失之东隅收之桑榆,她却因此得到了一位开天辟地的科学巨匠。

  不过,正如我们在前一章里面所说过的那样,当时的理论物理看起来可不是一个十分有前途的工作。普朗克在大学里的导师祖利(Philipp von Jolly)劝他说,物理的体系已经建立得非常成熟和完整了,没有什么大的发现可以做出了,不必再花时间浪费在这个没有多大意义的工作上面。普朗克委婉地表示,他研究物理是出于对自然和理性的兴趣,只是想把现有的东西搞搞清楚罢了,并不奢望能够做出什么巨大的成就。讽刺地是,由今天看来,这个“很没出息”的表示却成就了物理界最大的突破之一,成就了普朗克一生的名望。我们实在应该为这一决定感到幸运。

  1879年,普朗克拿到了慕尼黑大学的博士学位,随后他便先后在基尔大学、慕尼黑大学和柏林大学任教,并接替了基尔霍夫的职位。普朗克的研究兴趣本来只是集中于经典热力学的领域,但是1896年,他读到了维恩关于黑体辐射的论文,并对此表现出了极大的兴趣。在普朗克看来,维恩公式体现出来的这种物体的内在规律--和物体本身性质无关的绝对规律--代表了某种客观的永恒不变的东西。它独立于人和物质世界而存在,不受外部世界的影响,是科学追求的最崇高的目标。普朗克的这种偏爱正是经典物理学的一种传统和风格,对绝对严格规律的一种崇尚。这种古典而保守的思想经过了牛顿、拉普拉斯和麦克斯韦,带着黄金时代的全部贵族气息,深深渗透在普朗克的骨子里面。然而,这位可敬的老派科学家却没有意识到,自己已经在不知不觉中走到了时代的最前沿,命运已经在冥冥之中,给他安排了一个离经叛道的角色。

  让我们言归正传。在那个风云变换的世纪之交,普朗克决定彻底解决黑体辐射这个困扰人们多时的问题。他的手上已经有了维恩公式,可惜这个公式只有在短波的范围内才能正确地预言实验结果。另一方面,虽然普朗克自己声称,他当时不清楚瑞利公式,但他无疑也知道,在长波范围内,u和T成简单正比关系这一事实。这是由他的一个好朋友,实验物理学家鲁本斯(Heinrich Rubens,上一章提到过)在1900年的10月7号的中午告诉他的。到那一天为止,普朗克在这个问题上已经花费了6年的时光(1894年,在他还没有了解到维恩的工作的时候,他就已经对这一领域开始了考察),但是所有的努力都似乎徒劳无功。

  现在,请大家肃静,让我们的普朗克先生好好地思考问题。摆在他面前的全部事实,就是我们有两个公式,分别只在一个有限的范围内起作用。但是,如果从根本上去追究那两个公式的推导,却无法发现任何问题。而我们的目的,在于找出一个普遍适用的公式来。

  10月的德国已经进入仲秋。天气越来越阴沉,厚厚的云彩堆积在天空中,黑夜一天比一天来得漫长。落叶缤纷,铺满了街道和田野,偶尔吹过凉爽的风,便沙沙作响起来。白天的柏林热闹而喧嚣,入夜的柏林静谧而庄重,但在这静谧和喧嚣中,却不曾有人想到,一个伟大的历史时刻即将到来。

  在柏林大学那间堆满了草稿的办公室里,普朗克为了那两个无法调和的公式而苦思冥想。终于有一天,他决定,不再去做那些根本上的假定和推导,不管怎么样,我们先尝试着凑出一个可以满足所有波段的公式出来。其他的问题,之后再说吧。

  于是,利用数学上的内插法,普朗克开始玩弄起他手上的两个公式来。要做的事情,是让维恩公式的影响在长波的范围里尽量消失,而在短波里“独家”发挥出来。普朗克尝试了几天,终于遇上了一个Bingo Moment,他凑出了一个公式,看上去似乎正符合要求。在长波的时候,它表现得就像正比关系一样。而在短波的时候,它则退化为维恩公式的原始形式。

  10月19号,普朗克在柏林德国物理学会(Deutschen Physikalischen Gesellschaft)的会议上,把这个新鲜出炉的公式公诸于众。当天晚上,鲁本斯就仔细比较了这个公式与实验的结果。结果,让他又惊又喜的是,普朗克的公式大获全胜,在每一个波段里,这个公式给出的数据都十分精确地与实验值相符合。第二天,鲁本斯便把这个结果通知了普朗克本人,在这个彻底的成功面前,普朗克自己都不由得一愣。他没有想到,这个完全是侥幸拼凑出来的经验公式居然有着这样强大的威力。

  当然,他也想到,这说明公式的成功绝不仅仅是侥幸而已。这说明了,在那个神秘的公式背后,必定隐藏着一些不为人们所知的秘密。必定有某种普适的原则假定支持着这个公式,这才使得它展现出无比强大的力量来。

  普朗克再一次地注视他的公式,它究竟代表了一个什么样的物理意义呢?他发现自己处在一个相当尴尬的地位,知其然,但不知其所以然。普朗克就像一个倒霉的考生,事先瞥了一眼参考书,但是答辩的时候却发现自己只记得那个结论,而完全不知道如何去证明和阐述它。实验的结果是确凿的,它毫不含糊地证明了理论的正确性,但是这个理论究竟为什么正确,它建立在什么样的基础上,它究竟说明了什么?却没有一个人可以回答。

  然而,普朗克却知道,这里面隐藏的是一个至关重要的东西,它关系到整个热力学和电磁学的基础。普朗克已经模糊地意识到,似乎有一场风暴即将袭来,对于这个不起眼的公式的剖析,将改变物理学的一些面貌。一丝第六感告诉他,他生命中最重要的一段时期已经到来了。

  多年以后,普朗克在给人的信中说:

  “当时,我已经为辐射和物质的问题而奋斗了6年,但一无所获。但我知道,这个问题对于整个物理学至关重要,我也已经找到了确定能量分布的那个公式。所以,不论付出什么代价,我必须找到它在理论上的解释。而我非常清楚,经典物理学是无法解决这个问题的……”

  (Letter to R. W. Wood, 1931)

  在人生的分水岭上,普朗克终于决定拿出他最大的决心和勇气,来打开面前的这个潘多拉盒子,无论那里面装的是什么。为了解开这个谜团,普朗克颇有一种破釜沉舟的气概。除了热力学的两个定律他认为不可动摇之外,甚至整个宇宙,他都做好了抛弃的准备。不过,饶是如此,当他终于理解了公式背后所包含的意义之后,他还是惊讶到不敢相信和接受所发现的一切。普朗克当时做梦也没有想到,他的工作绝不仅仅是改变物理学的一些面貌而已。事实上,整个物理学和化学都将被彻底摧毁和重建,一个新的时代即将到来。

  1900年的最后几个月,黑体这朵飘在物理天空中的乌云,内部开始翻滚动荡起来。

  *********

  饭后闲话:世界科学中心

  在我们的史话里,我们已经看见了许许多多的科学伟人,从中我们也可以清晰地看见世界性科学中心的不断迁移。

  现代科学创立之初,也就是17,18世纪的时候,英国是毫无争议的世界科学中心(以前是意大利)。牛顿作为一代科学家的代表自不用说,波义耳、胡克、一直到后来的戴维、卡文迪许、道尔顿、法拉第、托马斯杨,都是世界首屈一指的大科学家。但是很快,这一中心转到了法国。法国的崛起由伯努利(Daniel Bernoulli)、达朗贝尔(J.R.d'Alembert)、拉瓦锡、拉马克等开始,到了安培(Andre Marie Ampere)、菲涅尔、卡诺(Nicolas Carnot)、拉普拉斯、傅科、泊松、拉格朗日的时代,已经在欧洲独领风骚。不过进入19世纪的后半,德国开始迎头赶上,涌现出了一大批天才,高斯、欧姆、洪堡、沃勒(Friedrich Wohler)、赫尔姆霍兹、克劳修斯、玻尔兹曼、赫兹……虽然英国连出了法拉第、麦克斯韦、达尔文这样的伟人,也不足以抢回它当初的地位。到了20世纪初,德国在科学方面的成就到达了最高峰,成为了世界各地科学家心目中的圣地,柏林、慕尼黑和哥廷根成为了当时自然科学当之无愧的世界性中心。我们在以后的史话里,将会看到越来越多德国人的名字。不幸的是,纳粹上台之后,德国的科技地位一落千丈,大批科学家出逃外国,直接造成了美国的崛起,直到今日。

  只不知,下一个霸主又会是谁呢?


回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:56:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:40pm 第 1 次编辑]

上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第二章乌云

  四


  上次说到,普朗克在研究黑体的时候,偶尔发现了一个普适公式,但是,他却不知道这个公式背后的物理意义。

  为了能够解释他的新公式,普朗克已经决定抛却他心中的一切传统成见。他反复地咀嚼新公式的含义,体会它和原来那两个公式的联系以及不同。我们已经看到了,如果从玻尔兹曼运动粒子的角度来推导辐射定律,就得到维恩的形式,要是从纯麦克斯韦电磁辐射的角度来推导,就得到瑞利-金斯的形式。那么,新的公式,它究竟是建立在粒子的角度上,还是建立在波的角度上呢?

  作为一个传统的保守的物理学家,普朗克总是尽可能试图在理论内部解决问题,而不是颠覆这个理论以求得突破。更何况,他面对的还是有史以来最伟大的麦克斯韦电磁理论。但是,在种种尝试都失败了以后,普朗克发现,他必须接受他一直不喜欢的统计力学立场,从玻尔兹曼的角度来看问题,把熵和几率引入到这个系统里来。

  那段日子,是普朗克一生中最忙碌,却又最光辉的日子。20年后,1920年,他在诺贝尔得奖演说中这样回忆道:

  “……经过一生中最紧张的几个礼拜的工作,我终于看见了黎明的曙光。一个完全意想不到的景象在我面前呈现出来。”(…until after some weeks of the most intense work of my life clearness began to dawn upon me, and an unexpected view revealed itself in the distance)

  什么是“完全意想不到的景象”呢?原来普朗克发现,仅仅引入分子运动理论还是不够的,在处理熵和几率的关系时,如果要使得我们的新方程成立,就必须做一个假定,假设能量在发射和吸收的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的。

  为了引起各位听众足够的注意力,我想我应该把上面这段话重复再写一遍。事实上我很想用初号的黑体字来写这段话,但可惜论坛不给我这个功能。

  “必须假定,能量在发射和吸收的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的。”

  在了解它的具体意义之前,不妨先了解一个事实:正是这个假定,推翻了自牛顿以来200多年,曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界。这个假定以及它所衍生出的意义,彻底改变了自古以来人们对世界的最根本的认识。极盛一时的帝国,在这句话面前轰然土崩瓦解,倒坍之快之彻底,就像爱伦?坡笔下厄舍家那间不祥的庄园。

  好,回到我们的故事中来。能量不是连续不断的,这有什么了不起呢?

  很了不起。因为它和有史以来一切物理学家的观念截然相反(可能某些伪科学家除外,呵呵)。自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后,一切自然的过程就都被当成是连续不间断的。如果你的中学物理老师告诉你,一辆小车沿直线从A点行驶到B点,却不经过两点中间的C点,你一定会觉得不可思议,甚至开始怀疑该教师是不是和校长有什么裙带关系。自然的连续性是如此地不容置疑,以致几乎很少有人会去怀疑这一点。当预报说气温将从20度上升到30度,你会毫不犹豫地判定,在这个过程中间气温将在某个时刻到达25度,到达28度,到达29又1/2度,到达29又3/4度,到达29又9/10度……总之,一切在20度到30度之间的值,无论有理的还是无理的,只要它在那段区间内,气温肯定会在某个时刻,精确地等于那个值。

  对于能量来说,也是这样。当我们说,这个化学反应总共释放出了100焦耳的能量的时候,我们每个人都会潜意识地推断出,在反应期间,曾经有某个时刻,总体系释放的能量等于50焦耳,等于32.233焦耳,等于3.14159……焦耳。总之,能量的释放是连续的,它总可以在某个时刻达到范围内的任何可能的值。这个观念是如此直接地植入我们的内心深处,显得天经地义一般。

  这种连续性,平滑性的假设,是微积分的根本基础。牛顿、麦克斯韦那庞大的体系,便建筑在这个地基之上,度过了百年的风雨。当物理遇到困难的时候,人们纵有怀疑的目光,也最多盯着那巍巍大厦,追问它是不是在建筑结构上有问题,却从未有丝毫怀疑它脚下的土地是否坚实。而现在,普朗克的假设引发了一场大地震,物理学所赖以建立的根本基础开始动摇了。

  普朗克的方程倔强地要求,能量必须只有有限个可能态,它不能是无限连续的。在发射的时候,它必须分成有限的一份份,必须有个最小的单位。这就像一个吝啬鬼无比心痛地付帐,虽然他尽可能地试图一次少付点钱,但无论如何,他每次最少也得付上1个penny,因为没有比这个更加小的单位了。这个付钱的过程,就是一个不连续的过程。我们无法找到任何时刻,使得付帐者正好处于付了1.00001元这个状态,因为最小的单位就是0.01元,付的帐只能这样“一份一份”地发出。我们可以找到他付了1元的时候,也可以找到他付了1.01元的时候,但在这两个状态中间,不存在别的状态,虽然从理论上说,1元和1.01元之间,还存在着无限多个数字。

  普朗克发现,能量的传输也必须遵照这种货币式的方法,一次至少要传输一个确定的量,而不可以无限地细分下去。能量的传输,也必须有一个最小的基本单位。能量只能以这个单位为基础一份份地发出,而不能出现半个单位或者四分之一单位这种情况。在两个单位之间,是能量的禁区,我们永远也不会发现,能量的计量会出现小数点以后的数字。

  1900年12月14日,人们还在忙活着准备欢度圣诞节。这一天,普朗克在德国物理学会上发表了他的大胆假设。他宣读了那篇名留青史的《黑体光谱中的能量分布》的论文,其中改变历史的是这段话:

  为了找出N个振子具有总能量Un的可能性,我们必须假设Un是不可连续分割的,它只能是一些相同部件的有限总和……

  (die Wahrscheinlichkeit zu finden, dass die N Resonatoren ingesamt Schwingungsenergie Un besitzen, Un nicht als eine unbeschr?nkt teilbare, sondern al seine ganzen Zahl von endlichen gleichen Teilen aufzufassen…)

  这个基本部件,普朗克把它称作“能量子”(Energieelement),但随后很快,在另一篇论文里,他就改称为“量子”(Elementarquantum),英语就是quantum。这个字来自拉丁文quantus,本来的意思就是“多少”,“量”。量子就是能量的最小单位,就是能量里的一美分。一切能量的传输,都只能以这个量为单位来进行,它可以传输一个量子,两个量子,任意整数个量子,但却不能传输1又1/2个量子,那个状态是不允许的,就像你不能用现钱支付1又1/2美分一样。

  那么,这个最小单位究竟是多少呢?从普朗克的方程里可以容易地推算出这个常数的大小,它约等于6.55×10^-27尔格*秒,换算成焦耳,就是6.626×10^-34焦耳*秒。这个单位相当地小,也就是说量子非常地小,非常精细。因此由它们组成的能量自然也十分“细密”,以至于我们通常看起来,它就好像是连续的一样。这个值,现在已经成为了自然科学中最为重要的常数之一,以它的发现者命名,称为“普朗克常数”,用h来表示。

  请记住1900年12月14日这个日子,这一天就是量子力学的诞辰。量子的幽灵从普朗克的方程中脱胎出来,开始在欧洲上空游荡。几年以后,它将爆发出令人咋舌的力量,把一切旧的体系彻底打破,并与联合起来的保守派们进行一场惊天动地的决斗。我们将在以后的章节里看到,这个幽灵是如此地具有革命性和毁坏性,以致于它所过之处,最富丽堂皇的宫殿都在瞬间变成了断瓦残垣。物理学构筑起来的精密体系被毫不留情地砸成废铁,千百年来亘古不变的公理被扔进垃圾箱中不得翻身。它所带来的震撼力和冲击力是如此地大,以致于后来它的那些伟大的开创者们都惊吓不已,纷纷站到了它的对立面。当然,它也决不仅仅是一个破坏者,它更是一个前所未有的建设者,科学史上最杰出的天才们参予了它成长中的每一步,赋予了它华丽的性格和无可比拟的力量。人类理性最伟大的构建终将在它的手中诞生。

  一场前所未有的革命已经到来,一场最为反叛和彻底的革命,也是最具有传奇和史诗色彩的革命。暴风雨的种子已经在乌云的中心酿成,只等适合的时候,便要催动起史无前例的雷电和风暴,向世人昭示它的存在。而这一切,都是从那个叫做马克斯?普朗克的男人那里开始的。

  *********

  饭后闲话:连续性和悖论

  古希腊有个学派叫做爱利亚派,其创建人名叫巴门尼德(Parmenides)。这位哲人对运动充满了好奇,但在他看来,运动是一种自相矛盾的行为,它不可能是真实的,而一定是一个假相。为什么呢?因为巴门尼德认为世界上只有一个唯一的“存在”,既然是唯一的存在,它就不可能有运动。因为除了“存在”就是“非存在”,“存在”怎么可能移动到“非存在”里面去呢?所以他认为“存在”是绝对静止的,而运动是荒谬的,我们所理解的运动只是假相而已。

  巴门尼德有个学生,就是大名鼎鼎的芝诺(Zeno)。他为了为他的老师辩护,证明运动是不可能的,编了好几个著名的悖论来说明运动的荒谬性。我们在这里谈谈最有名的一个,也就是“阿喀琉斯追龟辩”,这里面便牵涉到时间和空间的连续性问题。

  阿喀琉斯是史诗《伊利亚特》里的希腊大英雄。有一天他碰到一只乌龟,乌龟嘲笑他说:“别人都说你厉害,但我看你如果跟我赛跑,还追不上我。”

  阿喀琉斯大笑说:“这怎么可能。我就算跑得再慢,速度也有你的10倍,哪会追不上你?”

  乌龟说:“好,那我们假设一下。你离我有100米,你的速度是我的10倍。现在你来追我了,但当你跑到我现在这个位置,也就是跑了100米的时候,我也已经又向前跑了10米。当你再追到这个位置的时候,我又向前跑了1米,你再追1米,我又跑了1/10米……总之,你只能无限地接近我,但你永远也不能追上我。”

  阿喀琉斯怎么听怎么有道理,一时丈二和尚摸不着头脑。

  这个故事便是有着世界性声名的“芝诺悖论”(之一),哲学家们曾经从各种角度多方面地阐述过这个命题。这个命题令人困扰的地方,就在于它采用了一种无限分割空间的办法,使得我们无法跳过这个无限去谈问题。虽然从数学上,我们可以知道无限次相加可以限制在有限的值里面,但是数学从本质上只能告诉我们怎么做,而不能告诉我们能不能做到。

  但是,自从量子革命以来,学者们越来越多地认识到,空间不一定能够这样无限分割下去。量子效应使得空间和时间的连续性丧失了,芝诺所连续无限次分割的假设并不能够成立。这样一来,芝诺悖论便不攻自破了。量子论告诉我们,“无限分割”的概念是一种数学上的理想,而不可能在现实中实现。一切都是不连续的,连续性的美好蓝图,其实不过是我们的一种想象。

回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2004-8-29 21:58:00 | 显示全部楼层
[这个贴子最后由呆鸟在 2004/08/29 11:43pm 第 1 次编辑]

上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第二章乌云

  五


  我们的故事说到这里,如果给大家留下这么一个印象,就是量子论天生有着救世主的气质,它一出世就像闪电划破夜空,引起众人的惊叹及欢呼,并摧枯拉朽般地打破旧世界的体系。如果是这样的话,那么笔者表示抱歉,因为事实远远并非如此。

  我们再回过头来看看物理史上的伟大理论:牛顿的体系闪耀着神圣不可侵犯的光辉,从诞生的那刻起便有着一种天上地下唯我独尊的气魄。麦克斯韦的方程组简洁深刻,倾倒众生,被誉为上帝谱写的诗歌。爱因斯坦的相对论虽然是平民出身,但骨子却继承着经典体系的贵族优雅气质,它的光芒稍经发掘后便立即照亮了整个时代。这些理论,它们的成功都是近乎压倒性的,天命所归,不可抗拒。而伟人们的个人天才和魅力,则更加为其抹上了高贵而骄傲的色彩。但量子论却不同,量子论的成长史,更像是一部艰难的探索史,其中的每一步,都充满了陷阱、荆棘和迷雾。量子的诞生伴随着巨大的阵痛,它的命运注定了将要起伏而多舛。量子论的思想是如此反叛和躁动,以至于它与生俱来地有着一种对抗权贵的平民风格;而它显示出来的潜在力量又是如此地巨大而近乎无法控制,这一切都使得所有的人都对它怀有深深的惧意。

  而在这些怀有戒心的人们中间,最有讽刺意味的就要算量子的创始人:普朗克自己了。作为一个老派的传统物理学家,普朗克的思想是保守的。虽然在那个决定命运的1900年,他鼓起了最大的勇气做出了量子的革命性假设,但随后他便为这个离经叛道的思想而深深困扰。在黑体问题上,普朗克孤注一掷想要得到一个积极的结果,但最后导出的能量不连续性的图象却使得他大为吃惊和犹豫,变得畏缩不前起来。

  如果能量是量子化的,那么麦克斯韦的理论便首当其冲站在应当受置疑的地位,这在普朗克看来是不可思议,不可想象的。事实上,普朗克从来不把这当做一个问题,在他看来,量子的假设并不是一个物理真实,而纯粹是一个为了方便而引入的假设而已。普朗克压根也没有想到,自己的理论在历史上将会有着多么大的意义,当后来的一系列事件把这个意义逐渐揭露给他看时,他简直都不敢相信自己的眼睛,并为此惶恐不安。有人戏称,普朗克就像是童话里的那个渔夫,他亲手把魔鬼从封印的瓶子里放了出来,自己却反而被这个魔鬼吓了个半死。

  有十几年的时间,量子被自己的创造者所抛弃,不得不流浪四方。普朗克不断地告诫人们,在引用普朗克常数h的时候,要尽量小心谨慎,不到万不得已千万不要胡思乱想。这个思想,一直要到1915年,当玻尔的模型取得了空前的成功后,才在普朗克的脑海中扭转过来。量子论就像神话中的英雄海格力斯(Hercules),一出生就被抛弃在荒野里,命运更为他安排了重重枷锁。他的所有荣耀,都要靠自己那非凡的力量和一系列艰难的斗争来争取。作为普朗克本人来说,他从一个革命的创始者而最终走到了时代的反面,没能在这段振奋人心的历史中起到更多的积极作用,这无疑是十分遗憾的。在他去世前出版的《科学自传》中,普朗克曾回忆过他那企图调和量子与经典理论的徒劳努力,并承认量子的意义要比那时他所能想象的重要得多。

  不过,我们并不能因此而否认普朗克在量子论所做出的伟大而决定性的贡献。有一些观点可能会认为普朗克只是凭借了一个巧合般地猜测,一种胡乱的拼凑,一个纯粹的运气才发现了他的黑体方程,进而假设了量子的理论。他只是一个幸运儿,碰巧猜到了那个正确的答案而已。而这个答案究竟意味着什么,这个答案的内在价值却不是他能够回答和挖掘的。但是,几乎所有的关于普朗克的传记和研究都会告诉我们,虽然普朗克的公式在很大程度上是经验主义的,但是一切证据都表明,他已经充分地对这个答案做好了准备。1900年,普朗克在黑体研究方面已经浸淫了6年,做好了理论上突破的一切准备工作。其实在当时,他自己已经很清楚,经典的电磁理论已经无法解释实验结果,必须引入热力学解释。而这样一来,辐射能量的不连续性已经是一个不可避免的结果。这个概念其实早已在他的脑海中成形,虽然可能普朗克本人没有清楚地意识到这一点,或者不肯承认这一点,但这个思想在他的潜意识中其实已经相当成熟,呼之欲出了。正因为如此,他才能在导出方程后的短短时间里,以最敏锐的直觉指出蕴含在其中的那个无价的假设。普朗克以一种那个时代非常难得的开创性态度来对待黑体的难题,他为后来的人打开了一扇通往全新未知世界的大门。无论从哪个角度来看,这样的伟大工作,其意义都是不能低估的。

  而普朗克的保守态度也并不是偶然的。实在是量子的思想太惊人,太过于革命。从量子论的成长历史来看,有着这样一个怪圈:科学巨人们参予了推动它的工作,却终于因为不能接受它惊世骇俗的解释而纷纷站到了保守的一方去。在这个名单上,除了普朗克,更有闪闪发光的瑞利、汤姆逊、爱因斯坦、德布罗意,乃至薛定谔。这些不仅是物理史上最伟大的名字,好多更是量子论本身的开创者和关键人物。量子就在同它自身创建者的斗争中成长起来,每一步都迈得艰难而痛苦不堪。我们会在以后的章节中,详细地去观察这些激烈的思想冲击和观念碰撞。不过,正是这样的磨砺,才使得一部量子史话显得如此波澜壮阔,激动人心,也使得量子论本身更加显出它的不朽光辉来。量子论不像牛顿力学或者爱因斯坦相对论,它的身上没有天才的个人标签,相反,整整一代精英共同促成了它的光荣。

  作为老派科学家的代表,普朗克的科学精神和人格力量无疑是可敬的。在纳粹统治期间,正是普朗克的努力,才使得许多犹太裔的科学家得到保护,得以继续工作。但是,量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘,它需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激活它的灵气。20世纪初,物理的天空中已是黑云压城,每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。一个伟大的时代需要伟大的人物,有史以来最出色和最富激情的一代物理学家便在这乱世的前夕成长起来。

  1900年12月14日,普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文,宣告了量子的诞生。那一年他42岁。

  就在那一年,一个名叫阿尔伯特?爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业,正在为将来的生活发愁。他在大学里旷了无穷多的课,以致他的教授闵可夫斯基(Minkowski)愤愤地骂他是“懒狗”。没有一个人肯留他在校做理论或者实验方面的工作,一个失业的黯淡前途正等待着这位不修边幅的年轻人。

  在丹麦,15岁的尼尔斯?玻尔(Niels Bohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格,每次打架或争论,总是少不了他。学习方面,他在数学和科学方面显示出了非凡的天才,但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名的笑柄。特别是作文最后的总结(conclusion),往往使得玻尔头痛半天,在他看来,这种总结是无意义的重复而已。有一次他写一篇关于金属的论文,最后总结道:In conclusion, I would like to mention uranium(总而言之,我想说的是铀)。

  埃尔文?薛定谔(Erwin Schrodinger)比玻尔小两岁,当时在维也纳的一间著名的高级中学Akademisches Gymnasium上学。这间中学也是物理前辈玻尔兹曼,著名剧作家施尼茨勒(Arthur Schnitzler)和齐威格(Stefanie Zweig)的母校。对于刚入校的学生来说,拉丁文是最重要的功课,每周要占8个小时,而数学和物理只用3个小时。不过对薛定谔来说一切都是小菜一碟,他热爱古文、戏剧和历史,每次在班上都是第一。小埃尔文长得非常帅气,穿上礼服和紧身裤,俨然一个翩翩小公子,这也使得他非常受到欢迎。

  马克斯?波恩(Max Born)和薛定谔有着相似的教育背景,经过了家庭教育,高级中学的过程进入了布雷斯劳大学(这也是当时德国和奥地利中上层家庭的普遍做法)。不过相比薛定谔来说,波恩并不怎么喜欢拉丁文,甚至不怎么喜欢代数,尽管他对数学的看法后来在大学里得到了改变。他那时疯狂地喜欢上了天文,梦想着将来成为一个天文学家。

  路易斯?德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁,正在他那显赫的贵族家庭里接受良好的幼年教育。他对历史表现出浓厚的兴趣,并乐意把自己的时间花在这上面。

  沃尔夫冈?恩斯特?泡利(Wolfgang Ernst Pauli)才出生8个月,可怜的小家伙似乎一出世就和科学结缘。他的middle name,Ernst,就是因为他父亲崇拜著名的科学家恩斯特?马赫(Ernst Mach)才给他取的。

  而再过12个月,维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名希腊文献教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。稍早前,罗马的一位公务员把他的孩子命名为恩里科?费米(Enrico Fermi)。20个月后,保罗?狄拉克(Paul Dirac)也将出生在英国的布里斯托尔港。

  好,演员到齐。那么,好戏也该上演了。

回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 轻松注册

本版积分规则

手机版|小黑屋|Archiver|ASPCN防雷技术论坛. ( 沪ICP备13015411号-2 )

GMT+8, 2020-4-1 19:05

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表