主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

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2018-09-18 11:02:27
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奔波儿
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【原创翻译】第二章·专利的奴仆(6) 24

第二章·专利的奴仆(5)

杨生于1773年,家里有十个孩子,他是长子。两岁的时候,杨就能流畅地阅读书籍,六岁的时候,他已经把圣经通读两遍。另外,杨精通多国语言,他曾经为破译埃及的象形文字做出过重要贡献。杨还是一名训练有素的物理学家,因为他从一位叔伯那儿获得很大一笔馈赠,所以他从不为生计发愁,且可以随心所欲钻研自己喜欢的学问。杨对光的本质很感兴趣,他是从研究光和声音的异同入手的,最后发现“牛顿的光学体系存在一、两个问题”。他认为光的本质是一种波,为此他进行了一个实验,其结果宣告了牛顿的光粒子理论走到了终点。

杨将一束单色光照射到一块带有一个狭缝的幕布上。在通过这个狭缝以后,这束光又照射到第二块幕布上,这块幕布上有两个相互平行且间距很小的狭缝。就像汽车的头灯一样,这两个狭缝会变成两个新的光源,也就是杨所说的“两个离散点,从这两点开始,光向各个方向散射”。在第二块幕布背后相隔一段距离,还有第三块幕布,当光通过两个狭缝照射过来时,杨看见第三块幕布上面出现了一幅怪异的光带:中间为一条亮光带,在其两边为明暗相间排列的光带。

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为了解释这些明暗相间的“条带”,杨用了类比的法子。如果在平静的湖面上同时扔进两个石头,且石头的落点间距很小,则两个石头都会在湖面上产生一圈圈向外传播的波纹。当两组波纹相遇的时候,如果是波峰遇到波峰或者是两个波谷相遇,则会相互叠加,从而产生更强的波峰或者波谷,即相长干涉(Constructive Interference);但如果是波峰遇见波谷或者波谷遇见波峰,则两者在相遇点会相互抵消,且该点会平静如常,即相消干涉(Destructive Interference)。

在杨所做的实验中,光波先要通过两个狭缝,在其照射到幕布之前,光波会像水波一样相互干涉,则出现在幕布上的亮条纹对应于相长干涉,而暗条纹则对应于相消干涉。杨认为只有当光是一种波时,才能解释这种现象。如果光是牛顿所说的粒子,则只会在幕布上产生两条亮光带,在它们之间为黑暗;而那种明暗相间的条纹是不可能存在的。

1801年,杨首次提出干涉的观点,并报告了他的初步结果,但他这种向牛顿挑战的行为招致人们的口诛笔伐。为替自己辩护,杨写了一部小册子,向大家阐述了自己对牛顿的认识:“尽管我敬仰牛顿的大名,但是我并不会因此就把他看作是完美无缺的化身。我发现牛顿同样也会犯错误,而且他的权威在一定程度上甚至阻碍了科学的前进;对此,我的心中充满忧愁,并深深地感到遗憾。”可惜,他的小册子只卖出去一本。

紧跟杨的脚步,一位法国土木工程师也从牛顿的阴影下走了出来。奥古斯丁·让·菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel:1788~1827)比他的这位前辈年轻15岁,他在对杨的工作一无所知的情况下,也独自发现了干涉现象,不过只是晚了些日子而已。但是,和英国人相比,菲涅耳设计的实验更巧妙,也从而获得了更多的成果。在他把自己的结果公布出来,并给出了相应的数学分析以后,从1820年开始,越来越的人转而支持光波学说。菲涅耳让大家信服了波动理论比牛顿的粒子理论更能够准确地解释一系列光学现象。另外,他还回答了另外一个困扰了光波理论很久的问题,也就是为什么光无法拐弯。他认为这是因为光波的波长只有声波波长的几百万分之一,因此当直线传播的光波出现弯曲时,人们很难去观测出来。波只有在遇到比其波长短的物体时,才会发生弯曲,声波波长非常长,因而能绕过其传播过程中所遇到的大部分障碍物。

对那些持有相反观点和质疑态度的人,要想让他们在两种争锋相对的理论中做出最终抉择,有一个法子,那就是用实际观测结果说话,特别是根据这两种理论会得到不同的预测结果的实验。1850年,在法国做的一些观测显示光在致密物体(例如玻璃和水)中运动的速度比在空气中要慢。这个结果与光波理论的理论预测相吻合;如果根据牛顿的光粒子理论,光在致密物体中的速度则是要快得多,显然这是违背实际结果的。但是,问题依旧存在:如果光是一种波,那么它的物理特性何如?下面,该詹姆士·克拉克·麦克斯韦(James Clark Maxwell:1831~1879)和他的电磁理论闪亮登场了。

麦克斯韦于1831年诞生于爱丁堡,他是一位苏格兰地主的儿子,注定要成为十九世纪最伟大的理论物理学家。在他15岁的时候,麦克斯韦就正式发表了一篇几何学论文,探讨椭圆的轨迹。1855年,麦克斯韦发表了一篇天文学论文,在文中他认为土星的光环并非是固态的,而是由若干较小的且破碎的物质组成,凭借这篇论文,他荣获了剑桥大学的亚当斯奖学金(Adams Prize)。1860年,基于气体是由无数运动中的分子组成这一认识的分子运动学理论发展到了它的极致,而麦克斯韦是使这一理论最终成型的那几个人之一。但是,他最伟大的成还是电磁理论。

1819年,丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Orsted:1777~1851)发现当有电流通过导线时,会引起磁针偏离。一年以后,法国科学家弗朗索瓦·阿拉戈(Franois Arago:1786~1853)发现带电的导线会像磁石一样吸引铁屑。之后不久,他的同胞安德烈-马里·安培(André-Marie Ampère:1775~1836)发现如果让电流同方向流过两个互相平行的导线,这两根导线会相互吸引;反之,如果让电流反方向通过这两根线,则它们会彼此相斥。这些实验反映出电流能够产生磁场,基于这样的认识,杰出的英国实验物理学家米歇尔·法拉第(Michael Faraday:1791~1867)突然产生一个灵感,他想看看是否可以通过磁场反过来产生电流。他将一个一块磁铁反复插入和拔出于一个线圈,结果线圈中产生了电流;当他把磁铁停止在线圈中时,电流随即消失。

大家都知道,冰、水和汽是H2O的三种不同状态。与此类似,麦克斯韦在1864年证实了电和磁不过是同一种现象(即电磁)的不同表现状态而已。利用四个简洁的数学方程,麦克斯韦清晰地阐述了电和磁之间的相互关系,从而将电和磁统一在一起。路德维希·玻尔兹曼看到这组公式以后,他在第一时间就意识到麦克斯韦取得了一项非凡的成就,并引用歌德的诗句赞美“难道是上帝留下了这些印记?”利用自己的公式,麦克斯韦做出了震撼世界的预测,即电磁波是以光速在以太中传播的。如果他的预测是正确的,那么(以同样速度传播的)光应该也是一种电磁辐射。但电磁波真的存在吗?如果它们确实存在,那么它们的传播速度真的就一定是光速吗?麦克斯韦在有生之年内没有能够看到他的预测被实验证实。1879年11月,麦克斯韦因癌症去世,年仅48岁。而在这同一年中,爱因斯坦也降临人世。又过了快十年之后,即在1887年,海因里希·赫兹通过实验发现了“光电效应”,据此,麦克斯韦这一将电、磁和光统一在一起的理论作为19世纪最伟大的学术成就名彪史册。

赫兹在论文中阐述了他的发现“在我看来,试验结果确信无疑地证明:所有那些对光、热辐射以及电磁运动是否存在的怀疑都可以被扔到垃圾堆了。从此刻起,我坚信我们应该充分利用这些概念,在光学和电学的研究上披荆斩棘。”但具有讽刺意味的是,虽然赫兹通过这些实验发现了光电效应,但却也为爱因斯坦提供了一个在他看来是错误的概念,即“光量子”。爱因斯坦的光量子所挑战的光波学说,在赫兹眼中,早已是一个很严密而完美的理论。无数事实均成功证实光是一种电磁辐射,在这种情况下,让物理学家们抛弃这一共识,而去接受爱因斯坦的光量子学说,这简直是痴人说梦。很多人认为光量子学说荒诞不经。毕竟,光量子的能量是由光的频率决定的,而频率却应该是与波,而不是什么空间中传播的能量块联系在一起。

其实,爱因斯坦自己也认同,光波理论在解释散射、干涉、反射和折射等现象方面“具有非同一般的正确性”,而且该理论“可能永远不会被任何其它理论所取代”。但是,他指出,这种成功是建立在一个关键事实上的,即所有这些光学现象发生的过程都非常短暂,而在这种转瞬即逝的时间内,肉眼根本无法观测到任何粒子特性。假如光的“瞬间”释放和吸收能够被人们观察到,那将会是一个别有洞天的世界。爱因斯坦认为,这就是为什么光波理论在解释光电效应的时候“举步维艰”的原因。

后来荣获诺贝尔物理学奖的马克斯·冯·劳厄(Max von Laue:1879~1960)在1906年的时候,还只是柏林大学的一位普通讲师,他当时写信给爱因斯坦说自己愿意(部分)接受他的观点,即在光的释放和吸收过程中存在着量子。但,也仅此而已,而且劳厄告诫说只有“在光与其它物质交换能量时,才看上去像是由量子组成的”。持相同观点的人在当时是屈指可数。造成这种局面的原因部分是由于爱因斯坦自己,在他的论文原文中,他的确说过光“运动”的方式说明它是由量子组成的。这种论述很难说是对光量子做出了准确的定义,因为爱因斯坦想创立的并不只是一种“具有启迪性的观点”,而是不折不扣的一套完整的理论。

在当时,光依旧被认为是一种具有连续性的波,当它与由离散的原子组成的金属板激烈碰撞时,双方争锋相对的战场就是光电效应。但在1905年,依旧也很多人质疑原子的存在。5月11日,也就是在爱因斯坦完成了他的量子论文约两个月后,《物理通报》接受了他这一年投出的第二篇论文。在这篇论文中,爱因斯坦解释了布朗运动,从而为原子的存在提供了一个关键证据。

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1827年,当苏格兰植物学家罗伯特·布朗(Robert Brown:1773~1858)在显微镜中观察悬浮在水中的花粉颗粒时,他发现这些颗粒似乎是被某种看不见的作用力推动着,总是处于随机漂移的状态。其他学者也观察到随着水温的升高,这种漂移现象会逐渐加剧,大家认为在这种现象背后可能存在着某种生物学上的缘由。但是,布朗发现当他所用的花粉颗粒有二十多年的年份时,类似的现象依旧存在。这个发现让他着了迷,他将各种各样的标本弄成细小颗粒,让它们悬浮在水中,包括玻璃,甚至还有狮身人面像上弄下来的东西。他发现这些悬浮颗粒在水中都会呈现不规则运动状态,这说明这种运动背后可能存在着一种未知的作用力。布朗把自己的研究结果写成一本名为《关于在1827年六、七、八月间利用显微镜观察的简单描述:植物花粉中的颗粒,以及有机物和无机物活动分子的广泛存在(A Brief Account of Microscopical Observations Made in the Months of June, July and August 1827, on the Particles Contained in the Pollen of Plants; and on the General Existence of Actice Molecules in Organic and Inorganic Bodies)》的小册子。其他学者对“布朗运动(Brownian Motion)”给出了似乎合理的解释,但很快就发现了其解释的不足。一直到19世纪末,那些坚信原子和分子存在的学者才认识到布朗运动是由水分子与悬浮颗粒之间的相互碰撞所引起的。

爱因斯坦认为布朗运动之所以存在,并不是仅仅由一次悬浮颗粒与水分子之间的碰撞引发的,而是多次碰撞的结果。也就是说,任一时刻,人们所观察到的悬浮颗粒的不规则运动都是这若干次碰撞的总体结果。爱因斯坦判断要想弄清楚这一难以捉摸的运动,关键在于了解相对于水分子的“平均”运动状态的偏差值,即其统计意义上的扰动值。鉴于水分子的尺寸很小,因而平均而言,可以认为若干水分子会从不同方向同时撞击花粉颗粒。在这种微观尺度上,尽管每一个水分子都会对花粉颗粒在单个方向上产生一个微小的推力,但是若干水分子所产生的整体效应则是导致花粉颗粒原地不动,因为这些作用力彼此会相互抵消掉。爱因斯坦认为产生布朗运动的原因是因为水分子偏离了其“正常的”运动状态,也就是说其中一些水分子聚集在一起,同时撞击花粉颗粒,从而导致其向某一特定方向移动。

通过这一认识,爱因斯坦成功地计算出在某一段时间内,花粉颗粒运动的平均水平距离。根据他的预测,当水温在17摄氏度时,直径为千分之一毫米的悬浮颗粒会在一分钟之内平均移动千分之六毫米。爱因斯坦给出了一个公式,从而可以利用温度计、显微镜和秒表来计算原子的尺寸。三年以后,即1908年,索邦大学的让·巴蒂斯特·皮兰(Jean Bsptiste Perrin:1870~1942)通过一系列精妙的实验,证实了爱因斯坦的预测,并因此获得了1926年的诺贝尔物理学奖。

第二章·专利的奴仆(7)


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