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上帝掷骰子吗--量子物理史话 作者:castor_v_pollux-第章

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样东西都买不到的,因为规矩是你只能以个人的身份入场,没有连续性和积累性,大家的

钱不能凑在一起用。

爱因斯坦推导出的方程和我们的拍卖是一个意思:

1/2 mv^2 = hν– P

1/2 mv^2是激发出电子的最大动能,也就是我们说的,能买到“多好”的货物。hν是单

个量子的能量,也就是你总共有多少钱。P是激发出电子所需要的最小能量,也就是“入

场费”。所以这个方程告诉我们的其实很简单:你能买到多好的货物取决于你的总资金减

掉入场费用。

这里面关键的假设就是:光以量子的形式吸收能量,没有连续性,不能累积。一个量子激

发出一个对应的电子。于是实验揭示出来的效应的瞬时性难题也迎刃而解:量子作用本来

就是瞬时作用,没有积累的说法。

但是,大家从这里面嗅到了些什么没有?光量子,光子,光究竟是一种什么东西呢?难道

我们不是已经清楚地下了结论,光是一种波动吗?光量子是一个什么概念呢?

仿佛宿命一般,历史在转了一个大圈之后,又回到起点。关于光的本性问题,干戈再起,

“第三次微波战争”一触即发。而这次,导致的后果是全面的世界大战,天翻地覆,一切

在毁灭后才得到重生。


*********
饭后闲话:奇迹年

如果站在一个比较高的角度来看历史,一切事物都是遵循特定的轨迹的,没有无缘无故的

事情,也没有不合常理的发展。在时代浪尖里弄潮的英雄人物,其实都只是适合了那个时

代的基本要求,这才得到了属于他们的无上荣耀。

但是,如果站在庐山之中,把我们的目光投射到具体的那个情景中去,我们也能够理解一

个伟大人物为时代所带来的光荣和进步。虽然不能说,失去了这些伟大人物,人类的发展

就会走向歧途,但是也不能否认英雄和天才们为这个世界所作出的巨大贡献。

在科学史上,就更是这样。整个科学史可以说就是以天才的名字来点缀的灿烂银河,而有

几颗特别明亮的星辰,它们所发射出的光芒穿越了整个宇宙,一直到达时空的尽头。他们

的智慧在某一个时期散发出如此绚烂的辉煌,令人叹为观止。一直到今天,我们都无法找

出更加适合的字句来加以形容,而只能冠以“奇迹”的名字。

科学史上有两个年份,便符合“奇迹”的称谓,而它们又是和两个天才的名字紧紧相连的

。这两年分别是1666年和1905年,那两个天才便是牛顿和爱因斯坦。

1666年,23岁的牛顿为了躲避瘟疫,回到乡下的老家度假。在那段日子里,他一个人独立

完成了几项开天辟地的工作,包括发明了微积分(流数),完成了光分解的实验分析,以

及万有引力的开创性工作。在那一年,他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础,

而其中的任何一项工作,都足以让他名列有史以来最伟大的科学家之列。很难想象,一个

人的思维何以能够在如此短的时间内涌动出如此多的灵感,人们只能用一个拉丁文annus 

mirabilis来表示这一年,也就是“奇迹年”(当然,有人会争论说1667年其实也是奇迹

年)。

1905年的爱因斯坦也是这样。在专利局里蜗居的他在这一年发表了6篇论文,3月18日,是

我们上面提到过的关于光电效应的文章,这成为了量子论的奠基石之一。4月30日,发表

了关于测量分子大小的论文,这为他赢得了博士学位。5月11日和后来的12月19日,两篇

关于布朗运动的论文,成了分子论的里程碑。6月30日,发表题为《论运动物体的电动力

学》的论文,这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称,叫做“狭义相对论”

,它的意义就不用我多说了。9月27日,关于物体惯性和能量的关系,这是狭义相对论的

进一步说明,并且在其中提出了著名的质能方程E=mc2。

单单这一年的工作,便至少配得上3个诺贝尔奖。相对论的意义是否是诺贝尔奖所能评价

的,还难说得很。而这一切也不过是在专利局的办公室里,一个人用纸和笔完成的而已。

的确很难想象,这样的奇迹还会不会再次发生,因为实在是太过于不可思议了。在科学高

度细化的今天,已经无法想象,一个人能够在如此短时间内作出如此巨大的贡献。100年

前的庞加莱已经被称为数学界的“最后一位全才”,而爱因斯坦的相对论,也可能是最后

一个富有个人英雄主义传奇色彩的理论了吧?这是我们的幸运,还是不幸呢?




上次说到,爱因斯坦提出了光量子的假说,用来解释光电效应中无法用电磁理论说通的现

象。

然而,光量子的概念却让别的科学家们感到非常地不理解。光的问题不是已经被定性了吗

?难道光不是已经被包括在麦克斯韦理论之内,作为电磁波的一种被清楚地描述了吗?这

个光量子又是怎么一回事情呢?

事实上,光量子是一个非常大胆的假设,它是在直接地向经典物理体系挑战。爱因斯坦本

人也意识到这一点,在他看来,这可是他最有叛逆性的一篇论文了。在写给好友哈比希特

(C。Habicht)的信中,爱因斯坦描述了他划时代的四篇论文,只有在光量子上,他才用

了“非常革命”的字眼,而甚至相对论都没有这样的描述。

光量子和传统的电磁波动图象显得格格不入,它其实就是昔日微粒说的一种翻版,假设光

是离散的,由一个个小的基本单位所组成的。自托马斯?杨的时代又已经过去了一百年,

冥冥中天道循环,当年被打倒在地的霸主以反叛的姿态再次登上舞台,向已经占据了王位

的波动说展开挑战。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战,从而领悟到各自

存在的终极意义:如果没有了你,我独自站在这里,又是为了什么。

不过,光量子的处境和当年起义的波动一样,是非常困难和不为人所接受的。波动如今所

占据的地位,甚至要远远超过100年前笼罩在牛顿光环下的微粒王朝。波动的王位,是由

麦克斯韦钦点,而又有整个电磁王国作为同盟的。这场决战,从一开始就不再局限于光的

领地之内,而是整个电磁谱的性质问题。而我们很快将要看到,十几年以后,战争将被扩

大,整个物理世界都将被卷入进去,从而形成一场名副其实的世界大战。

当时,对于光量子的态度,连爱因斯坦本人都是非常谨慎的,更不用说那些可敬的老派科

学绅士们了。一方面,这和经典的电磁图象不相容;另一方面,当时关于光电效应的实验

没有一个能够非常明确地证实光量子的正确性。微粒的这次绝地反击,一直要到1915年才

真正引起人们的注意,而起因也是非常讽刺的:美国人密立根(R。A。Millikan)想用实验

来证实光量子图象是错误的,但是多次反复实验之后,他却啼笑皆非地发现,自己已经在

很大的程度上证实了爱因斯坦方程的正确性。实验数据相当有说服力地展示,在所有的情

况下,光电现象都表现出量子化特征,而不是相反。

如果说密立根的实验只是微粒革命军的一次反围剿成功,其意义还不足以说服所有的物理

学家的话,那么1923年,康普顿(A。Hpton)则带领这支军队取得了一场决定性的胜

利,把他们所潜藏着的惊人力量展现得一览无余。经此一役后,再也没有人怀疑,起来对

抗经典波动帝国的,原来是一支实力不相上下的正规军。

这次战役的战场是X射线的地域。康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候,发现一个奇

怪的现象:散射出来的X射线分成两个部分,一部分和原来的入射射线波长相同,而另一

部分却比原来的射线波长要长,具体的大小和散射角存在着函数关系。

如果运用通常的波动理论,散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的

那一部分波长变长的射线呢?康普顿苦苦思索,试图从经典理论中寻找答案,却撞得头破

血流。终于有一天,他作了一个破釜沉舟的决定,引入光量子的假设,把X射线看作能量

为hν的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光,眼前豁然开朗:那一部分波长变

长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子
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