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上帝掷骰子吗?量子物理史话

导读: 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。

  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(ThomasYoung)。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。

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