遇事不决，量子力学——上帝掷骰子吗？

遇事不决，量子力学

今年的物理学奖，颁给了研究量子纠缠和量子信息科学领域的三位学者，再次炒热话题，其实量子概念诞生已经超过100年了，但其思想太过诡异，以至于很多人学到量子物理时，会产生懂了但好像又没懂的错觉，正如量子论的奠基人玻尔所说，“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

电磁与光

赫兹的实验，证实了继牛顿之后物理学又一标志性高峰——电磁理论创立，英国科学家法拉第首次发现电磁感应现象，麦克斯韦构造了电磁学的主体，赫兹实证了麦克斯韦预言的电磁波，没有电磁学就没有现代电工学，更不会有现代文明电脑这些科技产物诞生。

牛顿、法拉第、麦克斯韦

为了进一步论证自己的想法，赫兹将接收器挪到不同位置，测算出电磁波的波长，在乘上振荡频率即为电磁波速度——30万公里/秒，也就是光速，这一实验预示着光也是电磁波的一种，只不过普通光的频率恰好落到了我们人眼可以观测到的范围罢了。

有了以上结论，光学也可被纳入初生的电磁学领域，即“光是电磁波的一种”，这一论断拉开了量子物理学黄金时代的序幕，双方即将展开旷日持久的论战；接下来电磁波的反射、衍射和干涉实验出炉，进一步证实电磁波与光波的一致性；七年后，赫兹英年早逝，他的名字成为“频率”的单位。在进入量子理论之前，我们需要回顾物理学前一次关于光的辩论。

微粒说和波动说

课本上很笼统地告诉我们光的“波粒二象性”，既具有波动特性，又具有粒子特性，但这简简单单的一句话背后纷争可以追溯到牛顿时期，17世纪中期，大家对光本质的讨论提出了两种假说——微粒说和波动说，不过大陆理性主义哲学开拓者笛卡尔很平淡的介绍了两种假说，此时火药味还不足。

第一次“波粒战争”始于波义耳（气体压强波义耳定律），他认为人眼看到的颜色并非物体本身的属性，而是光照的效果；格里马第（电磁波衍射的发现者）认为光的颜色因频率不同引发的，1663年，英国皇家学会的胡克（材料弹性胡克定律）支持格里马第，并强烈支持光的波动说，此刻波在欧洲占据上风。

1672年，当时年仅29岁的牛顿，因发明反射望远镜，成为皇家学会的一员，受到日后争执人物莱布尼茨的关注，牛顿透过三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发现光的色散原理；胡克和波义耳担任研究成果的评审，胡克声称牛顿关于光色彩复合是偷了他的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不值一提，仅仅是“假说”而已。

波粒战争

在牛顿最初观点中，光的微粒说仅仅只是个假设，在胡克批判后，牛顿索性就一面倒地站微粒说，1675年，牛顿让光通过大曲率凸透镜，照射到光学平玻璃板上，出现了一组彩色的同心环条纹（牛顿环）；荷兰科学家惠更斯也加入了论战，十五年后的1690年，惠更斯受这些光的讨论与实验启发写下《光论》，进一步阐释光的波动理论。

牛顿在胡克去世后的第二年（1704年），发表了他的煌煌巨著《光学》，此刻正反双方已经就位，第一次“波粒战争”打响。在这本光学的奠基之作中，牛顿除了上述的薄膜透光、牛顿环现象、光的反射定律和折射定律外，还着重强调认为光是一种微粒流。

牛顿反对胡克和惠更斯的波动理论。牛顿说光源里有微粒射出，这些微粒在均匀介质内遵从力学定律作等速直线运动，故光的微粒说。此后的100年里，因为《自然哲学的数学原理》微积分以及力学的光环，牛顿的《光学》都无人可质疑，第一次“波粒战争”以牛顿微粒学大胜告终，此后一个世纪波动说都难以服众。

“小心眼”的牛顿

在波粒战争中，牛顿的“小心眼”早有体现，当他遇到胡克如此严厉的指控，牛顿勃然大怒，事后花了四个月写了篇洋洋洒洒的“大作文”炮轰胡克，对胡克一字一句进行反驳，全文四处是胡克的名字，双方已然成为死敌，只不过当时牛顿很年轻。事实证明，人绝非完人，牛顿爵士也无法做到面面俱到，1703年也就是胡克去世的那一年，牛顿成为英国皇家学会会长，兼任皇家铸币厂厂长和督办。

当他执英国皇家学会牛耳时，可以利用自己的权力去打压其他学说。本来牛顿对微粒说一开始也不咋认可，就是个假设，但在胡克攻击他后，牛顿彻底站在对立面，后世的人们对牛顿这一行为各有各的看法，有可能是牛顿“小心眼”，也有可能是他真的认可微粒说，或者二者兼有之。

大部分中学生都是通过弹性基本定理胡克定律来了解他，但胡克在力学、光学、仪器等方面均贡献巨大，帮助波义耳发现波义耳定律，他的《显微术》一书中，为细胞（Cell）取名，致力于光学仪器的创制，并且亲自主持1666年伦敦大火后的城市重建工作，在胡克牛顿二人信件关于引力问题的讨论中，牛顿一时把引力看做是不随距离而变化的常量，胡克纠正了牛顿的错误，二人结下梁子，晚年胡克境遇凄凉，如此伟大的科学家竟然没有留下一张画像……

百年后的反击

第一次波粒战争以牛顿微粒说完胜告终，一个世纪后，此时牛顿已经去世，人们才意识到百年前的科学家居然一人作出如此多的贡献，恐怕历史上也只有亚里士多德留下如此多的学问；1773年，英国米尔沃顿一位天才男孩托马斯·杨诞生，6岁学习拉丁文，16岁时可以说十种语言，拥有异于常人的语言天赋，托马斯·杨日后破译了埃及罗塞塔碑上的神秘古埃及象形文字，并成为埃及学正式创立的奠基人之一。

不过我们并不关心杨在其他领域的建树，1792年，杨前往伦敦学习医学，接触到了人体眼睛的构造以及光学，杨在光学突破来自于波的“干涉”现象，波有波峰与波谷，当两列波相遇时，如果波峰对波峰，那么波就会叠加到二倍峰值，如果波峰对波谷，那么会互相抵消，有了这个想法，他再看百年前牛顿环的明暗条纹，托马斯·杨弈下子悟了，环上明亮的地方就是两道光波峰相遇“同相”，暗的地方即为反相，波峰波谷抵消。

1803年，在胡克去世一百年后，杨发表论文阐释如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象，杨甚至计算出了光的波长应该在1/60000～1/36000英寸之间，这个实验也就是我们课本上托马斯·杨光的双缝干涉实验，点光源通过一个开了小孔的纸，然后再在后面放上第二张开了两道平行狭缝的纸，从小孔中射出的光透过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明暗交替的干涉条纹。

但就像科学史上无数有趣的瞬间一样，托马斯·杨的成果并没有引起多少人的注意，毕竟微粒说是已经封神牛顿爵士的理论，医学生托马斯·杨的偶然发现受尽了物理学界的嘲笑讥讽，若干年后课本选修3-4的内容在当时被视作“荒唐”的闹剧。不过“真理”总是难以掩盖的，用微粒说无法解释明暗相见的条纹，观察后的直觉确实完美符合波动说。

人们无法再忽视托马斯·杨的成果，他的双缝干涉实验在物理学史上极其重要，直接成为第二次波粒战争的导火索……以上为《上帝掷骰子吗？：量子物理史话》第一章的内容，理论比较简单九年义务都学过，但这种以波粒战争“对线”为主节奏看得很过瘾，没有恼人的公式，读起来非常流畅，作为科普书籍十分适合面向大众。

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