八喜电子书 > 经管其他电子书 > 上帝掷骰子吗-量子物理史话 >

第1部分

上帝掷骰子吗-量子物理史话-第1部分

小说: 上帝掷骰子吗-量子物理史话 字数: 每页4000字

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页,按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页,按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部!
————未阅读完?加入书签已便下次继续阅读!



 castor_v_pollux原作。这是一本很好的近代物理发展史趣味读本,简洁流畅、幽默生动,历史上的杰出物理学家们一一跃然纸上,同时穿插着大量的名人轶事、经典实验。虽然通篇都是在讲述物理学,但是作者使用了大量的比喻、例子,力求用浅白的语言讲述复杂的量子物理学,而且作者成功了,真是让我崇拜啊~~~。向作者致敬!     上帝掷骰子吗——量子物理史话 序 如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代,那么有两个时期是一定会入选的:17世纪 末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志,宣告了现代经典物理 学的正式创立;而后者则为我们带来了相对论和量子论,并最彻底地推翻和重建了整个物 理学体系。所不同的是,今天当我们再谈论起牛顿的时代,心中更多的已经只是对那段光 辉岁月的怀旧和祭奠;而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰着我们至今,就像两颗 青涩的橄榄,嚼得越久,反而更加滋味无穷。 我在这里先要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇,由一个不起眼的线索 开始,曲径通幽,渐渐地落英缤纷,乱花迷眼。正在没个头绪处,突然间峰回路转,天地 开阔,如河出伏流,一泄汪洋。然而还未来得及一览美景,转眼又大起大落,误入白云深 处不知归路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一,我们会看到物理大 厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思 潮席卷大地,带来了让人惊骇的电闪雷鸣,同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到 科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来,却更加坚定了对胜利的信念。

量子理论是一个复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女,我们天天与她相见,却始终 无法猜透她的内心世界。今天,我们的现代文明,从电脑,电视,手机到核能,航天,生 物技术,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么?这个问题至 今却依然难以回答。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改 变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保守的科学家都在潜意 识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利,而量子论无疑是理性的最高成 就之一。但是它被赋予的力量太过强大,以致有史以来第一次,我们的理性在胜利中同时 埋下了能够毁灭它自身的种子。以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)都要说:“ 如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。” 掐指算来,量子论创立至今已经超过100年,但它的一些基本思想却仍然不为普通的大众 所熟知。那么,就让我们再次回到那个伟大的年代,再次回顾一下那场史诗般壮丽的革命 ,再次去穿行于那惊涛骇浪之间,领略一下晕眩的感觉吧。我们的快艇就要出发,当你感 到恐惧或者震惊时,请务必抓紧舷边。但大家也要时刻记住,当年,物理史上最伟大的天 才们也走过同样的航线,而他们的感觉,和我们是一模一样的。 
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? 
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

返回目录 下一页 回到顶部 0 0

你可能喜欢的