上帝掷骰子吗-量子物理史话-第4部分
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套槿匀槐还衔蒲赖牡浞丁。词乖诨姑挥泻兆鹊氖笛橹な抵埃丫惴旱匚嗣撬贤Ｐ矶辔按蟮目蒲Ъ叶嘉∷镊攘φ鄯⑹芩钌畹挠跋欤凶哦杂诳蒲赖募岫ㄐ叛觯踔寥衔憾杂谝桓隹啤⊙Ю砺劾此担蚪嘤琶酪仁笛槭莸淖既防吹酶匾Ｎ蘼鄞幽母鲆庖迳侠此担绱拧÷鄱际且恢治按蟮睦砺邸Ｂ藿埽颗砺匏梗≧oger Penrose）在他的名著《皇帝新脑》（The Emperor’s New Mind）一书里毫不犹豫地将它和牛顿力学，相对论和量子论并列，称之 为“Superb”的理论。 物理学征服了世界。在19世纪末，它的力量控制着一切人们所知的现象。古老的牛顿力学 城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒，反而更加凸现出它的伟大和坚固来。从天上 的行星到地上的石块，万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则。1846年海王星的发现，更 是它所取得的最伟大的胜利之一。在光学的方面，波动已经统一了天下，新的电磁理论更 把它的光荣扩大到了整个电磁世界。在热的方面，热力学三大定律已经基本建立（第三定 律已经有了雏形），而在克劳修斯（Rudolph Clausius）、范德瓦尔斯（J。D。 Van der Waals）、麦克斯韦、玻尔兹曼和吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等天才的努力下，分 子运动论和统计热力学也被成功地建立起来了。更令人惊奇的是，这一切都彼此相符而互 相包容，形成了一个经典物理的大同盟。经典力学、经典电动力学和经典热力学（加上统 计力学）形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄 伟的殿堂。 这是一段伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样地 强大，这样地令人神往。人们也许终于可以相信，上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了， 再没有遗漏的地方。从当时来看，我们也许的确是有资格这样骄傲的，因为所知道的一切 物理现象，几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切， 都在控制之中，而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信，这个世界所有的基本原理 都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何 突破性的进展了。如果说还有什么要做的事情，那就是做一些细节上的修正和补充，更加 精确地测量一些常数值罢了。人们开始倾向于认为：物理学已经终结，所有的问题都可以 用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何真正激动人心的发现了。一位著名的科学家 （据说就是伟大的开尔文勋爵）说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找 ”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。 19世纪末的物理学天空中闪烁着金色的光芒，象征着经典物理帝国的全盛时代。这样的伟 大时期在科学史上是空前的，或许也将是绝后的。然而，这个统一的强大帝国却注定了只 能昙花一现。喧嚣一时的繁盛，终究要像泡沫那样破灭凋零。 今天回头来看，赫兹1887年的电磁波实验（准确地说，是他于1887－1888年进行的一系列 的实验）的意义应该是复杂而深远的。它一方面彻底建立了电磁场论，为经典物理的繁荣 添加了浓重的一笔；在另一方面，它却同时又埋藏下了促使经典物理自身毁灭的武器，孕 育出了革命的种子。 我们还是回到我们故事的第一部分那里去：在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里，赫兹铜环 接收器的缺口之间不停地爆发着电火花，明白无误地昭示着电磁波的存在。
但偶然间，赫兹又发现了一个奇怪的现象：当有光照射到这个缺口上的时候，似乎火花就 出现得更容易一些。 赫兹把这个发现也写成了论文发表，但在当时并没有引起很多的人的注意。当时，学者们 在为电磁场理论的成功而欢欣鼓舞，马可尼们在为了一个巨大的商机而激动不已，没有人 想到这篇论文的真正意义。连赫兹自己也不知道，量子存在的证据原来就在他的眼前，几 乎是触手可得。不过，也许量子的概念太过爆炸性，太过革命性，命运在冥冥中安排了它 必须在新的世纪中才可以出现，而把怀旧和经典留给了旧世纪吧。只是可惜赫兹走得太早 ，没能亲眼看到它的诞生，没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化。 终于，在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前，一连串意想不到的事情在19 世纪的最后几年连续发生了，仿佛是一个不祥的预兆。 1895年，伦琴（Wilhelm Konrad Rontgen）发现了X射线。
1896年，贝克勒尔（Antoine Herni Becquerel）发现了铀元素的放射现象。
1897年，居里夫人（Marie Curie）和她的丈夫皮埃尔？居里研究了放射性，并发现了更多 的放射性元素：钍、钋、镭。
1897年，J。J。汤姆逊（Joseph John Thomson）在研究了阴极射线后认为它是一种带负电 的粒子流。电子被发现了。
1899年，卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了元素的嬗变现象。 如此多的新发现接连涌现，令人一时间眼花缭乱。每一个人都开始感觉到了一种不安，似 乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然耸立，看上去依然那么雄伟，那么牢 不可破，但气氛却突然变得异常凝重起来，一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新 的世纪很快就要来到，人们不知道即将发生什么，历史将要何去何从。眺望天边，人们隐 约可以看到两朵小小的乌云，小得那样不起眼。没人知道，它们即将带来一场狂风暴雨， 将旧世界的一切从大地上彻底抹去。 但是，在暴风雨到来之前，还是让我们抬头再看一眼黄金时代的天空，作为最后的怀念。 金色的光芒照耀在我们的脸上，把一切都染上了神圣的色彩。经典物理学的大厦在它的辉 映下，是那样庄严雄伟，溢彩流光，令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山上那亘 古不变的宫殿。谁又会想到，这震撼人心的壮丽，却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的 余辉。 （第一章完） 上帝掷骰子吗——量子物理史话（第二章全文） 版权所有：castor_v_pollux 原作 提交时间：2003…05…28 09：54：11 第二章 乌云 一 1900年的4月27日，伦敦的天气还是有一些阴冷。马路边的咖啡店里，人们兴致勃勃地谈 论着当时正在巴黎举办的万国博览会。街上的报童在大声叫卖报纸，那上面正在讨论中国 义和团运动最新的局势进展以及各国在北京使馆人员的状况。一位绅士彬彬有礼地扶着贵 妇人上了马车，赶去听普契尼的歌剧《波希米亚人》。两位老太太羡慕地望着马车远去， 对贵妇帽子的式样大为赞叹，但不久后，她们就找到了新的话题，开始对拉塞尔伯爵的离 婚案评头论足起来。看来，即使是新世纪的到来，也不能改变这个城市古老而传统的生活 方式。 相比之下，在阿尔伯马尔街皇家研究所（Royal Institution； Albemarle Street）举行 的报告会就没有多少人注意了。伦敦的上流社会好像已经把他们对科学的热情在汉弗来？ 戴维爵士（Sir Humphry Davy）那里倾注得一干二净，以致在其后几十年的时间里都表现 得格外漠然。不过，对科学界来说，这可是一件大事。欧洲有名的科学家都赶来这里，聆 听那位德高望重，然而却以顽固出名的老头子——开尔文男爵（Lord Kelvin）的发言。 开尔文的这篇演讲名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。当时已经76岁，白发苍 苍的他用那特有的爱尔兰口音开始了发言，他的第一段话是这么说的： “动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵 乌云遮蔽，显得黯然失色了……”（‘The beauty and clearness of the dynamical theory； which asserts heat and light to be modes of motion； is at present obscured by two clouds。’） 这个乌云的比喻后来变得如此出名，以致于在几乎每一本关于物理史的书籍中都被反复地 引用，成了一种模式化的陈述。联系到当时人们对物理学大一统的乐观情绪，许多时候这 个表述又变成了“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云”。这两朵著名的乌云， 分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体 一些，指的就是人们在迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。 迈克尔逊－莫雷实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度。在人们当时的观念里， 以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高 速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。迈克尔逊在1881年进行了一个实验，想测出这个 相对速度，但结果并不十分令人满意。于是他和另外一位物理学家莫雷合作，在1886年安 排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了：他们动用了最新的干 涉仪，为了提高系统的灵敏度和稳定性，他们甚至多方筹措弄来了一块大石板，把它放在 一个水银槽上，这样就把干扰的因素降到了最低。 然而实验结果却让他们震惊和失望无比：两束光线根本就没有表现出任何的时间差。以太 似乎对穿越于其中的光线毫无影响。迈克尔逊和莫雷不甘心地一连观测了四天，本来甚至 想连续观测一年以确定地球绕太阳运行四季对以太风造成的差别，但因为这个否定的结果 是如此清晰而不容质疑，这个计划也被无奈地取消了。 迈克尔逊－莫雷实验是物理史上最有名的“失败的实验”。它当时在物理界引起了轰动， 因为以太这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础。而这根支撑 着经典物理学大厦的梁柱竟然被一个实验的结果而无情地否定，那马上就意味着整个物理 世界的轰然崩塌。不过，那时候再悲观的人也不认为，刚刚取得了伟大胜利，到达光辉顶 峰的经典物理学会莫名其妙地就这样倒台，所以人们还是提出了许多折衷的办法，爱尔兰 物理学家费兹杰惹（George FitzGerald）和荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz）分别独立地提出了一种假说，认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩，从 而使得以太的相对运动速度无法被测量到。这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留， 但业已经对它的意义提出了强烈的质问，因为很难想象，一个只具有理论意义的“假设物 理量”究竟有多少存在的必要。开尔文所说的“第一朵乌云”就是在这个意义上提出来的 ，不过他认为长度收缩的假设无论如何已经使人们“摆脱了困境”，所要做的只是修改现 有理论以更好地使以太和物质的相互作用得以自洽罢了。 至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐射实验和理论的不一致。它在我们的故事里将起到十 分重要的作用，所以我们会在后面的章节里仔细地探讨这个问题。在开尔文发表演讲的时 候，这个问题仍然没有任何能够得到解决的迹象。不过开尔文对此的态度倒也是乐观的， 因为他本人就并不相信玻尔兹曼的能量均分学说，他认为要驱散这朵乌云，最好的办法就 是否定玻尔兹曼的学说（而且说老实话，玻尔兹曼的分子运动理论在当时的确还是有着巨 大的争议，以致于这位罕见的天才苦闷不堪，精神出现了问题。当年玻尔兹曼就尝试自杀 而未成，但他终于在6年后的一片小森林里亲手结束了自己的生命，留下了一个科学史上 的大悲剧）。 年迈的开尔文站在讲台上，台下的听众对于他的发言给予热烈的鼓掌。然而当时，他们中 间却没有一个人（包括开尔文自己）会了解，这两朵小乌云对于物理学来说究竟意味着什 么。他们绝对无法想象，正是这两朵不起眼的乌云马上就要给这个世界带来一场前所未有 的狂风暴雨，电闪雷鸣，并引发可怕的大火和洪水，彻底摧毁现在的繁华美丽。他们也无 法知道，这两朵乌云很快就要把他们从豪华舒适的理论宫殿中驱赶出来，放逐到布满了荆 棘和陷阱的原野里去过上二十年颠沛流离的生活。他们更无法预见，正是这两朵乌云，终 究会给物理学带来伟大的新生，在烈火和暴雨中实现涅磐，并重新建造起两幢更加壮观美 丽的城堡来。 第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。 第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。 今天看来，开尔文当年的演讲简直像一个神秘的谶言，似乎在冥冥中带有一种宿命的意味 。科学在他的预言下打了一个大弯，不过方向却是完全出乎开尔文意料的。如果这位老爵 士能够活到今天，读到物理学在新世纪里的发展历史，他是不是会为他当年的一语成谶而 深深震惊，在心里面打一个寒噤呢？
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饭后闲话：伟大的“意外”实验 我们今天来谈谈物理史上的那些著名的“意外”实验。用“意外”这个词，指的是实验未 能取得预期的成果，可能在某种程度上，也可以称为“失败”实验吧。 我们在上面已经谈到了迈克尔逊－莫雷实验，这个实验的结果是如此地令人震惊，以致于 它的实验者在相当的一段时期里都不敢相信自己结果的正确性。但正是这个否定的证据， 最终使得“光以太”的概念寿终正寝，使得相对论的诞生成为了可能。这个实验的失败在 物理史上却应该说是一个伟大的胜利，科学从来都是只相信事实的。 近代科学的历史上，也曾经有过许多类似的具有重大意义的意外实验。也许我们可以从拉 瓦锡（AL Laroisier）谈起。当时的人们普遍相信，物体燃烧是因为有“燃素”离开物体 的结果。但是1774年的某一天，拉瓦锡决定测量一下这种“燃素”的具体重量是多少。他 用他的天平称量了一块锡的重量，随即点燃它。等金属完完全全地烧成了灰烬之后
