上帝掷骰子吗--量子物理史话 作者:castor_v_pollux-第3章
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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。
在节节败退后，微粒终于发现自己无法抵挡对方的进攻。于是它采取了以攻代守的战略。
许多对波动说不利的实验证据被提出来以证明波动说的矛盾。其中最为知名的就是马吕斯
（Etienne Louis Malus）在1809年发现的偏振现象，这一现象和已知的波动论有抵触的
地方。两大对手开始相持不下，但是各自都没有放弃自己获胜的信心。杨在给马吕斯的信
里说：“……您的实验只是证明了我的理论有不足之处，但没有证明它是虚假的。”
决定性的时刻在1819年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛
。竞赛的题目是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情
况。竞赛评委会由许多知名科学家组成，这其中包括比奥（J。B。Biot）、拉普拉斯
（Pierre Simon de Laplace）和泊松（S。D。Poission），都是积极的微粒说拥护者。组
织这个竞赛的本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动，以打击波动理论。
但是戏剧性的情况出现了。一个不知名的法国年轻工程师——菲涅耳（Augustin Fresnel
，当时他才31岁）向组委会提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。在这篇论文里
，菲涅耳采用了光是一种波动的观点，但是革命性地认为光是一种横波（也就是类似水波
那样，振子作相对传播方向垂直运动的波）而不像从胡克以来一直所认为的那样是一种纵
波（类似弹簧波，振子作相对传播方向水平运动的波）。从这个观念出发，他以严密的数
学推理，圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。他的体系完
整而无缺，以致委员会成员为之深深惊叹。泊松并不相信这一结论，对它进行了仔细的审
查，结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间将会出现一个亮斑。这在
泊松看来是十分荒谬的，影子中间怎么会出现亮斑呢？这差点使得菲涅尔的论文中途夭折
。但菲涅耳的同事阿拉果（Fran？ois Arago）在关键时刻坚持要进行实验检测，结果发现
真的有一个亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置亮度和理论符合得相当完
美。
菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖
（Grand Prix），同时一跃成为了可以和牛顿，惠更斯比肩的光学界的传奇人物。圆盘阴
影正中的亮点（后来被相当有误导性地称作“泊松亮斑”）成了波动军手中威力不下于干
涉条纹的重武器，给了微粒势力以致命的一击。起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领
域，把微粒从统治的地位赶了下来，后者在严厉的打击下捉襟见肘，节节溃退，到了19世
纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这
个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对。
然而不幸的微粒军团终于在1819年的莫斯科严冬之后，又于1850年迎来了它的滑铁卢。这
一年的5月6日，傅科（Foucault，他后来以“傅科摆”实验而闻名）向法国科学院提交了
他关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后，他也进行了水中光速
的测量，发现这个值小于真空中的速度。这一结果彻底宣判了微粒说的死刑，波动论终于
在100多年后革命成功，登上了物理学统治地位的宝座。在胜利者的一片欢呼声中，第二
次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。
但是波动内部还是有一个小小的困难，就是以太的问题。光是一种横波的事实已经十分清
楚，它传播的速度也得到了精确测量，这个数值达到了30万公里/秒，是一个惊人的高速
。通过传统的波动论，我们必然可以得出它的传播媒介的性质：这种媒介必定是十分地坚
硬，比最硬的物质金刚石还要硬上不知多少倍。然而事实是从来就没有任何人能够看到或
者摸到这种“以太”，也没有实验测定到它的存在。星光穿越几亿亿公里的以太来到地球
，然而这些坚硬无比的以太却不能阻挡任何一颗行星或者彗星的运动，哪怕是最微小的也
不行！
波动对此的解释是以太是一种刚性的粒子，但是它却是如此稀薄，以致物质在穿过它们时
几乎完全不受到任何阻力，“就像风穿过一小片丛林”（托马斯？杨语）。以太在真空中
也是绝对静止的，只有在透明物体中，可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假说）。
这个观点其实是十分牵强的，但是波动说并没有为此困惑多久。因为更加激动人心的胜利
很快就到来了。伟大的麦克斯韦于1856，1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文，
这是一个开天辟地的工作，它在牛顿力学的大厦上又完整地建立起了另一座巨构，而且其
辉煌灿烂绝不亚于前者。麦克斯韦的理论预言，光其实只是电磁波的一种。这段文字是他
在1861年的第二篇论文《论物理力线》里面特地用斜体字写下的。而我们在本章的一开始
已经看到，这个预言是怎么样由赫兹在1887年用实验证实了的。波动说突然发现，它已经
不仅仅是光领域的统治者，而是业已成为了整个电磁王国的最高司令官。波动的光辉到达
了顶点，只要站在大地上，它的力量就像古希腊神话中的巨人那样，是无穷无尽而不可战
胜的。而它所依靠的大地，就是麦克斯韦不朽的电磁理论。
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饭后闲话：阿拉果（Dominique Fran？ois Jean Arago）的遗憾
阿拉果一向是光波动说的捍卫者，他和菲涅耳在光学上其实是长期合作的。菲涅耳关于光
是横波的思想，最初还是来源于托马斯？杨写给阿拉果的一封信。而对于相互垂直的两束
偏振光线的相干性的研究，是他和菲涅耳共同作出的，两人的工作明确了来自同一光源但
偏振面相互垂直的两支光束，不能发生干涉。但在双折射和偏振现象上，菲涅耳显然更具
有勇气和革命精神，在两人完成了《关于偏振光线的相互作用》这篇论文后，菲涅耳指出
只有假设光是一种横波，才能完满地解释这些现象，并给出了推导。然而阿拉果对此抱有
怀疑态度，认为菲涅耳走得太远了。他坦率地向菲涅耳表示，自己没有勇气发表这个观点
，并拒绝在这部分论文后面署上自己的名字。于是最终菲涅耳以自己一个人的名义提交了
这部分内容，引起了科学院的震动，而最终的实验却表明他是对的。
这大概是阿拉果一生中最大的遗憾，他本有机会和菲涅耳一样成为在科学史上大名鼎鼎的
人物。当时的菲涅耳还是无名小辈，而他在学界却已经声名显赫，被选入法兰西研究院时
，得票甚至超过了著名的泊松。其实在光波动说方面，阿拉果做出了许多杰出的贡献，不
在菲涅耳之下，许多还是两人互相启发而致的。在菲涅耳面临泊松的质问时，阿拉果仍然
站在了菲涅耳一边，正是他的实验证实了泊松光斑的存在，使得波动说取得了最后的胜利
。但关键时候的迟疑，却最终使得他失去了“物理光学之父”的称号。这一桂冠如今戴在
菲涅耳的头上。
五
上次说到，随着麦克斯韦的理论为赫兹的实验所证实，光的波动说终于成为了一个板上钉
钉的事实。
波动现在是如此地强大。凭借着麦氏理论的力量，它已经彻底地将微粒打倒，并且很快就
拓土开疆，建立起一个空前的大帝国来。不久后，它的领土就横跨整个电磁波的频段，从
微波到X射线，从紫外线到红外线，从γ射线到无线电波……普通光线只是它统治下的一
个小小的国家罢了。波动君临天下，振长策而御宇内，四海之间莫非王土。而可怜的微粒
早已销声匿迹，似乎永远也无法翻身了。
赫兹的实验也同时标志着经典物理的顶峰。物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌，令
人叹为观止。牛顿的力学体系已经是如此雄伟壮观，现在麦克斯韦在它之上又构建起了同
等规模的另一幢建筑，它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视。电磁理论在数学上完美得难以置
信，著名的麦氏方程组刚一问世，就被世人惊为天物。它所表现出的深刻、对称、优美使
得每一个科学家都陶醉在其中，玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）情不自禁地引用歌德的诗
句说：“难道是上帝写的这些吗？”一直到今天，麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范
，即使在还没有赫兹的实验证实之前，已经广泛地为人们所认同。许多伟大的科学家都为
它的魅力折服，并受它深深的影响，有着对于科学美的坚定信仰，甚至认为：对于一个科
学理论来说，简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。无论从哪个意义上来说，电磁
论都是一种伟大的理论。罗杰？彭罗斯（Roger 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�
