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主題：上帝擲骰子嗎——量子物理史話（第一章）
版權所有：castor_v_pollux 原作　提交時間：04:39:19 05月17日
上帝擲骰子嗎——量子物理史話

第一章

二

上次我們說到，1887年，赫茲的實驗證實了電磁波的存在，也證實了光其實是電磁波的一種，兩者具有共同的波的特性。這就為光的本性之爭畫上了一個似乎已經是不可更改的句號。

說到這裡，我們的故事要先回一回頭，穿越時空去回顧一下有關於光的這場大戰。這也許是物理史上持續時間最長，程度最激烈的一場論戰。它幾乎貫穿於整個現代物理的發展過程中，在歷史上燒灼下了永不磨滅的烙印。

光，是每個人見得最多的東西（“見得最多”在這裡用得真是一點也不錯）。自古以來，它就被理所當然地認為是這個宇宙最原始的事物之一。在遠古的神話中，往往是“一道亮光”劈開了混沌和黑暗，於是世界開始了運轉。光在人們的心目中，永遠代表着生命，活力和希望。在《聖經》裡，神要創造世界，首先要創造的就是光，可見它在這個宇宙中所占的獨一無二的地位。

可是，光究竟是一種什麼東西？或者，它究竟是不是一種“東西”呢？

遠古時候的人們似乎是不把光作為一種實在的事物的，光亮與黑暗，在他們看來只是一種環境的不同罷了。只有到了古希臘，科學家們才開始好好地注意起光的問題來。有一樣事情是肯定的：我們之所以能夠看見東西，那是因為光在其中作用的結果。人們於是猜想，光是一種從我們的眼睛裡發射出去的東西，當它到達某樣事物的時候，這樣事物就被我們所“看見”了。比如恩培多克勒（Empedocles）就認為世界是由水、火、氣、土四大元素組成的，而人的眼睛是女神阿芙羅狄忒（Aphrodite）用火點燃的，當火元素（也就是光。古時候往往光、火不分）從人的眼睛裡噴出到達物體時，我們就得以看見事物。

但顯而易見，這種解釋是不夠的。它可以說明為什麼我們睜着眼可以看見，而閉上眼睛就不行；但它解釋不了為什麼在暗的地方，我們即使睜着眼睛也看不見東西。為了解決這個困難，人們引進了複雜得多的假設。比如認為有三種不同的光，分別來源於眼睛，被看到的物體和光源，而視覺是三者綜合作用的結果。

這種假設無疑是太複雜了。到了羅馬時代，偉大的學者盧克萊修（Lucretius）在其不朽著作《物性論》中提出，光是從光源直接到達人的眼睛的，但是他的觀點卻始終不為人們所接受。對光成像的正確認識直到公元1000年左右才被一個波斯的科學家阿爾•哈桑（al-Haytham）所提出：原來我們之所以能夠看到物體，只是由於光從物體上反射到我們眼睛裡的結果。他提出了許多證據來證明這一點，其中最有力的就是小孔成像的實驗，當我們親眼看到光通過小孔後成了一個倒立的像，我們就無可懷疑這一說法的正確性了。

關於光的一些性質，人們也很早就開始研究了。基於光總是走直線的假定，歐幾里德（Euclid）在《反射光學》（Catoptrica）一書裡面就研究了光的反射問題。托勒密（Ptolemy）、哈桑和開普勒（Johannes Kepler）都對光的折射作了研究，而荷蘭物理學家斯涅耳（W.Snell）則在他們的工作基礎上於1621年總結出了光的折射定律。最後，光的種種性質終於被有“業餘數學之王”之稱的費爾馬（Pierre de Fermat）所歸結為一個簡單的法則，那就是“光總是走最短的路線”。光學終於作為一門物理學科被正式確立起來。

但是，當人們已經對光的種種行為瞭如指掌的時候，卻依然有一個最基本的問題沒有得到解決，那就是：“光在本質上到底是一種什麼東西？”這個問題看起來似乎並沒有那麼難回答，但人們大概不會想到，對於這個問題的探究居然會那樣地曠日持久，而這一探索的過程，對物理學的影響竟然會是那麼地深遠和重大，其意義超過當時任何一個人的想象。

古希臘時代的人們總是傾向於把光看成是一種非常細小的粒子流，換句話說光是由一粒粒非常小的“光原子”所組成的。這種觀點一方面十分符合當時流行的元素說，另外一方面，當時的人們除了粒子之外對別的物質形式也了解得不是太多。這種理論，我們把它稱之為光的“微粒說”。微粒說從直觀上看來是很有道理的，首先它就可以很好地解釋為什麼光總是沿着直線前進，為什麼會嚴格而經典地反射，甚至折射現象也可以由粒子流在不同介質里的速度變化而得到解釋。但是粒子說也有一些顯而易見的困難：比如人們當時很難說清為什麼兩道光束相互碰撞的時候不會互相彈開，人們也無法得知，這些細小的光粒子在點上燈火之前是隱藏在何處的，它們的數量是不是可以無限多，等等。

當黑暗的中世紀過去之後，人們對自然世界有了進一步的認識。波動現象被深入地了解和研究，聲音是一種波動的認識也逐漸為人們所接受。人們開始懷疑：既然聲音是一種波，為什麼光不能夠也是波呢？十七世紀初，笛卡兒（Des Cartes）在他《方法論》的三個附錄之一《折光學》中率先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質里傳播。不久後，意大利的一位數學教授格里馬第（Francesco Maria Grimaldi）做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔後照到暗室里的屏幕上，發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯想起了水波的衍射（這個大家在中學物理的插圖上應該都見過），於是提出：光可能是一種類似水波的波動，這就是最早的光波動說。

波動說認為，光不是一種物質粒子，而是由於介質的振動而產生的一種波。我們想象一下水波，它不是一種實際的傳遞，而是沿途的水面上下振動的結果。光的波動說容易解釋投影里的明暗條紋，也容易解釋光束可以互相穿過互不干擾。關於直線傳播和反射的問題，人們很快就認識到光的波長是很短的，在大多數情況下，光的行為就猶同經典粒子一樣。而衍射實驗則更加證明了這一點。但是波動說有一個基本的難題，那就是任何波動都需要有介質才能夠傳遞，比如聲音，在真空裡就無法傳播。而光則不然，它似乎不需要任何媒介就可以任意地前進。舉一個簡單的例子，星光可以穿過幾乎虛無一物的太空來到地球，這對波動說顯然是非常不利的。但是波動說巧妙地擺脫了這個難題：它假設了一種看不見摸不着的介質來實現光的傳播，這種介質有一個十分響亮而讓人印象深刻的名字，叫做“以太”（Aether）。

就在這樣一種奇妙的氣氛中，光的波動說登上了歷史舞台。我們很快就會看到，這個新生力量似乎是微粒說的前世冤家，它命中注定要與後者開展一場長達數個世紀之久的戰爭。他們兩個的命運始終互相糾纏在一起，如果沒有了對方，誰也不能說自己還是完整的。到了後來，他們簡直就是為了對手而存在着。這齣精彩的戲劇從一開始的伏筆，經過兩個起落，到達令人眼花繚亂的高潮。而最後絕妙的結局則更讓我們相信，他們的對話幾乎是一種可遇而不可求的緣分。17世紀中期，正是科學的黎明到來之前那最後的黑暗，誰也無法預見這兩朵小火花即將要引發一場熊熊大火。

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飯後閒話：說說“以太”（Aether）。

正如我們在上面所看到的，以太最初是作為光波媒介的假設而提出的。但“以太”一詞的由來則早在古希臘：亞里士多德在《論天》一書裡闡述了他對天體的認識。他認為日月星辰圍繞着地球運轉，但其組成卻不同與地上的四大元素水火氣土。天上的事物應該是完美無缺的，它們只能由一種更為純潔的元素所構成，這就是亞里士多德所謂的“第五元素”——以太（希臘文的αηθηρ）。而自從這個概念被借用到科學裡來之後，以太在歷史上的地位可以說是相當微妙的，一方面，它曾經扮演過如此重要的角色，以致成為整個物理學的基礎；另一方面，當它榮耀不再時，也曾受盡嘲笑。雖然它不甘心地再三掙扎，改換頭面，賦予自己新的意義，卻仍然逃不了最終被拋棄的命運，甚至有段時間幾乎成了偽科學的專用詞。但無論怎樣，以太的概念在科學史上還是占有它的地位的，它曾經代表的光媒以及絕對參考系，雖然已經退出了舞台，但直到今天，仍然能夠喚起我們對那段黃金歲月的懷念。它就像是一張泛黃的照片，記載了一個貴族光榮的過去。今天，以太（Ether）作為另外一種概念用來命名一種網絡協議（Ethernet），看到這個詞的時候，是不是也每每生出幾許慨嘆？

向以太致敬。