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 黃金時代

四

上次說到，在微粒與波動的第一次交鋒中，以牛頓為首的微粒說戰勝了波動，取得了在物理上被普遍公認的地位。

轉眼間，近一個世紀過去了。牛頓體系的地位已經是如此地崇高，令人不禁有一種目眩的感覺。而他所提倡的光是一種粒子的觀念也已經是如此地深入人心，以致人們幾乎都忘了當年它那對手的存在。

然而1773年的6月13日，英國米爾沃頓（Milverton）的一個教徒的家庭里誕生了一個男孩，叫做托馬斯•楊（Thomas Young）。這個未來反叛派領袖的成長史是一個典型的天才歷程，他兩歲的時候就能夠閱讀各種經典，6歲時開始學習拉丁文，14歲就用拉丁文寫過一篇自傳，到了16歲時他已經能夠說10種語言，並學習了牛頓的《數學原理》以及拉瓦錫的《化學綱要》等科學著作。

楊19歲的時候，受到他那當醫生的叔父的影響，決定去倫敦學習醫學。在以後的日子裡，他先後去了愛丁堡和哥廷根大學攻讀，最後還是回到劍橋的伊曼紐爾學院終結他的學業。在他還是學生的時候，楊研究了人體上眼睛的構造，開始接觸到了光學上的一些基本問題，並最終形成了他的光是波動的想法。楊的這個認識，是來源于波動中所謂的“干涉”現象。

我們都知道，普通的物質是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是兩滴水，而不會一起消失。但是波動就不同了，一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果兩列波相遇，當它們正好都處在高峰時，那麼疊加起來的這個波就會達到兩倍的峰值，如果都處在低谷時，疊加的結果就會是兩倍深的谷底。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？

答案是它們會互相抵消。如果兩列波在這樣的情況下相遇（物理上叫做“反相”），那麼在它們重疊的地方，將會波平如鏡，既沒有高峰，也沒有谷底。這就像一個人把你往左邊拉，另一個人用相同的力氣把你往右邊拉，結果是你會站在原地不動。

托馬斯•楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候，被這個關于波動的想法給深深打動了。為什麼會形成一明一暗的條紋呢？一個思想漸漸地在楊的腦海里成型：用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，那是因為兩道光正好是“同相”的，它們的波峰和波谷正好相互增強，結果造成了兩倍光亮的效果（就好像有兩個人同時在左邊或者右邊拉你）；而黑暗的那些條紋，則一定是兩道光處於“反相”，它們的波峰波谷相對，正好互相抵消了（就好像兩個人同時在兩邊拉你）。這一大膽而富於想象的見解使楊激動不已，他馬上着手進行了一系列的實驗，並於1801年和1803年分別發表論文報告，闡述了如何用光波的干涉效應來解釋牛頓環和衍射現象。甚至通過他的實驗數據，計算出了光的波長應該在1/36000至1/60000英寸之間。

在1807年，楊總結出版了他的《自然哲學講義》，裡面綜合整理了他在光學方面的工作，並在裡面第一次描述了他那個名揚四海的實驗：光的雙縫干涉。後來的歷史證明，這個實驗完全可以躋身於物理學史上最經典的前五個實驗之列，而在今天，它已經出現在每一本中學物理的教科書上。

楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源（從一個點發出的光源）。現在在紙後面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、暗交替的條紋，這就是現在眾人皆知的干涉條紋。

楊的著作點燃了革命的導火索，物理史上的“第二次微波戰爭”開始了。波動方面軍在經過了百年的沉寂之後，終於又回到了歷史舞台上來。但是它當時的日子並不是好過的，在微粒大軍仍然一統天下的年代，波動的士兵們衣衫襤褸，缺少後援，只能靠游擊戰來引起人們對它的注意。楊的論文開始受盡了權威們的嘲笑和諷刺，被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”，在近20年間竟然無人問津。楊為了反駁專門撰寫了論文，但是卻無處發表，只好印成小冊子，但是據說發行後“只賣出了一本”。

不過，雖然高傲的微粒仍然沉醉在牛頓時代的光榮之中，一開始並不把起義的波動叛亂分子放在眼睛裡。但他們很快就發現，這些反叛者雖然人數不怎麼多，服裝並不那麼整齊，但是他們的武器卻今非昔比。在受到了幾次沉重的打擊後，干涉條紋這門波動大炮的殺傷力終於驚動整個微粒軍團。這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現象證據確鑿，幾乎無法反駁。無論微粒怎麼樣努力，也無法躲開對手的無情轟炸：它就是難以說明兩道光疊加在一起怎麼會反而造成黑暗。而波動的理由卻是簡單而直接的：兩個小孔距離屏幕上某點的距離會有所不同。當這個距離是波長的整數值時，兩列光波正好互相加強，就形成亮點。反之，當距離差剛好造成半個波長的相位差時，兩列波就正好互相抵消，造成暗點。理論計算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。

在節節敗退後，微粒終於發現自己無法抵擋對方的進攻。於是它採取了以攻代守的戰略。許多對波動說不利的實驗證據被提出來以證明波動說的矛盾。其中最為知名的就是馬呂斯（Etienne Louis Malus）在1809年發現的偏振現象，這一現象和已知的波動論有牴觸的地方。兩大對手開始相持不下，但是各自都沒有放棄自己獲勝的信心。楊在給馬呂斯的信里說：“……您的實驗只是證明了我的理論有不足之處，但沒有證明它是虛假的。”

決定性的時刻在1819年到來了。最後的決戰起源於1818年法國科學院的一個懸賞徵文競賽。競賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導光線通過物體附近時的運動情況。競賽評委會由許多知名科學家組成，這其中包括比奧（J.B.Biot）、拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）和泊松（S.D.Poission），都是積極的微粒說擁護者。組織這個競賽的本意是希望通過微粒說的理論來解釋光的衍射以及運動，以打擊波動理論。

但是戲劇性的情況出現了。一個不知名的法國年輕工程師——菲涅耳（Augustin Fresnel，當時他才31歲）向組委會提交了一篇論文《關於偏振光線的相互作用》。在這篇論文裡，菲涅耳採用了光是一種波動的觀點，但是革命性地認為光是一種橫波（也就是類似水波那樣，振子作相對傳播方向垂直運動的波）而不像從胡克以來一直所認為的那樣是一種縱波（類似彈簧波，振子作相對傳播方向水平運動的波）。從這個觀念出發，他以嚴密的數學推理，圓滿地解釋了光的衍射，並解決了一直以來困擾波動說的偏振問題。他的體系完整而無缺，以致委員會成員為之深深驚嘆。泊松並不相信這一結論，對它進行了仔細的審查，結果發現當把這個理論應用於圓盤衍射的時候，在陰影中間將會出現一個亮斑。這在泊松看來是十分荒謬的，影子中間怎麼會出現亮斑呢？這差點使得菲涅爾的論文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果（François Arago）在關鍵時刻堅持要進行實驗檢測，結果發現真的有一個亮點如同奇蹟一般地出現在圓盤陰影的正中心，位置亮度和理論符合得相當完美。

菲涅爾理論的這個勝利成了第二次微波戰爭的決定性事件。他獲得了那一屆的科學獎（Grand Prix），同時一躍成為了可以和牛頓，惠更斯比肩的光學界的傳奇人物。圓盤陰影正中的亮點（後來被相當有誤導性地稱作“泊松亮斑”）成了波動軍手中威力不下於干涉條紋的重武器，給了微粒勢力以致命的一擊。起義者的烽火很快就燃遍了光學的所有領域，把微粒從統治的地位趕了下來，後者在嚴厲的打擊下捉襟見肘，節節潰退，到了19世紀中期，微粒說挽回戰局的唯一希望就是光速在水中的測定結果了。因為根據粒子論，這個速度應該比真空中的光速要快，而根據波動論，這個速度則應該比真空中要慢才對。

然而不幸的微粒軍團終於在1819年的莫斯科嚴冬之後，又於1850年迎來了它的滑鐵盧。這一年的5月6日，傅科（Foucault，他後來以“傅科擺”實驗而聞名）向法國科學院提交了他關於光速測量實驗的報告。在準確地得出光在真空中的速度之後，他也進行了水中光速的測量，發現這個值小於真空中的速度。這一結果徹底宣判了微粒說的死刑，波動論終於在100多年後革命成功，登上了物理學統治地位的寶座。在勝利者的一片歡呼聲中，第二次微波戰爭隨着微粒的戰敗而宣告結束。

但是波動內部還是有一個小小的困難，就是以太的問題。光是一種橫波的事實已經十分清楚，它傳播的速度也得到了精確測量，這個數值達到了30萬公里/秒，是一個驚人的高速。通過傳統的波動論，我們必然可以得出它的傳播媒介的性質：這種媒介必定是十分地堅硬，比最硬的物質金剛石還要硬上不知多少倍。然而事實是從來就沒有任何人能夠看到或者摸到這種“以太”，也沒有實驗測定到它的存在。星光穿越幾億億公里的以太來到地球，然而這些堅硬無比的以太卻不能阻擋任何一顆行星或者彗星的運動，哪怕是最微小的也不行！

波動對此的解釋是以太是一種剛性的粒子，但是它卻是如此稀薄，以致物質在穿過它們時幾乎完全不受到任何阻力，“就像風穿過一小片叢林”（托馬斯•楊語）。以太在真空中也是絕對靜止的，只有在透明物體中，可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假說）。

這個觀點其實是十分牽強的，但是波動說並沒有為此困惑多久。因為更加激動人心的勝利很快就到來了。偉大的麥克斯韋於1856，1861和1865年發表了三篇關於電磁理論的論文，這是一個開天闢地的工作，它在牛頓力學的大廈上又完整地建立起了另一座巨構，而且其輝煌燦爛絕不亞於前者。麥克斯韋的理論預言，光其實只是電磁波的一種。這段文字是他在1861年的第二篇論文《論物理力線》裡面特地用斜體字寫下的。而我們在本章的一開始已經看到，這個預言是怎麼樣由赫茲在1887年用實驗證實了的。波動說突然發現，它已經不僅僅是光領域的統治者，而是業已成為了整個電磁王國的最高司令官。波動的光輝到達了頂點，只要站在大地上，它的力量就像古希臘神話中的巨人那樣，是無窮無盡而不可戰勝的。而它所依靠的大地，就是麥克斯韋不朽的電磁理論。

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飯後閒話：阿拉果（Dominique François Jean Arago）的遺憾

阿拉果一向是光波動說的捍衛者，他和菲涅耳在光學上其實是長期合作的。菲涅耳關於光是橫波的思想，最初還是來源於托馬斯•楊寫給阿拉果的一封信。而對於相互垂直的兩束偏振光線的相乾性的研究，是他和菲涅耳共同作出的，兩人的工作明確了來自同一光源但偏振面相互垂直的兩支光束，不能發生干涉。但在雙折射和偏振現象上，菲涅耳顯然更具有勇氣和革命精神，在兩人完成了《關於偏振光線的相互作用》這篇論文後，菲涅耳指出只有假設光是一種橫波，才能完滿地解釋這些現象，並給出了推導。然而阿拉果對此抱有懷疑態度，認為菲涅耳走得太遠了。他坦率地向菲涅耳表示，自己沒有勇氣發表這個觀點，並拒絕在這部分論文後面署上自己的名字。於是最終菲涅耳以自己一個人的名義提交了這部分內容，引起了科學院的震動，而最終的實驗卻表明他是對的。

這大概是阿拉果一生中最大的遺憾，他本有機會和菲涅耳一樣成為在科學史上大名鼎鼎的人物。當時的菲涅耳還是無名小輩，而他在學界卻已經聲名顯赫，被選入法蘭西研究院時，得票甚至超過了著名的泊松。其實在光波動說方面，阿拉果做出了許多傑出的貢獻，不在菲涅耳之下，許多還是兩人互相啟發而致的。在菲涅耳面臨泊松的質問時，阿拉果仍然站在了菲涅耳一邊，正是他的實驗證實了泊松光斑的存在，使得波動說取得了最後的勝利。但關鍵時候的遲疑，卻最終使得他失去了“物理光學之父”的稱號。這一桂冠如今戴在菲涅耳的頭上。