上篇


  光陰似箭,日月如梭,時間就這樣一天天的過去了。物理學家們在自家的田園裡"採菊東籬下,悠然見南山"。雖然少數具有近乎先知先覺能力的人對天邊漂來的幾朵烏雲而察覺到遠方的風暴暗中趨進,但是他們的警告對打亂一般人的鎮靜無憂不大起作用。

  就在赫茲尋找麥克斯韋的電磁波的實驗中,他注意到了一個奇妙的事實:用紫外光照到實驗裝置上,電磁波出來的稍微容易些。但這種現象與證實電磁波的存在相比,就太微不足道了。他不能領會到,這恰是哪天邊的幾朵烏雲之一,令人遺憾。

上帝也瘋狂!光的發展史(下)——何方飄來“兩朵烏雲”!

何方飄來“兩朵烏雲”

  科學沒有永恆的理論。一個理論所預言的論據常常被實驗所推翻。任何一個理論都有它的逐漸發展和成功的時期,經過這個時期以後,它就會很快地衰落。差不多科學上的重大進步都是由於舊理論遇到了危機通過盡力尋找解決困難的方法而產生的。為了使我們的這個故事能夠繼續下去,我們必須想象一下在嚴寒的冬天人們最美好的希望是坐在熊熊的爐火旁。這是因為爐火能放出某種看不見的、給人以熱的感覺的射線--實際上是輻射出電磁波。在科學上稱這種現象為熱輻射。這是自然界中的一件很平常的事。但人們在尋找這種現象的基本規律時卻遇到了一點麻煩。這一種現象需要用兩個定律來描述。物理學家都有一個尋求普遍定律的嗜好。他們一旦發現同一現象可以用幾個定律在不同方面進行描述時,便立即嘗試將這些定律合成單一的普遍定律,使之能同時概括所有的方面。

  英國物理學家瑞利和金斯將熱輻射的定律合二為一了,並與實驗結果相吻合。可是不久卻發現在熱物體輻射出紫外線時新的定律便告失效。這種荒唐的局面被稱為"紫外災變"。這是上世紀末發生的事。那時候任何人也沒有想到,這不僅僅是某一個頗為特殊的定律的災難,而是摧毀這個定律全部理論基礎--經典物理學的災難。

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紫外災變

  當一種理論在很順利地發展時,會突然出現一些出乎意料的阻礙,這種情況在科學上時常發生,所以物理學家對"紫外災變"不以為然。麥克斯韋的電磁理論之所以能夠成為經典,是因為它有著磐石般的實驗基礎,這是千真萬確、不容置疑的。為了克服這個偉大的理論所面臨的這一點點小困難,不少的具有一流頭腦的物理學家紛紛放下手頭的工作轉而為此"仁者見仁,智者見智"。

其中德國科學家普朗克脫穎而出。此時,普朗克已年過四十,但他卻以從未有過的青春活力和激情瘋狂地工作著,以無比的毅力建立了、又推翻了一個又一個理論模式。在懊喪之餘,他意識到與其說事實不符合理論,毋寧說是理論不符合事實。在就是說,如果事實不能被理論說明,那是理論不中用,理論必須在新的基礎上重建。在這個重大信念的指使下,使他看到了挽救局面的希望。他象狂人般地用了幾個星期的時間傾全力攻克這個問題,最後他終於杜撰出一個公式:

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德國物理學家普朗克

它純粹是一些不相關量的偶然結合,而其物理意義又非常不合公認的傳統理論,但卻奇蹟般地與實驗十分吻合。要精確敘述普朗克的推理論證,需涉及太多的數學抽象概念,但這個理論的精髓卻很簡單:物體以電磁波的形式放出或吸收的能量都是一捆一捆的。為了方便,他把這種捆稱為能"量子"。

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量子

這一結果是新物理學誕生的壯麗標誌,由它要產生天大的事件,也使後人將普朗克稱為量子力學之父。但他的哪些所謂的能量子在經典的電磁理論中無疑是異教邪說,因為電磁波攜帶的能量是連續的,而不是一份一份的。因此他感到恐怖萬分。他曾十分內疚地說:"經典理論給了我們這樣多有用的東西,因此必須以最大的謹慎對待它,維護它"。而科學界也對他的那個無理論依據的與傳統觀念格格不入的公式給予了極大的冷漠。以至於在多少年後他還在拼命修改他的學說,使他不至於成為麥克斯韋經典理論的叛徒。

  人類只有在某一類事情上做盡一切可以想象的傻事以後,才能在這一類事情上得到一點合理的東西。

  一年一年過去了,普朗克的見解過著風雨漂搖的生活,似乎已被他的創始者所拋棄。但是金子總是要發光的。歷史在次證明,偉大的需要產生偉大的人物。1905年,伯爾尼的瑞士專利局的某位職員在德國《物理學雜誌》第十七期上同時發表了三篇驚世駭俗的文章,其中的一篇為《關於光的產生和轉化的一個啟發性的觀點》中說,按照麥克斯韋的理論,對於一且純電磁現象因而也對於光來說,應當把能量看成是一個連續的空間函數,但這個理論會導致和實驗相矛盾。如果用光的能量在空間不是連續分佈的,而是由能量子組成的,似乎更好一些。這段話意思就是說為了使理論與實驗相符,光不僅是成束地被物質所吸收或放出,而且在脫離物質後也必定以某種方式表現的象一個粒子:光粒子這種提法不是反革命復辟嗎?是誰有這麼大的膽量在波動說一統天下的今天敢重彈微粒說的老調?他就是後來被稱為物理學的三個偉人之一——艾爾伯特.愛因斯坦。

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愛因斯坦

他是何許人也? 他不是學者、教授,而卻要復辟光的微粒說,要證明關於電磁現象這個在審美上令人滿意的、精心證實了的理論基本上是錯誤的,真是癩蛤蟆想吃天鵝肉。

  科學的探索不是坐軟臥車廂,那兒有唯一太平的軌道。科學的遠征是在巨浪滔天的大洋上航行,可能要用青春和生命去殉自己的事業。唯有清醒和堅定的人才能達到目的地。愛因斯坦的這種獨特非凡的見解是長期思維活動中的一種頓悟,他以巨大的魄力把傳統的理性和邏輯框架拋置在一邊,經深思和有力的論證,不是輕率浮泛地、而是明確定量地對波動說發起了一次又一次地攻擊。表現出是一名威力非凡的鬥士,激起越來越多的研究者風從。他們"橫掃千軍如卷席",用光的微粒說直接對波動說為圖方便而避開不談的實驗事實提出簡明的解釋。特別是愛因斯坦對光電效應的解釋,更是新的光的微粒說--光子說的重大勝利。

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光電效應

  早在1872年,莫斯科大學教授斯托列托夫就發現了光電效應。赫茲在證實電磁波的哪個實驗中所注意到的那種奇特效應就是光電效應,後來,他的學生又對這種效應做的大量的研究,發現了光電效應的實驗規律。這種成為現今電影、電視等基礎的效應如同"紫外災變"一樣使光的波動說感到為難:偉大麥克斯韋的經典電磁理論在這些事實面前顯的是那樣的蒼白無力。用愛因斯坦的光子解釋這些事情如同探囊取物耳。

  不過,由於波動說同麥克斯韋的電磁理論結成的美滿的策略性婚姻而陣地強固,要恢復已失去的容譽,復活的微粒說並不能實現速戰速決。從而使得物理學戰雲密佈,烽火四起。

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烏雲

  波動說的武裝力量是雄厚的,如光的干涉、衍射,水中光速的測量等。這些實驗成為在對微粒說的鬥爭中波動說武庫裡的最有力的進攻性武器。微粒說若對這些固若金湯的城堡發動任何進攻是註定要失敗的。但新的微粒說是狡猾的,他們探尋到了那些因波動說感到太蒼涼、險惡而無人問津、耕墾的荒原。在這個不毛之地上叩探到了豐富的黃金礦脈,並用來生產出許多新式武器來抵禦波動說。其中威力最大、最若人注目的仍屬光電效應。美國的密立根1915年十分精密而完整地證實了光電效應方程,終於使的愛因斯坦獲的了1921年的諾貝爾物理獎,兩年後,密立根因他的精密測量極其出色地證實了愛因斯坦的見解也獲得了這項殊榮。光子說的又一新式武器是1923年美國的物理學家康普頓利用英國物理學家威爾遜發明的雲霧室成功得觀察到了光子與電子碰撞現象,從而使他們二人合得1928年的諾貝爾物理獎。

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諾貝爾

  流光如水,硝煙瀰漫了四分之一世紀,戰鬥淪為了塹壕戰。光子不能奪取波動的固有領土,波動也不能蹂躪光子的疆域。只好畫出一個三八線,各自安安生生地守住自己的陣地。科學的原野分屬了兩個交戰的陣營,前景即不是速見分曉,也不是合理的妥協。戰爭的唯一犧牲品是以太。無論對陣營的哪一方,它都成為多餘。這個令十九世紀最優秀的科學家絞盡腦汁、耗盡心血的東西終於從物理學中絕跡了。而它的掘墓人仍是那位在1905年德國《物理學雜誌》第十七期上同時發表了三篇驚世駭俗的文章愛因斯坦,遺憾的是他卻並沒有因《論動體的電動力學》而獲得諾貝爾物理獎金。

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愚蠢的人類

  科學對這樣的局面並不陌生:一個學說適用於一組事實,而另一組學說能解釋另一組事實。但是,在以前的事實中,所以出現這種局面,總有個理由好象說得通。例如,麥克斯韋方程不適用於萬有引力,這並沒有引起不安,因為在那個階段上,誰也沒料想到會發現電和引力有什麼關聯。

但是現在物理學眼前卻是個全新的局面:同一個實體——光,既是波又是微粒。為了解釋干涉、衍射,光必須是波;而光電效應又使它成為粒子。這種剪不斷、理還亂的兩難局面叫每一個真正物理學家坐臥不安、心驚肉跳:光居然是兩種如此矛盾的東西,真不夠意思。科學中暗藏著這樣一種未澄清的二象性,侵蝕了它的要害部位,這是同物理學的一切理想和傳統都格格不入的。

然而,兩方各自如山的鐵證又是那樣無隙可擊,物理學家心中的那種苦啊,令人慘不忍睹。他們也只能隨遇而安,帶著一副愁眉苦臉四處徘徊,悲嘆他們在星期一、三、五必須把光看成是波,而在星期二、四、六又必須將光看成是粒子。那麼,星期天呢?他們乾脆就祈求上天保佑了。


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聲明:本文並非我所寫,這是一篇很早的關於物理學史的優秀科普文,算算也應該有十年了吧!我第一次看到是在中學時的一本輔導書附錄中,當時看了就愛不釋手,後來在網絡中找到後收藏至今,我試過搜尋原作者,可惜都沒有確認最初的出處,當然如果原作者看到,希望及時聯繫我,我會在24小時內處理。另外,原文是沒有配圖的,文中配圖都是我製作添加的,現在和大家分享這篇文章,希望讀者朋友們會喜歡,喜歡的朋友記得點關注哦!

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