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[物理學] [轉貼] 上帝擲骰子嗎 — 量子物理史話

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本主題由 hks_sing 於 2008-2-11 16:45 提升
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[轉貼] 上帝擲骰子嗎 — 量子物理史話

前言:
         本文作者是一位對物理有熱誠的業餘人士, 以一個簡單容易理解的方式述說物理及量子物理學發展的歷史過程...
相信只要有中學程度的物理基本知識, 也可以有一定程度的了解, 實是一本不錯的科普讀物, 故推薦大家一看...


序
         
        如果要評選物理學發展史上最偉大的那些年代，那麼有兩個時期是一定會入選的：17世紀末和20世紀初。前者以牛頓《自然哲學之數學原理》的出版為標誌，宣告了現代經典物理學的正式創立；而後者則為我們帶來了相對論和量子論，並最徹底地推翻和重建了整個物理學體系。所不同的是，今天當我們再談論起牛頓的時代，心中更多的已經只是對那段光輝歲月的懷舊和祭奠；而相對論和量子論卻仍然深深地影響和困擾著我們至今，就像兩顆青澀的橄欖，嚼得越久，反而更加滋味無窮。

        我在這裏先要給大家講的是量子論的故事。這個故事更像一個傳奇，由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，漸漸地落英繽紛，亂花迷眼。正在沒個頭緒處，突然間峰迴路轉，天地開闊，如河出伏流，一泄汪洋。然而還未來得及一覽美景，轉眼又大起大落，誤入白雲深處不知歸路……量子力學的發展史是物理學上最激動人心的篇章之一，我們會看到物理大廈在狂風暴雨下轟然坍塌，卻又在熊熊烈焰中得到了洗禮和重生。我們會看到最革命的思潮席捲大地，帶來了讓人驚駭的電閃雷鳴，同時卻又展現出震撼人心的美麗。我們會看到科學如何在荊棘和沼澤中艱難地走來，卻更加堅定了對勝利的信念。

        量子理論是一個複雜而又難解的謎題。她像一個神秘的少女，我們天天與她相見，卻始終無法猜透她的內心世界。今天，我們的現代文明，從電腦，電視，手機到核能，航太，生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴於量子論。但量子論究竟帶給了我們什麼？這個問題至今卻依然難以回答。在自然哲學觀上，量子論帶給了我們前所未有的衝擊和震動，甚至改變了整個物理世界的基本思想。它的觀念是如此地革命，乃至最不保守的科學家都在潛意識裏對它懷有深深的懼意。現代文明的繁盛是理性的勝利，而量子論無疑是理性的最高成就之一。但是它被賦予的力量太過強大，以致有史以來第一次，我們的理性在勝利中同時埋下了能夠毀滅它自身的種子。以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說："如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。"

        掐指算來，量子論創立至今已經超過100年，但它的一些基本思想卻仍然不為普通的大眾所熟知。那麼，就讓我們再次回到那個偉大的年代，再次回顧一下那場史詩般壯麗的革命，再次去穿行於那驚濤駭浪之間，領略一下暈眩的感覺吧。我們的快艇就要出發，當你感到恐懼或者震驚時，請務必抓緊舷邊。但大家也要時刻記住，當年，物理史上最偉大的天才們也走過同樣的航線，而他們的感覺，和我們是一模一樣的。


第一章 黃金時代

        我們的故事要從1887年的德國開始。位於萊茵河邊的卡爾斯魯厄是一座風景秀麗的城市，在它的城中心，矗立著著名的18世紀的宮殿。鬱鬱蔥蔥的森林和溫暖的氣候也使得這座小城成為了歐洲的一個旅遊名勝。然而這些怡人的景色似乎沒有分散海因裏希•魯道夫•赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）的注意力：現在他正在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室裏專心致志地擺弄他的儀器。那時候，赫茲剛剛30歲，也許不會想到他將在科學史上成為和他的老師赫耳姆霍茲（Hermann von Helmholtz）一樣鼎鼎有名的人物，不會想到他將和卡爾•本茨（Carl Benz）一樣成為這個小城的驕傲。現在他的心思，只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。

        赫茲的裝置在今天看來是很簡單的：它的主要部分是一個電火花發生器，有兩個相隔很近的小銅球作為電容。赫茲全神貫注地注視著這兩個相對而視的銅球，然後合上了電路開關。頓時，電的魔力開始在這個簡單的系統裏展現出來：無形的電流穿過裝置裏的感應線圈，並開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心裏面想像著電容兩段電壓不斷上升的情形。在電學的領域攻讀了那麼久，赫茲對自己的知識是有充分信心的，他知道，隨著電壓的上升，很快兩個小球之間的空氣就會被擊穿，然後整個系統就會形成一個高頻的振盪回路（LC回路），但是，他現在想要觀察的不是這個。

       果然，過了一會兒，隨著細微的"啪"的一聲，一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間，整個系統形成了一個完整的回路，細小的電流束在空氣中不停地扭動，綻放出幽幽的螢光。

       赫茲反而更加緊張了，他盯著那串電火花，還有電火花旁邊的空氣，心裏面想像了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個裝置如何產生火花短路，他這個實驗的目的，是為了求證那虛無飄渺的"電磁波"的存在。那是一種什麼樣的東西啊，它看不見，摸不著，到那時為止誰也沒有見過，驗證過它的存在。可是，赫茲是堅信它的存在的，因為它是麥克斯韋（Maxwell）理論的一個預言。而麥克斯韋理論……哦，它在數學上簡直完美得像一個奇跡！仿佛是上帝的手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想像它是錯誤的。赫茲吸了一口氣，又笑了：不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證的呀。他站在那裏看了一會兒，在心裏面又推想了幾遍，終於確定自己的實驗無誤：如果麥克斯韋是對的話，那麼在兩個銅球之間就應該產生一個振盪的電場，同時引發一個向外傳播的電磁波。赫茲轉過頭去，在實驗室的另一邊，放著一個開口的銅環，在開口處也各鑲了一個小銅球。那是電磁波的接收器，如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話，那麼它就會穿越這個房間到達另外一端，在接收器那裏感生一個振盪的電動勢，從而在接收器的開口處也激發出電火花來。

        實驗室裏面靜悄悄的，赫茲一動不動地站在那裏，仿佛他的眼睛已經看見那無形的電磁波在空間穿越。銅環接受器突然顯得有點異樣，赫茲簡直忍不住要大叫一聲，他把自己的鼻子湊到銅環的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣裏閃爍。赫茲飛快地跑到視窗，把所有的窗簾都拉上，現在更清楚了：淡藍色的電花在銅環的缺口不斷地綻開，而整個銅環卻是一個隔離的系統，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲注視了足足有一分鐘之久，在他眼裏，那些藍色的火花顯得如此的美麗。終於他揉了揉眼睛，直起腰來：現在不用再懷疑了，電磁波真真實實地存在於空間之中，正是它激發了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個8年前由柏林普魯士科學院提出懸賞的問題；同時，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學的一個新高峰--電磁理論終於被建立起來。偉大的法拉第（Michael Faraday）為它打下了地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，他--偉大的赫茲--為這座大廈封了頂。

        赫茲小心地把接受器移到不同的位置，電磁波的表現和理論預測的絲毫不爽。根據實驗資料，赫茲得出了電磁波的波長，把它乘以電路的振盪頻率，就可以計算出電磁波的前進速度。這個數值精確地等於30萬公里/秒，也就是光速。麥克斯韋驚人的預言得到了證實：原來電磁波一點都不神秘，我們平時見到的光就是電磁波的一種，只不過它的頻率限定在某一個範圍內，而能夠為我們所見到罷了。
無論從哪一個意義上來說，這都是一個了不起的發現。古老的光學終於可以被完全包容於新興的電磁學裏面，而"光是電磁波的一種"的論斷，也終於為爭論已久的光本性的問題下了一個似乎是不可推翻的定論（我們馬上就要去看看這場曠日持久的精彩大戰）。電磁波的反射、衍射和干涉實驗很快就做出來了，這些實驗進一步地證實了電磁波和光波的一致性，無疑是電磁理論的一個巨大成就。
      
        赫茲的名字終於可以被閃光地鐫刻在科學史的名人堂裏，可是，作為一個純粹的嚴肅的科學家，赫茲當時卻沒有想到他的發現裏面所蘊藏的巨大的商業意義。在卡爾斯魯厄大學的那間實驗室裏，他想的只是如何可以更加靠近大自然的終極奧秘，根本沒有料到他的實驗會帶來一場怎麼樣的時代革命。赫茲英年早逝，還不到37歲就離開了這個他為之醉心的世界。然而，就在那一年，一位在倫巴底度假的20歲義大利青年讀到了他的關於電磁波的論文；兩年後，這個青年已經在公開場合進行了無線電的通訊表演，不久他的公司成立，並成功地拿到了專利證。到了1901年，赫茲死後的第7年，無線電報已經可以穿越大西洋，實現兩地的即時通訊了。這個來自義大利的年輕人就是古格列爾莫•馬可尼（Guglielmo Marconi），與此同時俄國的波波夫（Aleksandr Popov）也在無線通訊領域做了同樣的貢獻。他們掀起了一場革命的風暴，把整個人類帶進了一個嶄新的"資訊時代"。不知赫茲如果身後有知，又會做何感想？

         但仍然覺得赫茲只會對此置之一笑。他是那種純粹的科學家，把對真理的追求當作人生最大的價值。恐怕就算他想到了電磁波的商業前景，也會不屑去把它付諸實踐的吧？也許，在美麗的森林和湖泊間散步，思考自然的終極奧秘，在秋天落葉的校園裏，和學生探討學術問題，這才是他真正的人生吧。今天，他的名字已經成為頻率這個物理量的單位，被每個人不斷地提起，可是，或許他還會嫌我們打擾他的安寧呢？


       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。

        說到這裏，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。它幾乎貫穿于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。

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        光，是每個人見得最多的東西（"見得最多"在這裏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，永遠代表著生命，活力和希望。在《聖經》裏，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裏發射出去的東西，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）從人的眼睛裏噴出到達物體時，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著眼可以看見，而閉上眼睛就不行；但它解釋不了為什麼在暗的地方，我們即使睜著眼睛也看不見東西。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西元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裏的結果。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，歐幾裏德（Euclid）在《反射光學》（Catoptrica）一書裏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若指掌的時候，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像。

       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瞭解得不是太多。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著直線前進，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裏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。波動現象被深入地瞭解和研究，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，在媒質裏傳播。不久後，義大利的一位數學教授格裏馬第（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裏的螢幕上，發現在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格裏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。我們想像一下水波，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裏的明暗條紋，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，在真空裏就無法傳播。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著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"乙太" （Aether）。

        就在這樣一種奇妙的氣氛中，光的波動說登上了歷史舞臺。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，它命中註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著。這出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。

********飯後閒話：說說"乙太"（Aether）。
正如我們在上面所看到的，乙太最初是作為光波媒介的假設而提出的。但"乙太"一詞的由來則早在古希臘：亞里斯多德在《論天》一書裏闡述了他對天體的認識。他認為日月星辰圍繞著地球運轉，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，這就是亞里斯多德所謂的"第五元素"--乙太（希臘文的αηθηρ）。而自從這個概念被借用到科學裏來之後，乙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，乙太的概念在科學史上還是佔有它的地位的，它曾經代表的光媒以及絕對參考系，雖然已經退出了舞臺，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，乙太（Ether）作為另外一種概念用來命名一種網路協定（Ethernet），看到這個詞的時候，是不是也每每生出幾許慨歎？
向乙太致敬。


        上次說到，關於光究竟是什麼的問題，在十七世紀中期有了兩種可能的假設：微粒說和波動說。
然而在一開始的時候，雙方的武裝都是非常薄弱的。微粒說固然有著悠久的歷史，但是它手中的力量是很有限的。光的直線傳播問題和反射折射問題本來是它的傳統領地，但波動方面軍隊在發展了自己的理論後，迅速就在這兩個戰場上與微粒平分秋色。而波動論作為一種新興的理論，格裏馬第的光衍射實驗是它發家的最大法寶，但它卻拖著一個沉重的包袱，就是光乙太的假設，這個憑空想像出來的媒介，將在很長一段時間裏成為波動軍隊的累贅。

        兩支力量起初並沒有發生什麼武裝衝突。在笛卡兒的《方法論》那裏，他們還依然心平氣和地站在一起供大家檢閱。導致"第一次微波戰爭"爆發的導火索是波義耳（Robert Boyle，中學裏學過波馬定律的朋友一定還記得這個討厭的愛爾蘭人？）在1663年提出的一個理論。他認為我們看到的各種顏色，其實並不是物體本身的屬性，而是光照上去才產生的效果。這個論調本身並沒有關係到微粒波動什麼事，但是卻引起了對顏色屬性的激烈爭論。

       在格裏馬第的眼裏，顏色的不同，是因為光波頻率的不同而引起的。他的實驗引起了胡克（Robert Hooke）的興趣。胡克本來是波義耳的實驗助手，當時是英國皇家學會的會員，同時也兼任實驗管理員。他重複了格裏馬第的工作，並仔細觀察了光在肥皂泡裏映射出的色彩以及光通過薄雲母片而產生的光輝。根據他的判斷，光必定是某種快速的脈衝，於是他在1665年出版的《顯微術》（Micrographia）一書中明確地支持波動說。《顯微術》這本著作很快為胡克贏得了世界性的學術聲譽，波動說由於這位大將的加入，似乎也在一時占了上風。
然而不知是偶然，還是冥冥之中自有安排，一件似乎無關的事情改變了整個戰局的發展。

       1672年，一位叫做以撒•牛頓的年輕人向皇家學會評議委員會遞交了一篇論文，名字叫做《關於光與色的新理論》。牛頓當時才30歲，剛剛當選為皇家學會的會員。這是牛頓所發表的第一篇正式科學論文，其內容是關於他所做的光的色散實驗的，這也是牛頓所做的最為有名的實驗之一。實驗的情景在一些科學書籍裏被渲染得十分impressive：炎熱難忍的夏天，牛頓卻戴著厚重的假發呆在一間小屋裏。四面窗戶全都被封死了，屋子裏面又悶又熱，一片漆黑，只有一束亮光從一個特意留出的小孔裏面射進來。牛頓不顧身上汗如雨下，全神貫注地在屋裏走來走去，並不時地把手裏的一個三棱鏡插進那個小孔裏。每當三棱鏡被插進去的時候，原來的那束白光就不見了，而在屋裏的牆上，映射出了一條長長的彩色寬帶：顏色從紅一直到紫。牛頓憑藉這個實驗，得出了白色光是由七彩光混合而成的結論。

        然而在這篇論文中，牛頓把光的複合和分解比喻成不同顏色微粒的混合和分開。胡克和波義耳正是當時評議會的成員，他們對此觀點進行了激烈的抨擊。胡克聲稱，牛頓論文中正確的部分（也就是色彩的複合）是竊取了他1665年的思想，而牛頓"原創"的微粒說則不值一提。牛頓大怒，馬上撤回了論文，並賭氣般地宣稱不再發表任何研究成果。

        其實在此之前，牛頓的觀點還是在微粒和波動之間有所搖擺的，並沒有完全否認波動說。1665年，胡克發表他的觀點時，牛頓還剛剛從劍橋三一學院畢業，也許還在蘋果樹前面思考他的萬有引力問題呢。但在這件事之後，牛頓開始一面倒地支持微粒說。這究竟是因為報復心理，還是因為科學精神，今天已經無法得知了，想來兩方面都有其因素吧。不過牛頓的性格是以小氣和斤斤計較而聞名的，這從以後他和萊布尼茲關於微積分發明的爭論中也可見一斑。

        但是，一方面因為胡克的名氣，另一方面也因為牛頓的注意力更多地轉移到了運動學和力學方面，牛頓暫時仍然沒有正式地全面論證微粒說（只是在幾篇論文中反駁了胡克）。而這時候，波動方面軍開始了他們的現代化進程--用理論來裝備自己。荷蘭物理學家惠更斯（Christiaan Huygens）成為了波動說的主將。

        惠更斯在數學理論方面是具有十分高的天才的，他繼承了胡克的思想，認為光是一種在乙太裏傳播的縱波，並引入了"波前"的概念，成功地證明和推導了光的反射和折射定律。他的波動理論雖然還十分粗略，但是所取得的成功卻是傑出的。當時隨著光學研究的不斷深入，新的戰場不斷被開闢：1665年，牛頓在實驗中發現如果讓光通過一塊大曲率凸透鏡照射到光學平玻璃板上，會看見在透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環條紋，也就是著名的"牛頓環"（對圖像和攝影有興趣的朋友一定知道）。到了1669年，丹麥的巴塞林那斯（E.Bartholinus）發現當光在通過方解石晶體時，會出現雙折射現象。惠更斯將他的理論應用於這些新發現上面，發現他的波動軍隊可以容易地佔領這些新辟的陣地，只需要作小小的改制即可（比如引進橢圓波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光論》（Traite de la Lumiere）出版，標誌著波動說在這個階段到達了一個興盛的頂點。

        不幸的是，波動方面暫時的得勢看來註定要成為曇花一現的泡沫。因為在他們的對手那裏站著一個光芒四射的偉大人物：以撒•牛頓先生（而且馬上就要成為爵士）。這位科學巨人--不管他是出於什麼理由--已經決定要給予波動說的軍隊以毫不留情的致命打擊。為了避免再次引起和胡克之間的爭執，導致不必要的誤解，牛頓在戰術上也進行了精心的安排。直到胡克去世後的第二年，也就是1704年，牛頓才出版了他的煌煌巨著《光學》（Opticks）。在這本劃時代的作品中，牛頓詳盡地闡述了光的色彩疊合與分散，從粒子的角度解釋了薄膜透光，牛頓環以及衍射實驗中發現的種種現象。他駁斥了波動理論，質疑如果光如同聲波一樣，為什麼無法繞開障礙物前進。他也對雙折射現象進行了研究，提出了許多用波動理論無法解釋的問題。而粒子方面的基本困難，牛頓則以他的天才加以解決。他從波動對手那裏吸收了許多東西，比如將波的一些有用的概念如振動，週期等引入微粒論，從而很好地解答了牛頓環的難題。在另一方面，牛頓把粒子說和他的力學體系結合在了一起，於是使得這個理論頓時呈現出無與倫比的力量。

        這完全是一次摧枯拉朽般的打擊。那時的牛頓，已經再不是那個可以在評議會上被人質疑的青年。那時的牛頓，已經是出版了《數學原理》的牛頓，已經是發明了微積分的牛頓。那個時候，他已經是國會議員，皇家學會會長，已經成為科學史上神話般的人物。在世界各地，人們對他的力學體系頂禮膜拜，仿佛見到了上帝的啟示。而波動說則群龍無首（惠更斯也早於1695年去世），這支失去了領袖的軍隊還沒有來得及在領土上建造幾座堅固一點的堡壘，就遭到了毀滅性的打擊。他們驚恐萬狀，潰不成軍，幾乎在一夜之間喪失了所有的陣地。這一方面是因為波動自己的防禦工事有不足之處，它的理論仍然不夠完善，另一方面也實在是因為對手的實力過於強大：牛頓作為光學界的泰斗，他的才華和權威是不容質疑的。第一次微波戰爭就這樣以波動的慘敗而告終，戰爭的結果是微粒說牢牢佔據了物理界的主流。波動被迫轉入地下，在長達整整一個世紀的時間裏都抬不起頭來。然而，它卻仍然沒有被消滅，惠更斯等人所做的開創性工作使得它仍然具有頑強的生命力，默默潛伏著以待東山再起的那天。

*********飯後閒話：胡克與牛頓
胡克和牛頓在歷史上也算是一對歡喜冤家。兩個人都在力學，光學，儀器等方面有著偉大的貢獻。兩人互相啟發，但是之間也存在著不少的爭論。除了關於光本性的爭論之外，他們之間還有一個爭執，那就是萬有引力的平方反比定律究竟是誰發現的問題。胡克在力學與行星運動方面花過許多心血，他深入研究了開普勒定律，於 1964年提出了行星軌道因引力而彎曲成橢圓的觀點。1674年他根據修正的慣性原理，提出了行星運動的理論。1679年，他在寫給牛頓的信中，提出了引力大小與距離的平方成反比這個概念，但是說得比較模糊，並未加之量化（原文是：…my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal）。在牛頓的《原理》出版之後，胡克要求承認他對這個定律的優先發現，但牛頓最後的回答卻是把所有涉及胡克的引用都從《原理》裏面給刪掉了。

        應該說胡克也是一位偉大的科學家，他曾幫助波義耳發現波義耳定律，用自己的顯微鏡發現了植物的細胞，他在地質學方面的工作（尤其是對化石的觀測）影響了這個學科整整30年，他發明和製造的儀器（如顯微鏡、空氣唧筒、發條擺輪、輪形氣壓錶等）在當時無與倫比。他所發現的彈性定律是力學最重要的定律之一。在那個時代，他在力學和光學方面是僅次於牛頓的偉大科學家，可是似乎他卻永遠生活在牛頓的陰影裏。今天的牛頓名滿天下，但今天的中學生只有從課本裏的胡克定律（彈性定律）才知道胡克的名字，胡克死前已經變得憤世嫉俗，字裏行間充滿了挖苦。他死後連一張畫像也沒有留下來，據說是因為他"太醜了"。


        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）的一個教徒的家庭裏誕生了一個男孩，叫做湯瑪斯•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。在以後的日子裏，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，是來源於波動中所謂的"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，它有著波的高峰和波的穀底，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穀底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的穀底呢？

        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，也沒有穀底。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。

         湯瑪斯•楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候，被這個關於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裏成型：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）。這一大膽而富於想像的見解使楊激動不已，他馬上著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。甚至通過他的實驗資料，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》，裏面綜合整理了他在光學方面的工作，並在裏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于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螢幕上，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臺上來。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，只能靠遊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裏。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：兩個小孔距離螢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抵觸的地方。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。楊在給馬呂斯的信裏說："……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》。在這篇論文裏，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，以至委員會成員為之深深驚歎。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（Franois 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跡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，第二次微波戰爭隨著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，就是乙太的問題。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的堅硬，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"乙太"，也沒有實驗測定到它的存在。星光穿越幾億億公里的乙太來到地球，然而這些堅硬無比的乙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！
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       波動對此的解釋是乙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"（湯瑪斯•楊語）。乙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》裏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。

*********飯後閒話：阿拉果（Dominique Fran•ois 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，最初還是來源於湯瑪斯•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干性的研究，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。


        上次說到，隨著麥克斯韋的理論為赫茲的實驗所證實，光的波動說終於成為了一個板上釘釘的事實。
波動現在是如此的強大。憑藉著麥氏理論的力量，它已經徹底地將微粒打倒，並且很快就拓土開疆，建立起一個空前的大帝國來。不久後，它的領土就橫跨整個電磁波的頻段，從微波到X射線，從紫外線到紅外線，從γ射線到無線電波……普通光線只是它統治下的一個小小的國家罷了。波動君臨天下，振長策而禦宇內，四海之間莫非王土。而可憐的微粒早已銷聲匿跡，似乎永遠也無法翻身了。

        赫茲的實驗也同時標誌著經典物理的頂峰。物理學的大廈從來都沒有這樣地金壁輝煌，令人歎為觀止。牛頓的力學體系已經是如此雄偉壯觀，現在麥克斯韋在它之上又構建起了同等規模的另一幢建築，它的光輝燦爛讓人幾乎不敢仰視。電磁理論在數學上完美得難以置信，著名的麥氏方程組剛一問世，就被世人驚為天物。它所表現出的深刻、對稱、優美使得每一個科學家都陶醉在其中，玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）情不自禁地引用歌德的詩句說："難道是上帝寫的這些嗎？"一直到今天，麥氏方程組仍然被公認為科學美的典範，即使在還沒有赫茲的實驗證實之前，已經廣泛地為人們所認同。許多偉大的科學家都為它的魅力折服，並受它深深的影響，有著對於科學美的堅定信仰，甚至認為：對於一個科學理論來說，簡潔優美要比實驗資料的準確來得更為重要。無論從哪個意義上來說，電磁論都是一種偉大的理論。羅傑•彭羅斯（Roger Penrose）在他的名著《皇帝新腦》（The Emperor's New Mind）一書裏毫不猶豫地將它和牛頓力學，相對論和量子論並列，稱之為"Superb"的理論。

       物理學征服了世界。在19世紀末，它的力量控制著一切人們所知的現象。古老的牛頓力學城堡歷經歲月磨礪風雨吹打而始終屹立不倒，反而更加凸現出它的偉大和堅固來。從天上的行星到地上的石塊，萬物都必恭必敬地遵循著它制定的規則。1846年海王星的發現，更是它所取得的最偉大的勝利之一。在光學的方面，波動已經統一了天下，新的電磁理論更把它的光榮擴大到了整個電磁世界。在熱的方面，熱力學三大定律已經基本建立（第三定律已經有了雛形），而在克勞修斯（Rudolph Clausius）、範德瓦爾斯（J.D. Van der Waals）、麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等天才的努力下，分子運動論和統計熱力學也被成功地建立起來了。更令人驚奇的是，這一切都彼此相符而互相包容，形成了一個經典物理的大同盟。經典力學、經典電動力學和經典熱力學（加上統計力學）形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結合在一塊兒，構築起了一座華麗而雄偉的殿堂。

       這是一段偉大而光榮的日子，是經典物理的黃金時代。科學的力量似乎從來都沒有這樣的強大，這樣地令人神往。人們也許終於可以相信，上帝造物的奧秘被他們所完全掌握了，再沒有遺漏的地方。從當時來看，我們也許的確是有資格這樣驕傲的，因為所知道的一切物理現象，幾乎都可以從現成的理論裏得到解釋。力、熱、光、電、磁……一切的一切，都在控制之中，而且用的是同一種手法。物理學家們開始相信，這個世界所有的基本原理都已經被發現了，物理學已經盡善盡美，它走到了自己的極限和盡頭，再也不可能有任何突破性的進展了。如果說還有什麼要做的事情，那就是做一些細節上的修正和補充，更加精確地測量一些常數值罷了。人們開始傾向於認為：物理學已經終結，所有的問題都可以用這個集大成的體系來解決，而不會再有任何真正激動人心的發現了。一位著名的科學家（據說就是偉大的開爾文勳爵）說："物理學的未來，將只有在小數點第六位後面去尋找"。普朗克的導師甚至勸他不要再浪費時間去研究這個已經高度成熟的體系。

       19世紀末的物理學天空中閃爍著金色的光芒，象徵著經典物理帝國的全盛時代。這樣的偉大時期在科學史上是空前的，或許也將是絕後的。然而，這個統一的強大帝國卻註定了只能曇花一現。喧囂一時的繁盛，終究要像泡沫那樣破滅凋零。
今天回頭來看，赫茲1887年的電磁波實驗（準確地說，是他於1887－1888年進行的一系列的實驗）的意義應該是複雜而深遠的。它一方面徹底建立了電磁場論，為經典物理的繁榮添加了濃重的一筆；在另一方面，它卻同時又埋藏下了促使經典物理自身毀滅的武器，孕育出了革命的種子。

        我們還是回到我們故事的第一部分那裏去：在卡爾斯魯厄大學的那間實驗室裏，赫茲銅環接收器的缺口之間不停地爆發著電火花，明白無誤地昭示著電磁波的存在。

        但偶然間，赫茲又發現了一個奇怪的現象：當有光照射到這個缺口上的時候，似乎火花就出現得更容易一些。
   
        赫茲把這個發現也寫成了論文發表，但在當時並沒有引起很多的人的注意。當時，學者們在為電磁場理論的成功而歡欣鼓舞，馬可尼們在為了一個巨大的商機而激動不已，沒有人想到這篇論文的真正意義。連赫茲自己也不知道，量子存在的證據原來就在他的眼前，幾乎是觸手可得。不過，也許量子的概念太過爆炸性，太過革命性，命運在冥冥中安排了它必須在新的世紀中才可以出現，而把懷舊和經典留給了舊世紀吧。只是可惜赫茲走得太早，沒能親眼看到它的誕生，沒能目睹它究竟將要給這個世界帶來什麼樣的變化。
終於，在經典物理還沒有來得及多多體味一下自己的盛世前，一連串意想不到的事情在19世紀的最後幾年連續發生了，仿佛是一個不祥的預兆。

        1895年，倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen）發現了X射線。1896年，貝克勒爾（Antoine Herni Becquerel）發現了鈾元素的放射現象。1897年，居里夫人（Marie Curie）和她的丈夫皮埃爾•居裏研究了放射性，並發現了更多的放射性元素：釷、釙、鐳。1897年，J.J.湯姆遜（Joseph John Thomson）在研究了陰極射線後認為它是一種帶負電的粒子流。電子被發現了。1899年，盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了元素的嬗變現象。

         如此多的新發現接連湧現，令人一時間眼花繚亂。每一個人都開始感覺到了一種不安，似乎有什麼重大的事件即將發生。物理學這座大廈依然聳立，看上去依然那麼雄偉，那麼牢不可破，但氣氛卻突然變得異常凝重起來，一種山雨欲來的壓抑感覺在人們心中擴散。新的世紀很快就要來到，人們不知道即將發生什麼，歷史將要何去何從。眺望天邊，人們隱約可以看到兩朵小小的烏雲，小得那樣不起眼。沒人知道，它們即將帶來一場狂風暴雨，將舊世界的一切從大地上徹底抹去。
但是，在暴風雨到來之前，還是讓我們抬頭再看一眼黃金時代的天空，作為最後的懷念。金色的光芒照耀在我們的臉上，把一切都染上了神聖的色彩。經典物理學的大廈在它的輝映下，是那樣莊嚴雄偉，溢彩流光，令人不禁想起神話中宙斯和眾神在奧林匹斯山上那亙古不變的宮殿。誰又會想到，這震撼人心的壯麗，卻是斜陽投射在龐大帝國土地上最後的餘輝。

[ 本帖最後由 hks_sing 於 2008-1-6 23:04 編輯 ]

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第二章 烏雲

        1900年的4月27日，倫敦的天氣還是有一些陰冷。馬路邊的咖啡店裏，人們興致勃勃地談論著當時正在巴黎舉辦的萬國博覽會。街上的報童在大聲叫賣報紙，那上面正在討論中國義和團運動最新的局勢進展以及各國在北京使館人員的狀況。一位紳士彬彬有禮地扶著貴婦人上了馬車，趕去聽普契尼的歌劇《波希米亞人》。兩位老太太羡慕地望著馬車遠去，對貴婦帽子的式樣大為讚歎，但不久後，她們就找到了新的話題，開始對拉塞爾伯爵的離婚案評頭論足起來。看來，即使是新世紀的到來，也不能改變這個城市古老而傳統的生活方式。
相比之下，在阿爾伯馬爾街皇家研究所（Royal Institution， Albemarle Street）舉行的報告會就沒有多少人注意了。倫敦的上流社會好像已經把他們對科學的熱情在漢弗來•大衛爵士（Sir Humphry Davy）那裏傾注得一乾二淨，以致在其後幾十年的時間裏都表現得格外漠然。不過，對科學界來說，這可是一件大事。歐洲有名的科學家都趕來這裏，聆聽那位德高望重，然而卻以頑固出名的老頭子--開爾文男爵（Lord Kelvin）的發言。
開爾文的這篇演講名為《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》。當時已經76歲，白髮蒼蒼的他用那特有的愛爾蘭口音開始了發言，他的第一段話是這麼說的：
"動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽，顯得黯然失色了……"（'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.'）
這個烏雲的比喻後來變得如此出名，以致於在幾乎每一本關於物理史的書籍中都被反復地引用，成了一種模式化的陳述。聯繫到當時人們對物理學大一統的樂觀情緒，許多時候這個表述又變成了"在物理學陽光燦爛的天空中漂浮著兩朵小烏雲"。這兩朵著名的烏雲，分別指的是經典物理在光乙太和麥克斯韋－玻爾茲曼能量均分學說上遇到的難題。再具體一些，指的就是人們在邁克爾遜－莫雷實驗和黑體輻射研究中的困境。
邁克爾遜－莫雷實驗的用意在於探測光乙太對於地球的漂移速度。在人們當時的觀念裏，乙太代表了一個絕對靜止的參考系，而地球穿過乙太在空間中運動，就相當於一艘船在高速行駛，迎面會吹來強烈的"乙太風"。邁克爾遜在1881年進行了一個實驗，想測出這個相對速度，但結果並不十分令人滿意。於是他和另外一位物理學家莫雷合作，在1886年安排了第二次實驗。這可能是當時物理史上進行過的最精密的實驗了：他們動用了最新的干涉儀，為了提高系統的靈敏度和穩定性，他們甚至多方籌措弄來了一塊大石板，把它放在一個水銀槽上，這樣就把干擾的因素降到了最低。
然而實驗結果卻讓他們震驚和失望無比：兩束光線根本就沒有表現出任何的時間差。乙太似乎對穿越於其中的光線毫無影響。邁克爾遜和莫雷不甘心地一連觀測了四天，本來甚至想連續觀測一年以確定地球繞太陽運行四季對乙太風造成的差別，但因為這個否定的結果是如此清晰而不容質疑，這個計畫也被無奈地取消了。
邁克爾遜－莫雷實驗是物理史上最有名的"失敗的實驗"。它當時在物理界引起了轟動，因為乙太這個概念作為絕對運動的代表，是經典物理學和經典時空觀的基礎。而這根支撐著經典物理學大廈的樑柱竟然被一個實驗的結果而無情地否定，那馬上就意味著整個物理世界的轟然崩塌。不過，那時候再悲觀的人也不認為，剛剛取得了偉大勝利，到達光輝頂峰的經典物理學會莫名其妙地就這樣倒臺，所以人們還是提出了許多折衷的辦法，愛爾蘭物理學家費茲傑惹（George FitzGerald）和荷蘭物理學家洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）分別獨立地提出了一種假說，認為物體在運動的方向上會發生長度的收縮，從而使得乙太的相對運動速度無法被測量到。這些假說雖然使得乙太的概念得以繼續保留，但業已經對它的意義提出了強烈的質問，因為很難想像，一個隻具有理論意義的"假設物理量"究竟有多少存在的必要。開爾文所說的"第一朵烏雲"就是在這個意義上提出來的，不過他認為長度收縮的假設無論如何已經使人們"擺脫了困境"，所要做的只是修改現有理論以更好地使乙太和物質的相互作用得以自洽罷了。
至於"第二朵烏雲"，指的是黑體輻射實驗和理論的不一致。它在我們的故事裏將起到十分重要的作用，所以我們會在後面的章節裏仔細地探討這個問題。在開爾文發表演講的時候，這個問題仍然沒有任何能夠得到解決的跡象。不過開爾文對此的態度倒也是樂觀的，因為他本人就並不相信玻爾茲曼的能量均分學說，他認為要驅散這朵烏雲，最好的辦法就是否定玻爾茲曼的學說（而且說老實話，玻爾茲曼的分子運動理論在當時的確還是有著巨大的爭議，以致於這位罕見的天才苦悶不堪，精神出現了問題。當年玻爾茲曼就嘗試自殺而未成，但他終於在6年後的一片小森林裏親手結束了自己的生命，留下了一個科學史上的大悲劇）。
年邁的開爾文站在講臺上，台下的聽眾對於他的發言給予熱烈的鼓掌。然而當時，他們中間卻沒有一個人（包括開爾文自己）會瞭解，這兩朵小烏雲對於物理學來說究竟意味著什麼。他們絕對無法想像，正是這兩朵不起眼的烏雲馬上就要給這個世界帶來一場前所未有的狂風暴雨，電閃雷鳴，並引發可怕的大火和洪水，徹底摧毀現在的繁華美麗。他們也無法知道，這兩朵烏雲很快就要把他們從豪華舒適的理論宮殿中驅趕出來，放逐到佈滿了荊棘和陷阱的原野裏去過上二十年顛沛流離的生活。他們更無法預見，正是這兩朵烏雲，終究會給物理學帶來偉大的新生，在烈火和暴雨中實現涅磐，並重新建造起兩幢更加壯觀美麗的城堡來。
第一朵烏雲，最終導致了相對論革命的爆發。
第二朵烏雲，最終導致了量子論革命的爆發。
今天看來，開爾文當年的演講簡直像一個神秘的讖言，似乎在冥冥中帶有一種宿命的意味。科學在他的預言下打了一個大彎，不過方向卻是完全出乎開爾文意料的。如果這位老爵士能夠活到今天，讀到物理學在新世紀裏的發展歷史，他是不是會為他當年的一語成讖而深深震驚，在心裏面打一個寒噤呢？
*********飯後閒話：偉大的"意外"實驗
我們今天來談談物理史上的那些著名的"意外"實驗。用"意外"這個詞，指的是實驗未能取得預期的成果，可能在某種程度上，也可以稱為"失敗"實驗吧。
我們在上面已經談到了邁克爾遜－莫雷實驗，這個實驗的結果是如此的令人震驚，以致於它的實驗者在相當的一段時期裏都不敢相信自己結果的正確性。但正是這個否定的證據，最終使得"光乙太"的概念壽終正寢，使得相對論的誕生成為了可能。這個實驗的失敗在物理史上卻應該說是一個偉大的勝利，科學從來都是只相信事實的。
近代科學的歷史上，也曾經有過許多類似的具有重大意義的意外實驗。也許我們可以從拉瓦錫（AL Laroisier）談起。當時的人們普遍相信，物體燃燒是因為有"燃素"離開物體的結果。但是1774年的某一天，拉瓦錫決定測量一下這種"燃素"的具體重量是多少。他用他的天平稱量了一塊錫的重量，隨即點燃它。等金屬完完全全地燒成了灰燼之後，拉瓦錫小心翼翼地把每一粒灰燼都收集起來，再次稱量了它的重量。
結果使得當時的所有人都瞠目結舌。按照燃素說，燃燒後的灰燼應該比燃燒前要輕。退一萬步，就算燃素完全沒有重量，也應該一樣重。可是拉瓦錫的天平卻說：灰燼要比燃燒前的金屬重，測量燃素重量成了一個無稽之談。然而拉瓦錫在吃驚之餘，卻沒有怪罪于自己的天平，而是將懷疑的眼光投向了燃素說這個龐然大物。在他的推動下，近代化學終於在這個體系倒臺的轟隆聲中建立了起來。
到了1882年，實驗上的困難同樣開始困擾劍橋大學的化學教授瑞利（J.W.S Rayleigh）。他為了一個課題，需要精確地測量各種氣體的比重。然而在氮的問題上，瑞利卻遇到了麻煩。事情是這樣的：為了保證結果的準確，瑞利採用了兩種不同的方法來分離氣體。一種是通過化學家們熟知的辦法，用氨氣來制氮，另一種是從普通空氣中，儘量地除去氧、氫、水蒸氣等別的氣體，這樣剩下的就應該是純氮氣了。然而瑞利卻苦惱地發現兩者的重量並不一致，後者要比前者重了千分之二。
雖然是一個小差別，但對於瑞利這樣的講究精確的科學家來說是不能容忍的。為了消除這個差別，他想盡了辦法，幾乎檢查了他所有的儀器，重複了幾十次實驗，但是這個千分之二的差別就是頑固地存在在那裏，隨著每一次測量反而更加精確起來。這個障礙使得瑞利幾乎要發瘋，在百般無奈下他寫信給另一位化學家拉姆塞（William Ramsay）求救。後者敏銳地指出，這個重量差可能是由於空氣裏混有了一種不易察覺的重氣體而造成的。在兩者的共同努力下，氬氣（Ar）終於被發現了，並最終導致了整個惰性氣體族的發現，成為了元素週期表存在的一個主要證據。
另一個值得一談的實驗是1896年的貝克勒爾（Antoine Herni Becquerel）做出的。當時X射線剛被發現不久，人們對它的來由還不是很清楚。有人提出太陽光照射螢光物質能夠產生X射線，於是貝克勒爾對此展開了研究，他選了一種鈾的氧化物作為螢光物質，把它放在太陽下暴曬，結果發現它的確使黑紙中的底片感光了，於是他得出初步結論：陽光照射螢光物質的確能產生X 射線。
但是，正當他要進一步研究時，意外的事情發生了。天氣轉陰，烏雲一連幾天遮蔽了太陽。貝克勒爾只好把他的全套實驗用具，包括底片和鈾鹽全部放進了保險箱裏。然而到了第五天，天氣仍然沒有轉晴的趨勢，貝克勒爾忍不住了，決定把底片沖洗出來再說。鈾鹽曾受了一點微光的照射，不管如何在底片上應該留下一些模糊的痕跡吧？
然而，在拿到照片時，貝克勒爾經歷了每個科學家都夢寐以求的那種又驚又喜的時刻。他的腦中一片暈眩：底片曝光得是如此徹底，上面的花紋是如此的清晰，甚至比強烈陽光下都要超出一百倍。這是一個歷史性的時刻，元素的放射性第一次被人們發現了，雖然是在一個戲劇性的場合下。貝克勒爾的驚奇，終究打開了通向原子內部的大門，使得人們很快就看到了一個全新的世界。
在量子論的故事後面，我們會看見更多這樣的意外。這些意外，為科學史添加了一份絢麗的傳奇色彩，也使人們對神秘的自然更加興致勃勃。那也是科學給我們帶來的快樂之一啊。
二
上次說到，開爾文在世紀之初提到了物理學裏的兩朵"小烏雲"。其中第一朵是指邁克爾遜－莫雷實驗令人驚奇的結果，第二朵則是人們在黑體輻射的研究中所遇到的困境。
我們的故事終於就要進入正軌，而這一切的一切，都要從那令人�