上帝擲骰子嗎？：量子物理史話（升級版）

國慶期間讀完這本《上帝擲骰子嗎？：量子物理史話（升級版）》燒腦書，像愛麗絲掉入巨大兔子洞夢遊仙境，完成了物理學世界最光怪陸離的一段環球旅行。梳理了量子物理“波粒大戰”的脈絡和關鍵人物事件，方便查考，內容均由書中原文整理而成。 關於“波動說”vs“粒子說”的“三次世界大戰”： 1887年，赫茲實驗，電火花震盪產生電磁波，完美證明麥克斯韋電磁理論，揭示光也是一種電磁波。隨後因爲光波的傳播需要介質，“以太”應運而生。但該實驗也爲後人發現“光電效應”埋下了伏筆，成爲“粒子說”的堅實證明。 第一次戰爭： 惠更斯《光論》：認爲光是一種在以太裏傳播的縱波，並引入了“波前”等概念，成功地證明和推導了光的反射和折射定律。 牛頓《光學》：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，駁斥了波動理論。 第二次戰爭： 托馬斯楊“雙縫干涉實驗”：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，這就是干涉條紋，通過兩道光疊加在一起造成黑暗，揭示出光是一種波動，存在波峯和波谷。 菲涅爾“泊松亮斑”：採用了光是一種波動的觀點，並以嚴密的數學推理，極爲圓滿地解釋了光的衍射問題。用橫波理論成功地解釋了偏振現象，攻克了戰役中最難以征服的據點。 傅科測“水中光速”：進行了水中光速的測量，發現這個值小於真空中的速度，只有前者的3/4，這一結果徹底宣判了微粒說的死刑。 第三次戰爭： 引子： 1900年4月27日，開爾文《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》：“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……” 第一朵烏雲，最終導致了相對論革命的爆發。邁克爾遜-莫雷實驗宣判以太“死刑”，“以太風”經實驗證明根本不存在，兩束光線根本就沒有表現出任何的時間差，以太似乎對穿越於其中的光線毫無影響，以太的概念不攻自破，成爲歷史遺物。 第二朵烏雲，最終導致了量子論革命的爆發。在黑體問題上，如果從粒子的角度推導，就得到適用於短波的維恩公式。如果從經典的電磁波的角度去推導，就得到適用於長波的瑞利-金斯公式。長波還是短波，那就是個問題。 天選之子普朗克靈機一動無意中湊出“黑體公式”：在長波的時候，它表現得就像正比關係一樣。而在短波的時候，它則退化爲維恩公式的原始形式。 “量子”誕生和成長： 1900年12月14日，普朗克《黑體光譜中的能量分佈》：能量必須只有有限個可能態，它不能是無限連續的。在發射的時候，它必須分成有限的一份份，必須有個最小的單位，E=hv。 1905年3月17日，愛因斯坦《關於光的產生和轉化的一個啓發性觀點》等6篇論文：認爲麥氏理論只能對於一種平均情況有效，而對於瞬間能量的發射、吸收等問題，麥克斯韋理論是與實驗相矛盾的，基於“光電效應”，光的“量子化”是一種必然。 “光電效應”和“康普頓效應”：散射出來的X射線分成兩個部分，一部分和原來的入射射線波長相同，而另一部分卻比原來的射線波長要長，具體的大小和散射角存在函數關係。光子的能量下降，根據公式E=hν，E下降導致ν下降，頻率變小，便是波長變大，證明完畢。 打開“原子”世界的大門： 從湯姆遜“葡萄乾布丁模型”到盧瑟福“行星模型” 玻爾“量子軌道模型”（解釋光譜現象和“巴爾末公式”）：氫原子的光譜線代表了電子從一級特定的臺階跳躍到另一級臺階所釋放的能量。因爲觀測到的光譜線是量子化的，所以電子的“臺階”（或者軌道）必定也是量子化的。玻爾模型引入了一系列量子條件。可惜的是，只適用於單電子模型，比如對氦原子和氫分子都不適用。 玻爾“三部曲”：“論原子和分子的構造”(On the Constitution of Atoms and Molecules)，“單原子核體系”(Systems Containing Only A Single Nucleus)和“多原子核體系”(Systems Containing Several Nuclei)，於1913年3月到9月陸續寄給了遠在曼徹斯特的盧瑟福，並由後者推薦發表在《哲學雜誌》(Philosophical Magazine)上。這就是在量子物理歷史上劃時代的文獻，亦即偉大的“三部曲”。 根據玻爾模型，人們不久就發現，一個原子的化學性質主要取決於它最外層的電子數量，並由此表現出有規律的週期性來，這就爲週期表的存在提供了最好的理論依據。 斯特恩—蓋拉赫實驗：原子束在經過磁場偏轉後，分裂成兩條軌跡。 德布羅意“相波”（史稱“德布羅意事變”）：當電子以速度ν0前進時，必定伴隨着一個速度爲的波。電子也是波，並且實驗中也出現了干涉條紋。 戴維斯和革末“鎳塊散射實驗”（電子衍射實驗）：被鎳塊散射的電子，其行爲和X射線衍射一模一樣！人們終於發現，在某種情況下，電子錶現出如X射線般的純粹波動性質。被戲稱爲“微粒說”的“後院起火”。 威爾遜“雲室”：這是英國科學家威爾遜(C.T.R.Wilson)在1911年發明的一種儀器。水蒸氣在塵埃或者離子通過的時候，會以它們爲中心凝結成一串水珠，從而在粒子通過之處形成一條清晰可辨的軌跡，就像天空中噴氣式飛機身後留下的白霧。利用威爾遜雲室，我們可以親眼看到電子的運行情況，從而進一步研究它和其他粒子碰撞時的情形，結果它們的表現完全符合經典粒子的規律。 玻色“玻色子”：玻色把光看作是不可區分的粒子的集合，從這個簡單的假設出發，他一手推導出了普朗克的黑體公式！愛因斯坦進一步完善玻色的思想，發展出了後來在量子力學中具有舉足輕重地位的玻色—愛因斯坦統計方法。服從這種統計的粒子（比如光子）稱爲“玻色子”(boson)，它們不服從泡利不相容原理，這使得我們可以預言，它們在低溫下將表現得非常不同，形成著名的玻色—愛因斯坦凝聚現象。玻色—愛因斯坦統計的確立是微粒在光領域的又一個里程碑式的勝利。 （未完待續）