上帝掷骰子吗？：量子物理史话（升级版）

国庆期间读完这本《上帝掷骰子吗？：量子物理史话（升级版）》烧脑书，像爱丽丝掉入巨大兔子洞梦游仙境，完成了物理学世界最光怪陆离的一段环球旅行。梳理了量子物理“波粒大战”的脉络和关键人物事件，方便查考，内容均由书中原文整理而成。 关于“波动说”vs“粒子说”的“三次世界大战”： 1887年，赫兹实验，电火花震荡产生电磁波，完美证明麦克斯韦电磁理论，揭示光也是一种电磁波。随后因为光波的传播需要介质，“以太”应运而生。但该实验也为后人发现“光电效应”埋下了伏笔，成为“粒子说”的坚实证明。 第一次战争： 惠更斯《光论》：认为光是一种在以太里传播的纵波，并引入了“波前”等概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。 牛顿《光学》：详尽地阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象，驳斥了波动理论。 第二次战争： 托马斯杨“双缝干涉实验”：从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是干涉条纹，通过两道光叠加在一起造成黑暗，揭示出光是一种波动，存在波峰和波谷。 菲涅尔“泊松亮斑”：采用了光是一种波动的观点，并以严密的数学推理，极为圆满地解释了光的衍射问题。用横波理论成功地解释了偏振现象，攻克了战役中最难以征服的据点。 傅科测“水中光速”：进行了水中光速的测量，发现这个值小于真空中的速度，只有前者的3/4，这一结果彻底宣判了微粒说的死刑。 第三次战争： 引子： 1900年4月27日，开尔文《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……” 第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。迈克尔逊-莫雷实验宣判以太“死刑”，“以太风”经实验证明根本不存在，两束光线根本就没有表现出任何的时间差，以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响，以太的概念不攻自破，成为历史遗物。 第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。在黑体问题上，如果从粒子的角度推导，就得到适用于短波的维恩公式。如果从经典的电磁波的角度去推导，就得到适用于长波的瑞利-金斯公式。长波还是短波，那就是个问题。 天选之子普朗克灵机一动无意中凑出“黑体公式”：在长波的时候，它表现得就像正比关系一样。而在短波的时候，它则退化为维恩公式的原始形式。 “量子”诞生和成长： 1900年12月14日，普朗克《黑体光谱中的能量分布》：能量必须只有有限个可能态，它不能是无限连续的。在发射的时候，它必须分成有限的一份份，必须有个最小的单位，E=hv。 1905年3月17日，爱因斯坦《关于光的产生和转化的一个启发性观点》等6篇论文：认为麦氏理论只能对于一种平均情况有效，而对于瞬间能量的发射、吸收等问题，麦克斯韦理论是与实验相矛盾的，基于“光电效应”，光的“量子化”是一种必然。 “光电效应”和“康普顿效应”：散射出来的X射线分成两个部分，一部分和原来的入射射线波长相同，而另一部分却比原来的射线波长要长，具体的大小和散射角存在函数关系。光子的能量下降，根据公式E=hν，E下降导致ν下降，频率变小，便是波长变大，证明完毕。 打开“原子”世界的大门： 从汤姆逊“葡萄干布丁模型”到卢瑟福“行星模型” 玻尔“量子轨道模型”（解释光谱现象和“巴尔末公式”）：氢原子的光谱线代表了电子从一级特定的台阶跳跃到另一级台阶所释放的能量。因为观测到的光谱线是量子化的，所以电子的“台阶”（或者轨道）必定也是量子化的。玻尔模型引入了一系列量子条件。可惜的是，只适用于单电子模型，比如对氦原子和氢分子都不适用。 玻尔“三部曲”：“论原子和分子的构造”(On the Constitution of Atoms and Molecules)，“单原子核体系”(Systems Containing Only A Single Nucleus)和“多原子核体系”(Systems Containing Several Nuclei)，于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福，并由后者推荐发表在《哲学杂志》(Philosophical Magazine)上。这就是在量子物理历史上划时代的文献，亦即伟大的“三部曲”。 根据玻尔模型，人们不久就发现，一个原子的化学性质主要取决于它最外层的电子数量，并由此表现出有规律的周期性来，这就为周期表的存在提供了最好的理论依据。 斯特恩—盖拉赫实验：原子束在经过磁场偏转后，分裂成两条轨迹。 德布罗意“相波”（史称“德布罗意事变”）：当电子以速度ν0前进时，必定伴随着一个速度为的波。电子也是波，并且实验中也出现了干涉条纹。 戴维斯和革末“镍块散射实验”（电子衍射实验）：被镍块散射的电子，其行为和X射线衍射一模一样！人们终于发现，在某种情况下，电子表现出如X射线般的纯粹波动性质。被戏称为“微粒说”的“后院起火”。 威尔逊“云室”：这是英国科学家威尔逊(C.T.R.Wilson)在1911年发明的一种仪器。水蒸气在尘埃或者离子通过的时候，会以它们为中心凝结成一串水珠，从而在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹，就像天空中喷气式飞机身后留下的白雾。利用威尔逊云室，我们可以亲眼看到电子的运行情况，从而进一步研究它和其他粒子碰撞时的情形，结果它们的表现完全符合经典粒子的规律。 玻色“玻色子”：玻色把光看作是不可区分的粒子的集合，从这个简单的假设出发，他一手推导出了普朗克的黑体公式！爱因斯坦进一步完善玻色的思想，发展出了后来在量子力学中具有举足轻重地位的玻色—爱因斯坦统计方法。服从这种统计的粒子（比如光子）称为“玻色子”(boson)，它们不服从泡利不相容原理，这使得我们可以预言，它们在低温下将表现得非常不同，形成著名的玻色—爱因斯坦凝聚现象。玻色—爱因斯坦统计的确立是微粒在光领域的又一个里程碑式的胜利。 （未完待续）