上帝擲骰子嗎

前言

如果要評(píng)選物理學(xué)發(fā)展史上最偉大的那些年代，那么有兩個(gè)時(shí)期是一定會(huì)入選的：17世紀(jì)末和20世紀(jì)初。前者以牛頓《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的出版為標(biāo)志，宣告了近代經(jīng)典物理學(xué)的正式創(chuàng)立；而后者則為我們帶來了相對(duì)論和量子論，并最徹底地推翻和重建了整個(gè)物理學(xué)體系。所不同的是，今天當(dāng)我們?cè)俅握務(wù)撈鹋ｎD的時(shí)代，心中更多的已經(jīng)只是對(duì)那段光輝歲月的懷舊和祭奠；而相對(duì)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。我在這里要給大家講的是量子論的故事。這個(gè)故事更像一個(gè)傳奇，由一個(gè)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(gè)頭緒處，突然間峰回路轉(zhuǎn)，天地開闊，如河出伏流，一瀉汪洋。然而還未來得及一覽美景，轉(zhuǎn)眼又大起大落，誤入白云深處不知?dú)w路……量子力學(xué)的發(fā)展史是物理學(xué)上最激動(dòng)人心的篇章，我們會(huì)看到物理大廈在狂風(fēng)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(huì)看到最革命的思潮席卷大地，帶來了讓人驚駭?shù)碾婇W雷鳴，同時(shí)卻又展現(xiàn)出震撼人心的美麗。我們會(huì)看到科學(xué)如何在荊棘和沼澤中艱難地走來，卻更加堅(jiān)定了對(duì)勝利的信念。量子理論是一個(gè)極為復(fù)雜而又難解的謎題。她像一個(gè)神秘的少女，我們天天與她相見，卻始終無法猜透她的內(nèi)心世界。今天，我們的現(xiàn)代文明，從電腦到激光，從核能到生物技術(shù)，幾乎沒有哪個(gè)領(lǐng)域不依賴于量子論。但量子論究竟帶給了我們什么？這個(gè)問題至今卻依然難以回答。在自然哲學(xué)觀上，量子論帶給了我們前所未有的沖擊和震動(dòng)，甚至改變了整個(gè)物理世界的基本思想。它的觀念是如此的革命，乃至最不保守的科學(xué)家都在潛意識(shí)里對(duì)它懷有深深的懼意。現(xiàn)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(qiáng)大，以致連它的創(chuàng)造者本身都難以駕馭，以致量子論的奠基人之一玻爾(NiekBohr)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?！逼杆銇?，量子概念的誕生已經(jīng)超過一個(gè)世紀(jì)，但不可思議的是，它的一些基本思想?yún)s至今不為普通的大眾所熟知。那么，就讓我們?cè)俅位氐侥莻€(gè)偉大的年代，去回顧一下那場史詩般壯麗的革命吧。我們將沿著量子論當(dāng)年走過的道路展開這次探險(xiǎn)，我們將和_20世紀(jì)最偉大的物理天才們同行，去親身體驗(yàn)一下他們當(dāng)年曾經(jīng)歷過的那些困惑、激動(dòng)、恐懼、狂喜和震驚。這將注定是一次奇妙的旅程，我們將穿越幽深的森林和廣袤的沙漠，飛越迷霧重重的峽谷和驚濤駭浪的狂潮。你也許會(huì)感到眩暈，可是請(qǐng)千萬跟緊我的步伐，不要隨意觀光而掉隊(duì)，否則很有可能陷入沼澤中無法自拔，請(qǐng)記住我的警告。不過現(xiàn)在，已經(jīng)沒時(shí)間考慮這么多了。請(qǐng)大家坐好，系好安全帶，我們的旅程開始了。

內(nèi)容概要

　　《上帝擲骰子嗎：量子物理史話》是關(guān)于量子論的故事。量子論是一個(gè)極為奇妙的理論：從物理角度來說，它在科學(xué)家中間引起了最為激烈的爭議和關(guān)注；從現(xiàn)實(shí)角度來說，它給我們的社會(huì)帶來了無與倫比的變化和進(jìn)步；從科學(xué)史角度來說，也幾乎沒有哪段歷史比量子論的創(chuàng)立得到了更為徹底的研究。然而不可思議的是，它的基本觀點(diǎn)和假說至今沒有滲透到大眾的意識(shí)中去，這無疑又給它增添了一道神秘的光環(huán)?！读孔游锢硎吩捝系蹟S骰子嗎》將帶你做一次量子之旅。我們從神話時(shí)代出發(fā)，沿著量子發(fā)展的道路，親身去經(jīng)歷科學(xué)史上的烏云和暴雨，追逐流星的輝光，穿越重重迷霧和險(xiǎn)灘，和最偉大的物理學(xué)家們并肩作戰(zhàn)。除了回顧基本的歷史背景，我們還將向著未來探險(xiǎn)，去逐一摸索量子論面前的不同道路，闖入人跡罕至的未知境地，和先行者們一起開疆?dāng)U土。讓你驚嘆的，不僅僅是沿途那令人眼花繚亂的絢麗風(fēng)景，更來自于你內(nèi)心深處的思索和啟示——那是科學(xué)深植在每個(gè)人心中不可抗拒的魅力。

作者簡介

曹天元（Capo），出生于上海，足跡遍歷內(nèi)地、香港和美國，現(xiàn)居香港。本人不愿透露具體身份。

書籍目錄

第一章 黃金時(shí)代第二章 烏云第三章 火流星第四章 白云深處第五章 曙光第六章 殊途同歸第七章 不確定性第八章 論戰(zhàn)第九章 歧途第十章 回歸經(jīng)典第十一章 不等式的判決第十二章 新探險(xiǎn)尾聲外一篇 海森堡和德國原子彈計(jì)劃后記參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第一章 黃金時(shí)代一我們的故事要從1887年的德國小城——卡爾斯魯厄（Karlsruhe）講起。美麗的萊茵河從阿爾卑斯山區(qū)緩緩流下，在山谷中輾轉(zhuǎn)向北，把南方溫暖濕潤的風(fēng)帶到這片土地上。它本應(yīng)是法德兩國之間的一段天然邊界，但16年前，雄圖大略的俾斯麥通過一場漂亮的戰(zhàn)爭擊敗了拿破侖三世，攫取了河對(duì)岸的阿爾薩斯和洛林，也留下了法國人的眼淚和我們課本中震撼人心的《最后一課》的故事。和阿爾薩斯隔河相望的是巴登邦，神秘的黑森林從這里延展開去，孕育著德國古老的傳說和格林兄弟那奇妙的靈感?？査刽敹蚓桶察o地躺在森林與大河之間，無數(shù)輻射狀的道路如蛛網(wǎng)般收聚，指向市中心那座著名的18世紀(jì)的宮殿。這是一座安靜祥和的城市，據(jù)說，它的名字本身就是由城市的建造者卡爾（Karl）和“安靜”（Ruhe）一詞所組成。對(duì)于科學(xué)家來說，這里實(shí)在是一個(gè)遠(yuǎn)離塵世喧囂，可以安心做研究的好地方?，F(xiàn)在，海因里?！?shù)婪颉ず掌潱℉einrichRudolfHertz）就站在卡爾斯魯厄大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里，專心致志地?cái)[弄他的儀器。那時(shí)候，赫茲剛剛30歲，新婚燕爾，也許不會(huì)想到他將在科學(xué)史上成為和他的老師亥姆霍茲（HermannvonHelmholtz）一樣鼎鼎有名的人物，不會(huì)想到他將和汽車大王卡爾·本茨（CarlBenz）一起成為這個(gè)小城的驕傲。現(xiàn)在他的心思，只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。赫茲給他的裝置拍了照片，不過在19世紀(jì)80年代，照相的網(wǎng)目銅版印刷技術(shù)還剛剛發(fā)明不久，尚未普及，以致連最好的科學(xué)雜志如《物理學(xué)紀(jì)事》（AnnalenderPhysik）都沒能把它們印在論文里面。但是我們今天已經(jīng)知道，赫茲的裝置是很簡單的：它的主要部分是一個(gè)電火花發(fā)生器，有兩個(gè)大銅球作為電容，并通過銅棒連接到兩個(gè)相隔很近的小銅球上。導(dǎo)線從兩個(gè)小球上伸展出去，纏繞在一個(gè)大感應(yīng)線圈的兩端，然后又連接到一個(gè)梅丁格電池上，將這套古怪的裝置連成了一個(gè)整體。赫茲全神貫注地注視著那兩個(gè)幾乎緊挨在一起的小銅球，然后合上了電路開關(guān)。頓時(shí)，電的魔力開始在這個(gè)簡單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來：無形的電流穿過裝置里的感應(yīng)線圈，并開始對(duì)銅球電容進(jìn)行充電。赫茲冷冷地注視著他的裝置，在心里面想象著電容兩端電壓不斷上升的情形。在電學(xué)的領(lǐng)域攻讀了那么久，赫茲對(duì)自己的知識(shí)是有充分信心的。他知道，當(dāng)電壓上升到2萬伏左右，兩個(gè)小球之間的空氣就會(huì)被擊穿，電荷就可以從中穿過，往來于兩個(gè)大銅球之間，從而形成一個(gè)高頻的振蕩回路（LC回路）。但是，他現(xiàn)在想要觀察的不是這個(gè)。果然，過了一會(huì)兒，隨著細(xì)微的“啪”的一聲，一束美麗的藍(lán)色電花爆開在兩個(gè)銅球之間，整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)完整的回路，細(xì)小的電流束在空氣中不停地扭動(dòng)，綻放出幽幽的熒光來?；鸹ㄉ钥v即逝，因?yàn)槊恳淮蔚恼袷幎及殡S著少許能量的損失，使得電容兩端的電壓很快又降到擊穿值以下。于是這個(gè)怪物養(yǎng)精蓄銳，繼續(xù)充電，直到再次恢復(fù)飽滿的精力，開始另一場火花表演為止。赫茲更加緊張了。他跑到窗口，將所有的窗簾都拉上，同時(shí)又關(guān)掉了實(shí)驗(yàn)室的燈，讓自己處在一片黑暗之中。這樣一來，那些火花就顯得格外醒目而刺眼。赫茲揉了揉眼睛，讓它們更為習(xí)慣于黑暗的環(huán)境。他盯著那串間歇的電火花，還有電火花旁邊的空氣，心里面想象了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個(gè)裝置如何產(chǎn)生火花短路，他這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的，是為了求證那虛無飄渺的“電磁波”的存在。那是一種什么樣的東西啊，它看不見，摸不著，到那時(shí)為止誰也沒有見過，驗(yàn)證過它的存在。可是，赫茲對(duì)此是堅(jiān)信不疑的，因?yàn)樗躯溈怂鬼f（Maxwell）理論的一個(gè)預(yù)言，而麥克斯韋理論……哦，它在數(shù)學(xué)上簡直完美得像一個(gè)奇跡！仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想象它是錯(cuò)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(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的呀。他站在那里看了一會(huì)兒，在心里面又推想了幾遍，終于確定自己的實(shí)驗(yàn)無誤：如果麥克斯韋是對(duì)的話，那么每當(dāng)發(fā)生器火花放電的時(shí)候，在兩個(gè)銅球之間就應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)振蕩的電場，同時(shí)引發(fā)一個(gè)向外傳播的電磁波。赫茲轉(zhuǎn)過頭去，在不遠(yuǎn)處，放著兩個(gè)開口的長方形銅環(huán)，在接口處也各鑲了一個(gè)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，那么它就會(huì)飛越空間，到達(dá)接收器，在那里感生一個(gè)振蕩的電動(dòng)勢，從而在接收器的開口處也同樣激發(fā)出電火花來。實(shí)驗(yàn)室里面靜悄悄地，赫茲一動(dòng)不動(dòng)地站在那里，仿佛他的眼睛已經(jīng)看見那無形的電磁波在空間穿越。當(dāng)發(fā)生器上產(chǎn)生火花放電的時(shí)候，接受器是否也同時(shí)感生出火花來呢？赫茲睜大了雙眼，他的心跳得快極了。銅環(huán)接受器突然顯得有點(diǎn)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(huán)的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個(gè)銅球之間的空氣里躍過。是幻覺，還是心理作用？不，都不是。一次，兩次，三次，赫茲看清楚了：雖然它一閃即逝，但上帝啊，千真萬確，真的有火花正從接收器的兩個(gè)小球之間穿過，而整個(gè)接收器卻是一個(gè)隔離的系統(tǒng)，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲不斷地重復(fù)著放電過程，每一次，火花都聽話地從接收器上被激發(fā)出來，在赫茲看來，世上簡直沒有什么能比它更加美麗了。良久良久，終于赫茲揉了揉眼睛，直起腰來：現(xiàn)在一切都清楚了，電磁波真真實(shí)實(shí)地存在于空間之中，正是它激發(fā)了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個(gè)8年前由柏林普魯士科學(xué)院提出懸賞的問題1；同時(shí)，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學(xué)的一個(gè)新高峰——電磁理論終于被建立起來。偉大的法拉第（MichaelFaraday）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(xiàn)和理論預(yù)測的分毫不爽。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，赫茲得出了電磁波的波長，把它乘以電路的振蕩頻率，就可以計(jì)算出電磁波的前進(jìn)速度。這個(gè)數(shù)值在可容許的誤差內(nèi)恰好等于30萬公里/秒，也就是光速。麥克斯韋驚人的預(yù)言得到了證實(shí)：原來電磁波一點(diǎn)都不神秘，我們平時(shí)見到的光就是電磁波的一種，只不過普通光的頻率正好落在某一個(gè)范圍內(nèi)，而能夠?yàn)槲覀兊难劬λ杏X到罷了。無論從哪一個(gè)意義上來說，這都是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)。古老的光學(xué)終于可以被完全包容于新興的電磁學(xué)里面，而“光是電磁波的一種”的論斷，也終于為爭論已久的光本性的問題下了一個(gè)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(zhàn)）。電磁波的反射、衍射和干涉實(shí)驗(yàn)很快就做出來了，這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地證實(shí)了電磁波和光波的一致性，無疑是電磁理論的一個(gè)巨大成就。赫茲的名字終于可以被閃光地鐫刻在科學(xué)史的名人堂里。雖然他英年早逝，還不到37歲就離開了這個(gè)奇妙的世界，然而，就在那一年，一位在倫巴底度假的20歲意大利青年讀到了他的關(guān)于電磁波的論文。兩年后，這個(gè)青年已經(jīng)在公開場合進(jìn)行無線電的通訊表演，不久他的公司成立，并成功地拿到了專利證。到了1901年，赫茲死后的第7年，無線電報(bào)已經(jīng)可以穿越大西洋，實(shí)現(xiàn)兩地的實(shí)時(shí)通訊了。這個(gè)來自意大利的年輕人就是古格列爾莫·馬可尼（GuglielmoMarconi），與此同時(shí)俄國的波波夫（AleksandrPopov）也在無線通訊領(lǐng)域做了同樣的貢獻(xiàn)。他們掀起了一場革命的風(fēng)暴，把整個(gè)人類帶進(jìn)了一個(gè)嶄新的“信息時(shí)代”。如果赫茲身后有知，他又將會(huì)做何感想呢？但仍然覺得赫茲只會(huì)對(duì)此置之一笑。他是那種純粹的科學(xué)家，把對(duì)真理的追求當(dāng)作人生最大的價(jià)值?？峙戮退闼氲搅穗姶挪ǖ纳虡I(yè)前景，也會(huì)不屑去把它付諸實(shí)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；在秋天落葉的校園里，和學(xué)生探討學(xué)術(shù)問題，這才是他真正的人生吧？今天，他的名字已經(jīng)成為“頻率”這個(gè)物理量的單位，被每個(gè)人不斷地提起，可是，說不定他還會(huì)嫌我們打擾他的安寧呢？無疑，赫茲就是這樣一個(gè)淡泊名利的人。1887年10月，基爾霍夫（GustavRobertKirchhoff）在柏林去世，亥姆霍茲強(qiáng)烈地推薦赫茲成為那個(gè)教授職位的繼任者，但赫茲卻拒絕了。也許在赫茲看來，柏林的喧囂并不適合他。亥姆霍茲理解自己學(xué)生的想法，寫信勉勵(lì)他說“一個(gè)希望與眾多科學(xué)問題搏斗的人最好還是遠(yuǎn)離大都市?！敝皇呛掌潊s沒有想到，他的這個(gè)決定在冥冥中忽然改變了許多事情。他并不知道，自己已經(jīng)在電磁波的實(shí)驗(yàn)中親手種下了一個(gè)幽靈的種子，而頂替他去柏林任教的那個(gè)人，則會(huì)在一個(gè)命中注定的時(shí)刻把這個(gè)幽靈從沉睡中喚醒過來。在那之后，一切都改變了，在未來的30年間，一些非常奇妙的事情會(huì)不斷地發(fā)生，徹底地重塑整個(gè)物理學(xué)的面貌。一場革命的序幕已經(jīng)在不知不覺中悄悄拉開，而我們的宇宙，也即將經(jīng)受一場暴風(fēng)雨般的洗禮，從而變得更加神秘莫測，光怪陸離，震撼人心。但是，我們還是不要著急，一步一步地走，耐心地把這個(gè)故事從頭講完。二上次我們說到，1887年，赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，也證實(shí)了光其實(shí)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(gè)似乎已經(jīng)是不可更改的句號(hào)。說到這里，我們的故事要先回一回頭，穿越時(shí)空去回顧一下有關(guān)于光的這場大戰(zhàn)。這也許是物理史上持續(xù)時(shí)間最長，程度最激烈的一場論戰(zhàn)。它不僅貫穿于光學(xué)發(fā)展的全過程中，更使整個(gè)物理學(xué)都發(fā)生了翻天覆地的變化，在歷史上燒灼下了永不磨滅的烙印。光，是每個(gè)人見得最多的東西（“見得最多”在這里用得真是一點(diǎn)也不錯(cuò)）。自古以來，它就理所當(dāng)然地被認(rèn)為是這個(gè)宇宙最原始的事物之一。在遠(yuǎn)古的神話中，往往是“一道亮光”劈開了混沌和黑暗，于是世界開始了運(yùn)轉(zhuǎn)。光在人們的心目中，永遠(yuǎn)代表著生命，活力和希望，更由此演繹開了數(shù)不盡的故事與傳說。從古埃及的阿蒙（也叫拉Ra），到中國的祝融；從北歐的巴爾德（Balder），到希臘的阿波羅；從凱爾特人的魯（Lugh），到拜火教徒的阿胡拉·瑪茲達(dá)（AhuraMazda），這些代表光明的神袛總是格外受到崇拜。哪怕在《圣經(jīng)》里，神要?jiǎng)?chuàng)造世界，首先要?jiǎng)?chuàng)造的也仍然是光，可見它在這個(gè)宇宙中所占的獨(dú)一無二的地位?？墒?，光究竟是一種什么東西呢？雖然我們每天都要與它打交道，但普通人似乎很少會(huì)去認(rèn)真地考慮這個(gè)問題。如果仔細(xì)地想一想，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光實(shí)在是一樣奇妙的事物，它看得見，卻摸不著，沒有氣味也沒有重量。我們一按電燈開關(guān)，它似乎就憑空地被創(chuàng)生出來，一下子充滿整個(gè)空間。這一切，都是如何發(fā)生的呢？有一樣事情是肯定的：我們之所以能夠看見東西，那是因?yàn)楣庠谄渲凶饔玫慕Y(jié)果，但人們對(duì)具體的作用機(jī)制則在很長一段時(shí)間內(nèi)都迷惑不解。在古希臘時(shí)代，人們猜想，光是一種從我們的眼睛里發(fā)射出去的東西，當(dāng)它到達(dá)某樣事物的時(shí)候，這樣事物就被我們所“看見”了。比如恩培多克勒（Empedocles）就認(rèn)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洛狄忒（Aphrodite）用火點(diǎn)燃的。當(dāng)火元素（也就是光，古時(shí)候往往光、火不分）從人的眼睛里噴出到達(dá)物體時(shí)，我們就得以看見事物。但顯而易見，單單用這種解釋是不夠的。如果光只是從我們的眼睛出發(fā)，那么只要我們睜開眼睛，就應(yīng)該能看見。但每個(gè)人都知道，有些時(shí)候，我們即使睜著眼睛也仍然看不見東西（比如在黑暗的環(huán)境中）。為了解決這個(gè)困難，人們引進(jìn)了復(fù)雜得多的假設(shè)。比如柏拉圖（Plato）認(rèn)為有三種不同的光，分別來源于眼睛，被看到的物體以及光源本身，而視覺是三者綜合作用的結(jié)果。這種假設(shè)無疑是太復(fù)雜了。到了羅馬時(shí)代，偉大的學(xué)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(dá)人的眼睛的，但是他的觀點(diǎn)卻始終不為人們所接受。對(duì)光成像的正確認(rèn)識(shí)直到公元1000年左右才被著名的伊斯蘭科學(xué)家阿爾·哈桑（al-Haytham，也拼作Alhazen）所最終歸納成型：原來我們之所以能夠看到物體，只是由于光從物體上反射進(jìn)我們眼睛里的結(jié)果2。哈桑從多方面有力地論證了這一點(diǎn)，包括研究了光進(jìn)入眼球時(shí)的折射效果以及著名的小孔成象實(shí)驗(yàn)。他那阿拉伯語的著作后來被翻譯并介紹到西方，并為羅杰爾·培根（RogerBacon）所發(fā)揚(yáng)光大，這給現(xiàn)代光學(xué)的建立打下了基礎(chǔ)。關(guān)于光在運(yùn)動(dòng)中的一些性質(zhì)，人們也很早就開始研究了?；诠饪偸亲咧本€的假定，歐幾里德（Euclid）在《反射光學(xué)》（Catoptrica）一書里面就研究了光的反射問題。托勒密（Ptolemy）、哈桑和開普勒（JohannesKepler）都對(duì)光的折射作了研究，而荷蘭物理學(xué)家斯涅耳（WillebrordSnell）則在他們的工作基礎(chǔ)上于1621年總結(jié)出了光的折射定律。最后，光的種種性質(zhì)終于被有“業(yè)余數(shù)學(xué)之王”之稱的費(fèi)爾馬（PierredeFermat）所歸結(jié)為一個(gè)簡單的法則，那就是“光總是走最短的路線”。光學(xué)作為一門物理學(xué)科終于被正式確立起來。但是，當(dāng)人們已經(jīng)對(duì)光的種種行為了如指掌的時(shí)候，我們最基本的問題卻依然沒有得到解決，那就是：“光在本質(zhì)上到底是一種什么東西？”這個(gè)問題看起來似乎并沒有那么難以回答，沒有人會(huì)想到，對(duì)于這個(gè)問題的探究居然會(huì)那樣地曠日持久，而這一探索的過程，對(duì)物理學(xué)的影響竟然會(huì)是那么地深遠(yuǎn)和重大，其意義超過當(dāng)時(shí)任何一個(gè)人的想象。古希臘時(shí)代的人們總是傾向于把光看成是一種非常細(xì)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(diǎn)一方面十分符合當(dāng)時(shí)流行的元素說，另外一方面，古代的人們除了粒子之外對(duì)別的物質(zhì)形式也了解得不是太多。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么光總是沿著直線前進(jìn)，為什么會(huì)嚴(yán)格而經(jīng)典地反射，甚至折射現(xiàn)象也可以由粒子流在不同介質(zhì)里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(dāng)時(shí)很難說清為什么兩道光束相互碰撞的時(shí)候不會(huì)互相彈開，人們也無法得知，這些細(xì)小的光粒子在點(diǎn)上燈火之前是隱藏在何處的，它們的數(shù)量是不是可以無限多，等等。當(dāng)黑暗的中世紀(jì)過去之后，人們對(duì)自然世界有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。波動(dòng)現(xiàn)象被深入地了解和研究，聲音是一種波動(dòng)的認(rèn)識(shí)也進(jìn)一步深入人心。人們開始懷疑：既然聲音是一種波，為什么光不能夠也是波呢？十七世紀(jì)初，笛卡兒（RenéDescartes）在他《方法論》的三個(gè)附錄之一《折光學(xué)》中率先提出了這樣的可能：光是一種壓力，在媒質(zhì)里傳播。不久后，意大利的一位數(shù)學(xué)教授格里馬第（FrancescoMariaGrimaldi）做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他讓一束光穿過兩個(gè)小孔后照到暗室里的屏幕上，發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。格里馬第馬上聯(lián)想起了水波的衍射（這個(gè)大家在中學(xué)物理的插圖上應(yīng)該都見過），于是提出：光可能是一種類似水波的波動(dòng)，這就是最早的光波動(dòng)說。波動(dòng)說認(rèn)為，光不是一種物質(zhì)粒子，而是由于介質(zhì)的振動(dòng)而產(chǎn)生的一種波。我們想象一下足球場上觀眾掀起的“人浪”：雖然每個(gè)觀眾只是簡單地站起和坐下，并沒有四處亂跑，但那個(gè)“浪頭”卻實(shí)實(shí)在在地環(huán)繞全場運(yùn)動(dòng)著，這個(gè)“浪頭”就是一種波。池塘里的水波也是同樣的道理，它不是一種實(shí)際的傳遞，而是沿途的水面上下振動(dòng)的結(jié)果。如果光也是波動(dòng)的話，我們就容易解釋投影里的明暗條紋，也容易解釋光束可以互相穿過互不干擾。關(guān)于直線傳播和反射的問題，人們后來認(rèn)識(shí)到光的波長是極短的，在大多數(shù)情況下，光的行為就猶同經(jīng)典粒子一樣，而衍射實(shí)驗(yàn)則更加證明了這一點(diǎn)。但是波動(dòng)說有一個(gè)基本的難題：既然波本身是介質(zhì)的振動(dòng)，那它必須在某種介質(zhì)中才能夠傳遞，比如聲音可以沿著空氣、水乃至固體前進(jìn)，但在真空里就無法傳播。為了容易理解這一點(diǎn)，大家只要這樣想：要是球場里空無一人，那“人浪”自然也就無從談起。

后記

這個(gè)有關(guān)量子論的系列全部是本人業(yè)余時(shí)間在網(wǎng)上完成的，最初發(fā)表在新浪的論壇上，前后陸續(xù)用了一年左右的時(shí)間。原先的構(gòu)想只是一篇四五萬字的極簡介紹，但不料讀者的反應(yīng)異常熱烈，自己興頭上來后也有些收不住筆，結(jié)果最終有了這篇近30萬字的稿子。在此也感謝新浪、磨鐵文化和各方面的牽頭，使它有了以傳統(tǒng)媒體方式發(fā)表的機(jī)會(huì)，和更多的讀者見面。這并非一篇專業(yè)的科普文章，事實(shí)上，我的本意是更注重歷史，而不是科學(xué)方面。不過如果你讀完了全文，我也希望它可以帶給你一些最基本的量子論的科學(xué)概念。這本是網(wǎng)上的消遣文章，供大眾茶余飯后娛樂所用，因此我努力使它成為極通俗的讀物。事實(shí)上，我僅僅假定讀者具有初中的數(shù)學(xué)水平和一點(diǎn)點(diǎn)高中物理知識(shí)(如果你具有以上水平但仍看不懂某些內(nèi)容，那一定是我寫作的問題^_^)。即使是對(duì)數(shù)理完全不通，我也希望你可以從中得到一點(diǎn)感染和啟示。但不可避免地，運(yùn)用日?；恼Z言會(huì)使一些描述顯得牽強(qiáng)附會(huì)，不符合物理上的概念。所以再次強(qiáng)調(diào)，這不是專業(yè)的科普，如果想獲得對(duì)量子論更好更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，各位還是參考一些專業(yè)書籍。上帝是數(shù)學(xué)家，唯一能夠描述宇宙的語言是數(shù)學(xué)！另外，本文是利用業(yè)余時(shí)間斷斷續(xù)續(xù)而成的作品，其信息全部來自于各種媒體，沒有任何第一手的資料。因?yàn)闀r(shí)間和水平有限，所以難免包含了許多錯(cuò)誤。雖然我已經(jīng)盡量使描述符合歷史與事實(shí)(一般來說，除了一些明顯的虛構(gòu)情節(jié)外，本文中的歷史場景都是有依據(jù)的)，但仍可能在某些地方查證得不夠，對(duì)于那些態(tài)度認(rèn)真的讀者來說，也需要小心對(duì)待。

媒體關(guān)注與評(píng)論

曹天元兼具科學(xué)素質(zhì)和文學(xué)修養(yǎng)。 --王渝生 中國科技館研究員、北京市科協(xié)副主度 量子世界像骰子一樣難以預(yù)測，迄今還沒有誰敢說真正理解了它，任何科學(xué)探險(xiǎn)都不如量子之旅驚險(xiǎn)和神奇。 --董光璧 中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所研究員 《上帝擲骰子嗎：量子物理史話》是一本罕見的、精彩的、由非科學(xué)家談?wù)摽茖W(xué)的作品。它表明：科學(xué)不是科學(xué)家的禁臠，科學(xué)對(duì)于公眾來說，經(jīng)過努力也是可以親近的。 --江曉原 上海交通大學(xué)、科學(xué)史系主任、人文學(xué)院院長 曹天元這部很特別的量子物理學(xué)史話，可謂獻(xiàn)給國際物理年不可多得的禮物。它比起各地許多紀(jì)念性儀式化（或者叫巫術(shù)式）的表演，要實(shí)在得多?！藭Φ聼o量。 --劉華杰（北京大學(xué)哲學(xué)系教授）

編輯推薦

《量子物理史話上帝擲骰子嗎》是“科學(xué)性和故事性的完美結(jié)合，具有超級(jí)影響力的科普佳作。”榮獲第三屆“吳大猷科普獎(jiǎng)”（2006），“科學(xué)時(shí)報(bào)讀書杯”最佳科普創(chuàng)作獎(jiǎng)（2005），國家圖書館文津圖書獎(jiǎng)（2007）。愛因斯坦：玻爾，親愛的上帝不擲骰子！玻爾：愛因斯坦，別去指揮上帝應(yīng)該怎么做！霍金：上帝不但擲骰子，他還把骰子擲到我們看不見的地方去！

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