波&粒大战
最早就有人在思考一个问题:光到底是什么?
其实关于光的一切都是各种学者十分关心的问题,伽利略就曾经自己操刀去测光速,结果以失败而告终,而关于“光速”的探讨直接引发了物理学的革命,也就相对论的诞生。相对论两条基本假设之一就是光速不变原理。
而关于“光到底是什么?”,也引发而来持续几百年的论战。最早的论辩双方分别是牛顿,惠更斯,胡克等人。牛顿认为光是一种粒子,并出版了著作《光学》,而以惠更斯为代表的学者们认为光是一种波。
在这个阶段的论战当中,牛顿以压倒性的优势获得了胜利,不过牛顿的取胜除了学术实力了得之外,更重要的是牛顿自身的威望。
(实际上,牛顿的影响不止这些,他去世后,围绕着微积分的发明权之争就导致英国数学家和欧洲数学家彻底决裂,100多年都不曾进行交流,也直接导致当时的世界学术中心从英国转向了法国。)
而第二回合是在100多年后,当时有个叫做托马斯杨的人,做了一个物理学史上几乎是最有名的双缝干涉实验。
在这个阶段,认为光是一种波的科学家层出不穷,并且他们拿出了许多过硬的证据,尤其是最终一锤定音的人,这个人在物理学史上堪比牛顿、爱因斯坦。他就是麦克斯韦,提出了麦克斯韦方程,统一了“电”和“磁”,并预言了电磁波的存在,光是一种电磁波。
而赫兹紧随其后,利用另一个十分著名的实验验证了这个理论。
(后来,大神们就利用赫兹实验的原理搞出了无线电,其中就包括马可尼,尼古拉·特斯拉。)
也就是说,第一回合是“粒子说”的观念胜了,第二回合来了一把反转,“波动说”的观念胜了。
第三回合的对决
我们把时间推荐到19世纪末到20世纪初,当时“波动说”是主流的学术观念。但是科学家和工程师们却遇到了麻烦,这个麻烦就是黑体辐射。
所谓黑体,就是能够把入射的电磁波都给吸收了,不会反射和投射。但是,由于高于绝对零度的物体都会对外辐射电磁,因此叫做黑体辐射。
不太理解没有关系,我们可以从电灯泡说起,当时爱迪生已经对电灯泡的技术进行了改良,欧洲开始流行电灯泡。而有个叫做普朗克的科学家,就受委托研究电灯泡为什么发黄光?
而在研究的过程中,这位科学家就发现,我们必须假设“能量并不是连续”的(这其实就和波动说矛盾,因此在“波动说”中,能量应该是连续的。),而是存在一份份最小的单位形成,而这个最小的单位也就被称为“量子”。
而这个概念的提出正是打开了“量子力学”的潘多拉之盒,一发而不可收拾。前前后后几十位伟大的科学家加入其中。而对于量子力学有奠基作用的有好多人,其中量子力学基石理论是不确定性原理,这是海森堡提出来的。
这种“不确定性”一直以来都让一些科学家无法接受,而量子力学有个著名的哥本哈根学派提出了一个哥本哈根解释。我们拿一个原子来说,我们都知道原子是由原子核和电子构成的。但是电子其实是很诡异的,它并不存在所谓的“轨道”,而是呈现概率云的形式,也就是说,它同时存在于原子核外的这些位置。并且电子的位置和动量是无法同时被确定的。
而哥本哈根学派的宗师尼尔斯波尔在海森堡理论的基础上提出了互补性原理,我们还拿电子来说,他认为电子是同时具有波动性和粒子性的,但是它没有办法同时展现出来。
对于这样的解释,以爱因斯坦、薛定谔为代表的一群科学家是非常排斥的。(虽然爱因斯坦、薛定谔都对量子力学作出了极为突出的贡献。)他们还为此和波尔为首的哥本哈根学派进行论战,在一次论战中,爱因斯坦就对波尔说到:上帝不掷骰子。他的本意其实是这种不确定性是不合理的,是不完备的,虽然和实验拟合得很完美。
而波尔其实当场就反击了,他说:爱因斯坦,不要指挥上帝怎么做。不仅爱因斯坦给波尔出难题,实际上,薛定谔在这方面也没啥做出贡献,著名的薛定谔的猫,就是薛定谔用来刁难波尔阵营才想出来的。(当然,这个思想实验如今看来也存在各种问题,这里就不赘述了。)
如今我们也知道,接近100年来的各种实验结果都是偏向于波尔这一方的,这也才使得“不确定性原理”成为了主流科学理论。