上帝掷骰子吗--量子物理史话-第3节

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站着一个光芒四射的伟大人物：艾萨克？牛顿先生（而且马上就要成为爵士）。这位科学

巨人——不管他是出于什么理由——已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击

。为了避免再次引起和胡克之间的争执，导致不必要的误解，牛顿在战术上也进行了精心

的安排。直到胡克去世后的第二年，也就是1704年，牛顿才出版了他的煌煌巨著《光学》

（Opticks）。在这本划时代的作品中，牛顿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。他驳斥了波动理论，质

疑如果光如同声波一样，为什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究，提

出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难，牛顿则以他的天才加以解

决。他从波动对手那里吸收了许多东西，比如将波的一些有用的概念如振动，周期等引入

微粒论，从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方面，牛顿把粒子说和他的力学体系结

合在了一起，于是使得这个理论顿时呈现出无与伦比的力量。

这完全是一次摧枯拉朽般的打击。那时的牛顿，已经再不是那个可以在评议会上被人质疑

的青年。那时的牛顿，已经是出版了《数学原理》的牛顿，已经是发明了微积分的牛顿。

那个时候，他已经是国会议员，皇家学会会长，已经成为科学史上神话般的人物。在世界

各地，人们对他的力学体系顶礼膜拜，仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首（惠

更斯也早于1695年去世），这支失去了领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一

点的堡垒，就遭到了毁灭性的打击。他们惊恐万状，溃不成军，几乎在一夜之间丧失了所

有的阵地。这一方面是因为波动自己的防御工事有不足之处，它的理论仍然不够完善，另

一方面也实在是因为对手的实力过于强大：牛顿作为光学界的泰斗，他的才华和权威是不

容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终，战争的结果是微粒说牢牢占据了

物理界的主流。波动被迫转入地下，在长达整整一个世纪的时间里都抬不起头来。然而，

它却仍然没有被消灭，惠更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力，默默

潜伏着以待东山再起的那天。


*********
饭后闲话：胡克与牛顿

胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家。两个人都在力学，光学，仪器等方面有着伟大

的贡献。两人互相启发，但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之外，他

们之间还有一个争执，那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题。胡克在力学

与行星运动方面花过许多心血，他深入研究了开普勒定律，于1964年提出了行星轨道因引

力而弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理，提出了行星运动的理论。1679年

，他在写给牛顿的信中，提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念，但是说得比较模

糊，并未加之量化（原文是：…my　supposition　is　that　the　Attraction　always　is　in　

a　duplicate　proportion　to　the　distance　from　the　center　reciprocal）。在牛顿的

《原理》出版之后，胡克要求承认他对这个定律的优先发现，但牛顿最后的回答却是把所

有涉及胡克的引用都从《原理》里面给删掉了。

应该说胡克也是一位伟大的科学家，他曾帮助波义耳发现波义耳定律，用自己的显微镜发

现了植物的细胞，他在地质学方面的工作（尤其是对化石的观测）影响了这个学科整整30

年，他发明和制造的仪器（如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等）在当时无与

伦比。他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代，他在力学和光学方面

是仅次于牛顿的伟大科学家，可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里。今天的牛顿名满天

下，但今天的中学生只有从课本里的胡克定律（弹性定律）才知道胡克的名字，胡克死前

已经变得愤世嫉俗，字里行间充满了挖苦。他死后连一张画像也没有留下来，据说是因为

他“太丑了”。

四

上次说到，在微粒与波动的第一次交锋中，以牛顿为首的微粒说战胜了波动，取得了在物

理上被普遍公认的地位。

转眼间，近一个世纪过去了。牛顿体系的地位已经是如此地崇高，令人不禁有一种目眩的

感觉。而他所提倡的光是一种粒子的观念也已经是如此地深入人心，以致人们几乎都忘了

当年它那对手的存在。

然而1773年的6月13日，英国米尔沃顿（Milverton）的一个教徒的家庭里诞生了一个男孩

，叫做托马斯？杨（Thomas　Young）。这个未来反叛派领袖的成长史是一个典型的天才历

程，他两岁的时候就能够阅读各种经典，6岁时开始学习拉丁文，14岁就用拉丁文写过一

篇自传，到了16岁时他已经能够说10种语言，并学习了牛顿的《数学原理》以及拉瓦锡的

《化学纲要》等科学著作。

杨19岁的时候，受到他那当医生的叔父的影响，决定去伦敦学习医学。在以后的日子里，

他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读，最后还是回到剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业。

在他还是学生的时候，杨研究了人体上眼睛的构造，开始接触到了光学上的一些基本问题

，并最终形成了他的光是波动的想法。杨的这个认识，是来源于波动中所谓的“干涉”现

象。

我们都知道，普通的物质是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是两滴水，而不会一起

消失。但是波动就不同了，一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果两列波相遇

，当它们正好都处在高峰时，那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值，如果都处在低

谷时，叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外

一列波在它的谷底呢？

答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇（物理上叫做“反相”），那么

在它们重叠的地方，将会波平如镜，既没有高峰，也没有谷底。这就像一个人把你往左边

拉，另一个人用相同的力气把你往右边拉，结果是你会站在原地不动。

托马斯？杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，被这个关于波动的想法给深深打动了。为什

么会形成一明一暗的条纹呢？一个思想渐渐地在杨的脑海里成型：用波来解释不是很简单

吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同相”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，

结果造成了两倍光亮的效果（就好像有两个人同时在左边或者右边拉你）；而黑暗的那些

条纹，则一定是两道光处于“反相”，它们的波峰波谷相对，正好互相抵消了（就好像两

个人同时在两边拉你）。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已，他马上着手进行了一

系列的实验，并于1801年和1803年分别发表论文报告，阐述了如何用光波的干涉效应来解

释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据，计算出了光的波长应该在1/36000至

1/60000英寸之间。

在1807年，杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，

并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。后来的历史证明，这个实

验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列，而在今天，它已经出现在每一本

中学物理的教科书上。

杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个

点光源（从一个点发出的光源）。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两

道平行的狭缝。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，这就是现在众人皆知的干涉条纹。

杨的著作点燃了革命的导火索，物理史上的“第二次微波战争”开始了。波动方面军在经

过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不是好过的，在

微粒大军仍然一统天下的年代，波动的士兵们衣衫褴褛，缺少后援，只能靠游击战来引起

人们对它的注意。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合

逻辑”，在近20年间竟然无人问津。杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表，只好

印成小册子，但是据说发行后“只卖出了一本”。

不过，虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中，一开始并不把起义的波动叛乱分

子放在眼睛里。但他们很快就发现，这些反叛者虽然人数不怎么多，服装并不那么整齐，

但是他们的武器却今非昔比。在受到了几次沉重的打击后，干涉条纹这门波动大炮的杀伤

力终于惊动整个微粒军团。这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿，几乎无法反

驳。无论微粒怎么样努力，也无法躲开对手的无情轰炸：它就是难以说明两道光叠加在一

起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的：两个小孔距离屏幕上某点的距

离会有所不同。当这个距离是波长的整数值时，两列光波正好互相加强，就形成亮点。反

之，当距离差刚好造成半个波长的相位差时，两列波就正好互相抵消，造成暗点。理论计

算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。

在节节败退后，微粒终于发现自己无法抵挡对方的进攻。于是它采取了以攻代守的战略。

许多对波动说不利的实验证据被提出来以证明波动说的矛盾。其中最为知名的就是马吕斯

（Etienne　Louis　Malus）在1809年发现的偏振现象，这一现象和已知的波动论有抵触的

地方。两大对手开始相持不下，但是各自都没有放弃自己获胜的信心。杨在给马吕斯的信

里说：“……您的实验只是证明了我的理论有不足之处，但没有证明它是虚假的。”

决定性的时刻在1819年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛

。竞赛的题目是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情

况。竞赛评委会由许多知名科学家组成，这其中包括比奥（J。B。Biot）、拉普拉斯

（Pierre　Simon　de　Laplace）和泊松（S。D。Poission），都是积极的微粒说拥护者。组

织这个竞赛的本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动，以打击波动理论。

但是戏剧性的情况出现了。一个不知名的法国年轻工程师——菲涅耳（Augustin　Fresnel

，当时他才31岁）向组委会提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。在这篇论文里

，菲涅耳采用了光是一种波动的观点，但是革命性地认为光是一种横波（也就是类似水波

那样，振子作相对传播方向垂直运动的波）而不像从胡克以来一直所认为的那样是一种纵

波（类似弹簧波，振子作相对传播方向水平运动的波）。从这个观念出发，他以严密的数

学推理，圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。他的体系完

整而无缺，以致委员会成员为之深深惊叹。泊松并不相信这一结论，对它进行了仔细的审

查，结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间将会出现一个亮斑。这在

泊松看来是十分荒谬的，影子中间怎么会出现亮斑呢？这差点使得菲涅尔的论文中途夭折

。但菲涅耳的同事阿拉果（Fran？ois　Arago）在关键时刻坚持要进行实验检测，结果发现

真的有一个亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置亮度和理论符合得相当完

美。

菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖

（Grand　Prix），同时一跃成为了可以和牛顿，惠更斯比肩的光学界的传奇人物。圆盘阴

影正中的亮点（后来被相当有误导性地称作“泊松亮斑”）成了波动军手中威力不下于干

涉条纹的重武器，给了微粒势力以致命的一击。起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领

域，把微粒从统治的地位赶了下来，后者在严厉的打击下捉襟见肘，节节溃退，到了19世

纪中期，微粒