那時的物理學(xué)已有兩座大樓（不必細說了）的光芒籠罩,幾

1、    我們的飯后閑話就從18世紀的量子物理開始說起，那時的物理學(xué)已有兩座大樓（不必細說了）的光芒籠罩，幾乎所有的物理學(xué)家都認為，物理的體系已經(jīng)建立得非常成熟和完整了，沒有什么大的發(fā)現(xiàn)可以做出了，不必再花時間浪費在這個沒有多大意義的工作上面，但是，正如大家所知，烏云來了。    就當(dāng)是小序吧    如果要評選物理學(xué)發(fā)展史上最偉大的那些年代，那么有兩個時期是一定會入選的：17世紀末和20世紀初。前者以牛頓自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理的出版為標(biāo)志，宣告了現(xiàn)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論和量子論，并最

2、徹底地推翻和重建了整個物理學(xué)體系。所不同的是，今天當(dāng)我們再談?wù)撈鹋ｎD的時代，心中更多的已經(jīng)只是對那段光輝歲月的懷舊和祭奠；而相對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。    引用一句話“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！?#160;   飯后閑話物理學(xué)1以太與黃金時代    “以太”一詞的由來則早在古希臘：亞里士多德在論天一書里闡述了他對天體的認識。他認為日月星辰圍繞著地球運轉(zhuǎn)，但其組成卻不同與地上的四大元素水火氣土。天上的事物應(yīng)該是完美無缺

3、的，它們只能由一種更為純潔的元素所構(gòu)成，這就是亞里士多德所謂的“第五元素”以太（希臘文的）。而自從這個概念被借用到科學(xué)里來之后，以太在歷史上的地位可以說是相當(dāng)微妙的，一方面，它曾經(jīng)扮演過如此重要的角色，以致成為整個物理學(xué)的基礎(chǔ)；另一方面，當(dāng)它榮耀不再時，也曾受盡嘲笑。雖然它不甘心地再三掙扎，改換頭面，賦予自己新的意義，卻仍然逃不了最終被拋棄的命運，甚至有段時間幾乎成了偽科學(xué)的專用詞。但無論怎樣，以太的概念在科學(xué)史上還是占有它的地位的，它曾經(jīng)代表的光媒以及絕對參考系，雖然已經(jīng)退出了舞臺，但直到今天，仍然能夠喚起我們對那段黃金歲月的懷念。它就像是一張泛黃的照片，記載了一個貴族光榮的過去。今天，以太

4、（Ether）作為另外一種概念用來命名一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Ethernet），看到這個詞的時候，是不是也每每生出幾許慨嘆？向以太致敬。飯后閑話物理學(xué)2物理冤家    說完以太，說說我們物理學(xué)史上最有意思的兩個人吧，一個是我們所熟知的大牛牛糞先生，還有一個是我們的彈簧先生胡克船長！令我們熟知的是，這兩個人既是朋友又是冤家，這真是有趣，兩個人在關(guān)于光本質(zhì)與平方反比定律上的爭執(zhí)，也算是物理學(xué)史上的一個趣聞吧    胡克和牛頓在歷史上也算是一對歡喜冤家。兩個人都在力學(xué)，光學(xué)，儀器等方面有著偉大的貢獻。兩人互相啟發(fā)，但是之間也存在著不少的爭論。除了關(guān)

5、于光本性的爭論之外，他們之間還有一個爭執(zhí)，那就是萬有引力的平方反比定律究竟是誰發(fā)現(xiàn)的問題。胡克在力學(xué)與行星運動方面花過許多心血，他深入研究了開普勒定律，于1964年提出了行星軌道因引力而彎曲成橢圓的觀點。1674年他根據(jù)修正的慣性原理，提出了行星運動的理論。1679年，他在寫給牛頓的信中，提出了引力大小與距離的平方成反比這個概念，但是說得比較模糊，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 reciproc

6、al）。在牛頓的原理出版之后，胡克要求承認他對這個定律的優(yōu)先發(fā)現(xiàn)，但牛頓最后的回答卻是把所有涉及胡克的引用都從原理里面給刪掉了。應(yīng)該說胡克也是一位偉大的科學(xué)家，他曾幫助波義耳發(fā)現(xiàn)波義耳定律，用自己的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了植物的細胞，他在地質(zhì)學(xué)方面的工作（尤其是對化石的觀測）影響了這個學(xué)科整整30年，他發(fā)明和制造的儀器（如顯微鏡、空氣唧筒、發(fā)條擺輪、輪形氣壓表等）在當(dāng)時無與倫比。他所發(fā)現(xiàn)的彈性定律是力學(xué)最重要的定律之一。在那個時代，他在力學(xué)和光學(xué)方面是僅次于牛頓的偉大科學(xué)家，可是似乎他卻永遠生活在牛頓的陰影里。今天的牛頓名滿天下，但今天的中學(xué)生只有從課本里的胡克定律（彈性定律）才知道胡克的名字，胡克死前已

7、經(jīng)變得憤世嫉俗，字里行間充滿了挖苦。他死后連一張畫像也沒有留下來，據(jù)說是因為他“太丑了”。紀念一下在牛人的光輝籠罩下的胡克船長吧 飯后閑話物理學(xué)3微粒與波動的戰(zhàn)爭（從楊說起）    這節(jié)說說那位又冷門又炙手的托馬斯楊    無論如何，可能是由于那位牛人的作用吧，在微粒與波動的第一次交鋒中，以牛頓為首的微粒說戰(zhàn)勝了波動，取得了在物理上被普遍公認的地位。牛頓體系的地位崇高至極，令人不禁有一種目眩的感覺。而他所提倡的光是一種粒子的觀念也已經(jīng)是如此地深入人心，以致人們幾乎都忘了當(dāng)年波動的存在。然而1773年的6月13日，英國米爾沃頓

8、（Milverton）的一個教徒的家庭里誕生了一個男孩，叫做托馬斯 楊（Thomas Young）。這個未來反叛派領(lǐng)袖的成長史是一個典型的天才歷程，他兩歲的時候就能夠閱讀各種經(jīng)典，6歲時開始學(xué)習(xí)拉丁文，14歲就用拉丁文寫過一篇自傳，到了16歲時他已經(jīng)能夠說10種語言，并學(xué)習(xí)了牛頓的數(shù)學(xué)原理以及拉瓦錫的化學(xué)綱要等科學(xué)著作。楊19歲的時候，受到他那當(dāng)醫(yī)生的叔父的影響，決定去倫敦學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。在以后的日子里，他先后去了愛丁堡和哥廷根大學(xué)攻讀，最后還是回到劍橋的伊曼紐爾學(xué)院終結(jié)他的學(xué)業(yè)。在他還是學(xué)生的時候，楊研究了人體上眼睛的構(gòu)造，開始接觸到了光學(xué)上的一些基本問題，并最終形成了他的光是波動的想法。楊的這個

9、認識，是來源于波動中所謂的“干涉”現(xiàn)象。托馬斯 楊在研究牛頓環(huán)的明暗條紋的時候，被這個關(guān)于波動的想法給深深打動了。為什么會形成一明一暗的條紋呢？一個思想漸漸地在楊的腦海里成型：用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，那是因為兩道光正好是“同相”的，它們的波峰和波谷正好相互增強，結(jié)果造成了兩倍光亮的效果；而黑暗的那些條紋，則一定是兩道光處于“反相”，它們的波峰波谷相對，正好互相抵消了。這一大膽而富于想象的見解使楊激動不已，他馬上著手進行了一系列的實驗，并于1801年和1803年分別發(fā)表論文報告，闡述了如何用光波的干涉效應(yīng)來解釋牛頓環(huán)和衍射現(xiàn)象。甚至通過他的實驗數(shù)據(jù)，計算出了光的波長應(yīng)該在1/3600

10、0至1/60000英寸（單位問題就不多說了）之間。在1807年，楊總結(jié)出版了他的自然哲學(xué)講義，里面綜合整理了他在光學(xué)方面的工作，并在里面第一次描述了他那個名揚四海的實驗：光的雙縫干涉。后來的歷史證明，這個實驗完全可以躋身于物理學(xué)史上最經(jīng)典的前五個實驗之列，它的用途，已經(jīng)遠遠超出當(dāng)時的實驗意義，而在今天，它已經(jīng)出現(xiàn)在每一本中學(xué)物理的教科書上。（雙縫干涉：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源。現(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。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，這就是現(xiàn)在眾人皆知的干涉條紋。）但是楊的論文開始

11、時受盡了權(quán)威們的嘲笑和諷刺，被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”，在近20年間竟然無人問津。楊為了反駁專門撰寫了論文，但是卻無處發(fā)表，只好印成小冊子，但是據(jù)說發(fā)行后“只賣出了一本”。（這便是他的冷門之處）    不過，雖然高傲的微粒仍然沉醉在牛頓時代的光榮之中，一開始并不把起義的波動叛亂分子放在眼睛里。但他們很快就發(fā)現(xiàn)，這些反叛者雖然人數(shù)不怎么多，服裝并不那么整齊，但是他們的武器卻今非昔比。在受到了幾次沉重的打擊后，干涉條紋這門波動大炮的殺傷力終于驚動整個微粒軍團。這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現(xiàn)象證據(jù)確鑿，幾乎無法反駁。無論微粒怎么樣努力，也無法躲開對手的無情轟炸：它

12、就是難以說明兩道光疊加在一起怎么會反而造成黑暗。而波動的理由卻是簡單而直接的：兩個小孔距離屏幕上某點的距離會有所不同。當(dāng)這個距離是波長的整數(shù)值時，兩列光波正好互相加強，就形成亮點。反之，當(dāng)距離差剛好造成半個波長的相位差時，兩列波就正好互相抵消，造成暗點。理論計算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。    在節(jié)節(jié)敗退后，微粒終于發(fā)現(xiàn)自己無法抵擋對方的進攻。于是它采取了以攻代守的戰(zhàn)略。許多對波動說不利的實驗證據(jù)被提出來以證明波動說的矛盾。其中最為知名的就是馬呂斯（Etienne Louis Malus）在1809年發(fā)現(xiàn)的偏振現(xiàn)象，這一現(xiàn)象和已知的波動論有抵觸的地方。兩大

13、對手開始相持不下，但是各自都沒有放棄自己獲勝的信心。楊在給馬呂斯的信里說：“您的實驗只是證明了我的理論有不足之處，但沒有證明它是虛假的。”（他如此炙手，又是一個牛人啊）飯后閑話物理學(xué)4偉大而又渺小    這是一次決戰(zhàn)，這是微粒的滑鐵盧，這是波動的1949！而這里面的領(lǐng)袖，就是我們偉大而渺小的菲涅耳    1819年到來了。最后的決戰(zhàn)起源于1818年法國科學(xué)院的一個懸賞征文競賽。競賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應(yīng)以及推導(dǎo)光線通過物體附近時的運動情況。競賽評委會由許多知名科學(xué)家組成，這其中包括比奧（J.B.Biot）、拉普拉斯（P

14、ierre Simon de Laplace）和泊松（S.D.Poission），都是積極的微粒說擁護者。組織這個競賽的本意是希望通過微粒說的理論來解釋光的衍射以及運動，以打擊波動理論。    但是戲劇性的情況出現(xiàn)了。一個不知名的法國年輕工程師菲涅耳（Augustin Fresnel，當(dāng)時他才31歲）（如此渺小）向組委會提交了一篇論文關(guān)于偏振光線的相互作用。在這篇論文里，菲涅耳采用了光是一種波動的觀點，但是革命性地認為光是一種橫波（也就是類似水波那樣，振子作相對傳播方向垂直運動的波）而不像從胡克以來一直所認為的那樣是一種縱波（類似彈簧波，振子作相對傳播方向水平運動

15、的波）。從這個觀念出發(fā)，他以嚴密的數(shù)學(xué)推理，圓滿地解釋了光的衍射，并解決了一直以來困擾波動說的偏振問題。他的體系完整而無缺，以致委員會成員為之深深驚嘆。泊松并不相信這一結(jié)論，對它進行了仔細的審查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)把這個理論應(yīng)用于圓盤衍射的時候，在陰影中間將會出現(xiàn)一個亮斑。這在泊松看來是十分荒謬的，影子中間怎么會出現(xiàn)亮斑呢？這差點使得菲涅爾的論文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果（Fran?ois Arago）在關(guān)鍵時刻堅持要進行實驗檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的有一個亮點如同奇跡一般地出現(xiàn)在圓盤陰影的正中心，位置亮度和理論符合得相當(dāng)完美。菲涅爾理論的這個勝利成了第二次微波戰(zhàn)爭的決定性事件。他獲得了那一屆的科學(xué)獎（G

16、rand Prix），同時一躍成為了可以和牛頓，惠更斯比肩的光學(xué)界的傳奇人物（偉大?。?。圓盤陰影正中的亮點（后來被相當(dāng)有誤導(dǎo)性地稱作“泊松亮斑”）成了波動軍手中威力不下于干涉條紋的重武器，給了微粒勢力以致命的一擊。起義者的烽火很快就燃遍了光學(xué)的所有領(lǐng)域，把微粒從統(tǒng)治的地位趕了下來，后者在嚴厲的打擊下捉襟見肘，節(jié)節(jié)潰退，到了19世紀中期，微粒說挽回戰(zhàn)局的唯一希望就是光速在水中的測定結(jié)果了。因為根據(jù)粒子論，這個速度應(yīng)該比真空中的光速要快，而根據(jù)波動論，這個速度則應(yīng)該比真空中要慢才對。然而不幸的微粒軍團終于在1819年的莫斯科嚴冬之后，又于1850年迎來了它的滑鐵盧。這一年的5月6日，傅科（Fouc

17、ault，他后來以“傅科擺”實驗而聞名）向法國科學(xué)院提交了他關(guān)于光速測量實驗的報告。在準(zhǔn)確地得出光在真空中的速度之后，他也進行了水中光速的測量，發(fā)現(xiàn)這個值小于真空中的速度。這一結(jié)果徹底宣判了微粒說的死刑，波動論終于在100多年后革命成功，登上了物理學(xué)統(tǒng)治地位的寶座。    閑話：但是波動內(nèi)部還是有一個小小的困難，就是我們第一節(jié)說的以太的問題。光是一種橫波的事實已經(jīng)十分清楚，它傳播的速度也得到了精確測量，這個數(shù)值達到了30萬公里/秒，是一個驚人的高速。通過傳統(tǒng)的波動論，我們必然可以得出它的傳播媒介的性質(zhì)：這種媒介必定是十分地堅硬，比最硬的物質(zhì)金剛石還要硬上不知多少倍

18、。然而事實是從來就沒有任何人能夠看到或者摸到這種“以太”，也沒有實驗測定到它的存在。星光穿越幾億億公里的以太來到地球，然而這些堅硬無比的以太卻不能阻擋任何一顆行星或者彗星的運動，哪怕是最微小的也不行！波動對此的解釋是以太是一種剛性的粒子，但是它卻是如此稀薄，以致物質(zhì)在穿過它們時幾乎完全不受到任何阻力，“就像風(fēng)穿過一小片叢林”（托馬斯 楊語）。以太在真空中也是絕對靜止的，只有在透明物體中，可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假說）。）    其實以太的觀點是十分牽強的，但是波動說并沒有為此困惑多久。因為更加激動人心的勝利很快就到來了。偉大的麥克斯韋于1856，1861

19、和1865年發(fā)表了三篇關(guān)于電磁理論的論文，這是一個開天辟地的工作，它在牛頓力學(xué)的大廈上又完整地建立起了另一座巨構(gòu)，而且其輝煌燦爛絕不亞于前者。麥克斯韋的理論預(yù)言，光其實只是電磁波的一種。這段文字是他在1861年的第二篇論文論物理力線里面特地用斜體字寫下的。波動說突然發(fā)現(xiàn)，它已經(jīng)不僅僅是光領(lǐng)域的統(tǒng)治者，而是業(yè)已成為了整個電磁王國的最高司令官。波動的光輝到達了頂點，只要站在大地上，它的力量就像古希臘神話中的巨人那樣，是無窮無盡而不可戰(zhàn)勝的。而它所依靠的大地，就是麥克斯韋不朽的電磁理論。    看看這兩座大樓吧！麥?zhǔn)戏匠?！牛頓定律！    飯后閑話物理學(xué)遺憾    說實話物理學(xué)史上的遺憾還真不少，但有些遺憾是該談?wù)劻耍?/p>