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漫谈光与物理学

作者:徐岩 栏目:2019年-4期 文章驿站

物理学是最早的科学,它几乎贯穿了人类的文明史,因此短短一小时我不可能把其全部呈现给大家,因此呢,我选择一个重要的时间节点,通过一些人和一些重要事件,揭开物理学的神秘面纱。

我选择的重要时间节点就是十九世纪末二十世纪初,那时物理学家们开始相信,这个世界的所有基本原理都已经被发现,物理学已经尽善尽美,它走到了自己的极限和尽头,再也不可能有任何突破性的进展了,如果说还有什么要做的事情,那就是做一些细节上的修正和补充,更加精确地测量一些常数值罢了。正因为如此,普朗克的大学导师祖利劝普朗克说:“物理学的体系非常成熟和完整了,没有什么重大发现可以做出了,不必把时间浪费在这个没有多大意义的工作上面。”然而真的如大家认为的那样吗?

1900427日,伦敦的天气还是有一些阴冷,马路边的咖啡店里,人们兴致勃勃地谈论着当时正在巴黎举办的万国博览会。街上的报童在大声叫卖报纸,那上面正在讨论中国义和团运动最新的局势进展以及各国在北京使馆人员的状况。相比之下,在阿尔伯马尔街皇家研究所举行的报告会就没有多少人注意了。然而这却是影响物理学发展的一件大事,欧洲有名的科学家都赶来这里,聆听那位德高望重,然而却以顽固出名的老头子——开尔文男爵的发言。开尔文的这篇演讲名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。后来,这个演讲被表述为:在物理学阳光灿烂的天空漂浮着两朵小乌云。这两朵小乌云分别指经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题,再具体一些,指的是人们在迈克尔逊-莫雷实验(这是一个非常失败的实验,原本是要进行一年的研究,可是实验仅仅进行了四天就宣告失败,因为当时的实验结果与理论相悖)和黑体辐射研究中的困境。千万不要小瞧这次演讲,他开启了物理学研究的新篇章,爱因斯坦说:发现问题比解决问题更重要,然而提出问题的重要价值绝不低于发现问题,这两个问题直接导致了后来的相对论革命和量子物理论革命的爆发。 

细细端详一下这两朵小乌云,其背后都指向了一个物理问题:“光”到底是什么?

对光的认识最早来自《圣经》,在《创世纪》中写道:神说要有光,于是就有了光。我是一个无神论者,我不信神和上帝,但是《圣经》的论述着实让我惊讶,想一想我们今天的“大爆炸”理论吧,二者如出一辙,这岂不让我们惊叹这部著作的伟大。

《长青哲学》中说:人类存在的意义就是洞识这个世界的本源,对此我深信不疑。上帝创造了光,可是让人懊恼的是,他并没有告诉人们“光”是什么?但人类是充满好奇心的,具有了认知这个世界的理性之后,他就开始探寻这个世界的一切秘密,我想这就是科学发展的源泉吧,物理学也就是这样产生的,而这也正是人类命运的归宿。

之后人们对光的认识经历了从理性推理到实验探究的过程。在此我不得不说我国在光学研究上的成就,在我国的宋末元初赵友钦在《革象新书》中就记载了对光的研究,其中的《小罅光景》通过一系列实验,系统的论述了小孔成像的理论,但令人遗憾的是,我们仅仅是实验探究了一些自然现象,并没有深入探究“光”的本质。

我们常常会骄傲地宣称,我们拥有五千年的文化,确实,我们的文化历史源远流长,绚丽多彩,这使得我们骄傲,但是我们要知道,我们直接从祖先身上继承下来的是生物基因,而不是文化基因。决定一个民族兴衰的不是生物基因而是文化基因,因此与其大谈祖先的文明史,不如脚踏实地的学习祖先的文化。

对“光”的本质第一个系统论述的是牛顿,他第一个做出了光的色散实验,弄明白原来白光不是最单纯的光,白光是由七种颜色的光混合而成。那时有截然不同的两种观点,一种认为光是粒子,一种认为光是波,牛顿当时也没有确定观点,但是他的对手胡克等人认为是波,于是他依然站在了对立面,经过“处心积虑”的钻研,他拿出了最有力的武器,驳倒了对手,而由于其在力学上的光环,这一理论统治物理学界100多年。这个事实告诉我们,迷信权威是多么的可怕。说到这一点,我们不得不提一提莱布尼兹,大家都知道,在微积分的发明问题上二者各执一词,但有一点大家可能不知道,其实莱布尼兹的微积分符号比牛顿的更简单易用,所以当时整个欧洲都采用了莱布尼兹的符号,包括我们今天用的也是莱布尼兹的。但英国处于民族主义,坚持使用牛顿符号,使得英国和欧洲大陆之间科学交流受到了严重的阻碍。一百多年后,英国实在绷不住了,才放弃了难用的牛顿符号,改用莱布尼兹的。这一百多年死要面子给英国学术的发展造成了巨大的损失。

牛顿拉开了光是波还是粒子的战争序幕,并且在第一次战争中完胜。1807年托马斯·杨出版《自然哲学讲义》,提出双缝干涉实验,证明光为波,引发第二次波粒战争。

1818年法国科学院发起一个悬赏征文竞赛,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的运动情况。评委会的本意是以此来打击光的波动理论,然而历史和他们开了一个玩笑。一个不知名的法国年轻工程师——菲涅尔向组委会提交了一篇论文,论文里菲涅尔采用光是波动的观点,并以严密的数学推理,极为圆满地解释了光的衍射问题。当时的评委泊松并不相信这一理论,并提出如果按照这个观点,若是圆盘衍射,在阴影的中央会出现一个亮斑。这在泊松看来是十分荒谬的,但另一位评委阿拉果坚持要用实验检测,结果发现真的有一个亮斑奇迹般地出现在圆盘阴影中心。菲涅尔理论的胜利,成了第二次波粒战争的决定性事件。1856年麦克斯韦提出最伟大的方程组,他假设光是电磁波,第二场波粒战争波胜。

历史来到二十世纪初,又一位伟大的物理学家爱因斯坦横空出世。在“光电效应”的研究中,他提出“光量子”的概念,这再次拉开“光”是波还是粒子的战争。其实在他之前,普朗克在对黑体辐射的研究中提出了“量子”的概念,他已打开了“量子”的潘多拉魔盒。

在这一伟大的历史时刻,一位可以载入物理学史册的商人走上了物理学研究的舞台,他就是索尔维。少年时代,索尔维对化学和物理特别感兴趣,可惜当年因病错过了大学。他后来发明了一种制造苏打的新方法,并靠此发了财。虽然他自己错过了投身于科学的青春年华,但索尔维依然对科学非常关心,于是他提议,由他出资召开一次会议,让普朗克、洛伦兹、爱因斯坦这样最出色的物理学家汇聚一堂,讨论最前沿的科学问题。

1911年第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开,24位杰出的物理学家参加这次会议。在出席会议的人中间有一位叫卢瑟福,他被称为幼儿园园长——诺贝尔奖幼儿园的园长。不但他本人获得了1908年化学诺贝尔奖,他的学生如玻尔等12人先后获得了物理或化学的诺贝尔奖,这在物理学史上堪称一段佳话。参加这次会议的还有一位了不起的女性居里夫人,居里夫人是唯一一位既获得诺贝尔物理学奖又获得化学奖的人,同时居里夫人一家五人获得诺贝尔奖,这绝对是空前绝后的。此次会议的秘书是莫里斯·德布罗意公爵,他有一个聪明绝顶的弟弟,后来成为量子物理学重要的奠基人。由于这次大会研究的是神秘的量子,后人把这次大会称作“巫师盛会”。索尔维会议,之后开了多次,最为有名的恐怕就是第五届了,因为在参会29人中,有17人获得了诺贝尔奖。

一个国家富人的价值理念关乎这个国家的前途与命运,正是有索尔维这样的富人,才使得20世纪欧洲科学迅猛发展,这条铁律值得今天的我们深思。

在爱因斯坦之后,玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔等一大批科学家投身到了量子物理学的研究之中,由于这些科学家在做出重要贡献的时候都很年轻,所以量子物理学又被称为男孩物理学。

1905年爱因斯坦提出光量子理论时26岁;1913年玻尔提出原子结构时28岁;1923年德布罗意提出相波理论时31岁;1925年泡利提出不相容原理时25岁,这一年狄拉克23岁、乌伦贝尔25岁、古兹密特23岁、约尔当23岁、海森堡24岁,之后提出波动方程的薛定谔是大龄,但也不过35岁。

时至今日,量子物理学的大厦依然没有竣工,量子纠缠的问题始终困扰着一代又一代物理学家,今天的物理学再次呼唤像牛顿那样的神人出现。在最后,我们要回答一下光是什么的问题?在我看来,光就是光,所谓的光是波、光是粒子、光是波粒二象性,这都是人类用自己的经验建构的,其实物理学就是人们用自己的经验来理解这个世界的学科。

最后送给大家三句话:

1、人类存在的意义就是洞识世界的本源,别让世俗利益蒙蔽了我们好奇的心灵。

2、失败并不可怕,关键是在失败中我们得到了什么?

3、文化基因的传承远比生物基因的传承重要。


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