[奇思妙想] 是粒子？还是波？！（大话物理）

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浑狱弥

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第一章

Chang & Heavy Ion holic

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发表于 2012-9-9 00:59:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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这种标题一看就是和有名的萌物光有关的，“光是什么？”对于物理人而言这和哲学人心中的三个终极问题是一样的。探究“光是什么？”的过程就是认识世界的过程。也难怪史上各种牛人为此竞折腰。

身先士卒的人物一向和秉承“天地和谐”的天朝人分不开，子墨子带领墨家军在400 B.C 就着手于空气中的直线传播，“景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下”小孔成像的实验解释可称精妙。经典光学历来与几何不分家，欧几里德也对光学有过研究，其在不知名编刊《光学》（optics，这是英语中光的词根）提出了将光当作类似触须的投射学说。其后爱好几何的古希腊牛人们纷纷拜倒在光之女神前。邪教教主毕达哥拉斯首次将光定义为一种从光源向四周发散的东西，这一思想被当时的一些大牛们赞同，包括欧式和柏拉图；但操纵物理学千年的亚里士多德提出的理论或许会给不少化学狂热者带来启示，人眼和物体各自发射出某种物质发生反应产生视觉；除此之外，还是有不畏科学权威的享乐者伊壁鸠鲁坚挺着，物体发出的光到达人眼。

光的衍射
时空变换，黑暗的中世纪人们也是向往着光明。占星神秘人托勒密也出了一本《光学》，此书在今看来，俨然一部几何光学仪器使用手册，有关折射率（虽然那时还没有这样定义）的测定无比准确。为光学作出突出贡献的当属基督世界外的阿拉罕，他不仅成功用解剖实验证实了伊壁鸠鲁的看法，还在折射、反射研究中小有成就。刻卜勒之后对光提出的假设与现在的几何光学非常相似，除了认为光是无色的。

对于，光究竟是何物，一直以来就争论不休。

奉行粒子说，这自然与某邪教教主是分不开的。笛卡尔同志秉承希腊传统，用粒子说的理论推衍折射定律（虽然现在我们把折射定律归于斯涅耳君），但是在其著作《折光学》中还显示这对波动说的疑虑。
对此，格里马蒂从衍射现象说明了光的波动性。胡克同学重复了格里马蒂的实验，认为光是一种快速的小振幅的振动，它以“球型脉冲“的形式向四面八方传播，而且光的颜色与频率有关。

不过对于史上第一聪明人牛顿同学来说，波动说根本是站不住脚的，尤其是克星胡克同学坚持的时候。考入三一学院的艾萨克君，从一开始就对光有着浓厚兴趣，对于光的颜色问题从粒子说推出重要结论。

不过胡克同学从来就是牛顿的实验数据巨人（关于胡克的身高问题纯属虚构），他拉着波义耳等人枪毙了牛顿同学关于光的颜色的论文。之后就是喜闻乐见的二人光学战场。

相比起胡克的冲动一时悲剧一世，波动说大当家惠更斯倒是深得哥白尼真传，学术上和牛顿惺惺相惜，不过最终在讨论中从粒子说渐渐倾向于波动说。在《光论》出版后，很萌很霸气的艾萨克君不免生气，摸清波动说的门路后从粒子说的角度写下了《光学》。此书一出，霸气外露的粒子说和牛顿定律一起开始了对物理人精神世界的统治。

牛顿环光的色散

历史风云总有变。托马斯·杨同学采用了物理人最科学的物理思维——假设、实验、理论的三部曲，使波动说重返历史舞台。著名的杨氏双缝干涉实验成为了有力的实验证据，可惜杨同学一开始的解释并不正确，被牛顿的弟子被各种抨击。拉普拉斯妖从粒子说解释双折射现象，马吕斯从偏振实验上说明“光不是纵波”让肩负历史重任的杨同学很受打击。不过坚强如他，最终提出了“光是横波”这一理论，同时启发了下一个波动说掌门人菲涅耳。原本是玩转土木工程的菲涅耳由“光是横波”，成功解释了光的反射、折射、衍射、干涉等现象。

杨氏双缝干涉实验

至此，波动说开始风靡科学界，完善其理论成为了时代的主旋律。19世纪后期，电磁学也开始进入大一统时代，数理魔人麦克斯韦从其电磁方程中预言出电磁波的存在，并且据著名爱妻号的演算及其夫人的验算，得出“光是一种电磁波”的结论。本是无人问津的理论，不过到了赫兹实验室里却是另一番景象，一系列实验都证实着电磁波的存在，而可见光只是电磁波中的一种。

旁人看来波动说正领导着物理学的大好春天，不过对于学物理的人来说，那个经典理论趋于饱和的年代和冬天没有不同。就像当年欧式几何大厦完工时，数学人的心情一样。不过历史总是在重演，人类对自然的认识怎么会比神要深刻。和欧式几何一样，我们完美无缺的波动说也是建立在公理之上的，嘛，说白了就是神之气——以太（Ether）。翻翻书，就会发现以太这种神奇的物质一直挂在物理人的嘴边。不过，就以现在的标准，以太这种萌物的出现也是极为离奇的。密度比空气小得多，而弹性切变模量却比钢大得多。排除这一点还有更神的，不同物质里的以太有不同性质。不过，物理人一向认为自然是足够神奇的，以致于这样的萌物是肯定存在的。

于是真的有人为了好玩而做了关于以太的实验，这就不得不提到对于近代物理有决定性意义的迈克尔孙—莫雷“以太漂移”实验。这实验非常精巧，虽然第一次实验没有成功。但之后的实验得出的结论非常惊人：在各个方向以太的漂移速度几乎为相同。这结论可是太离谱了，在当时轰动不小，以致于在之后的很长一段时间都有人在重复这个实验。不过在此之前，地球的另一端某专利局职员在一年内发表了三篇论文，提出用“光速不变原理”和“相对性原理”的公理来代替伽利略绝对时空观，抛弃掉恼人的以太。

迈克尔孙—莫雷“以太漂移”实验

波动说的悲剧却不是从这发家的，赫兹的实验室发生了“自打脸”的现象——光电效应。于是粒子说又重新登上历史舞台，爱因斯坦引入普朗克提出的“量子”概念，引出“光子”很好地解释了光电效应还和普朗克犹豫不决的黑体辐射结论相应。不过物理人一向是怀疑而守旧的，密立根同学本来是想反对光子说的，不过在其做了十年实验后还是倒戈向阿尔伯特君，并且公布了测得的普朗克常数。

这下子物理界又混乱了，光又是粒子，又是波。此时正是物理的大革命时代，以玻尔为首的海森堡学派，希尔伯特、波恩的格丁根，都在向着量子力学的领域进发。布罗意贵族从历史系跳槽后发表了一百多页的博士论文，简述“一切物体都具有波粒二象性”。1924年海森堡学派建立了微观粒子的矩阵力学，次年薛定谔带着自己不死不活的猫写出了薛定谔方程。而后狄拉克证明两者是等价的，并在此基础上建立了量子力学。至此，微观粒子可以看做是量子化的，其运动可用波函数描述。

量子围栏（波函数）

光是波也好，是粒子也罢，所有的一切都终止于上世纪与战火相交的岁月。

不过，事实证明，上帝之手我们是看不到的。就在不久前，中科院用量子实验证实了惠勒提出的“光亦波亦粒，非波非粒”的特点，补充了“波粒二象性”。现在对于光的认识处于和平期，不过物理世界里的乌云从没有消散去。勇敢的少男少女，大物理，需要你们创造奇迹！

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