波&粒大戰
最早就有人在思考一個問題:光到底是什麼?
其實關於光的一切都是各種學者十分關心的問題,伽利略就曾經自己操刀去測光速,結果以失敗而告終,而關於「光速」的探討直接引發了物理學的革命,也就相對論的誕生。相對論兩條基本假設之一就是光速不變原理。
而關於「光到底是什麼?」,也引發而來持續幾百年的論戰。最早的論辯雙方分別是牛頓,惠更斯,胡克等人。牛頓認為光是一種粒子,並出版了著作《光學》,而以惠更斯為代表的學者們認為光是一種波。
在這個階段的論戰當中,牛頓以壓倒性的優勢獲得了勝利,不過牛頓的取勝除了學術實力了得之外,更重要的是牛頓自身的威望。
(實際上,牛頓的影響不止這些,他去世後,圍繞著微積分的發明權之爭就導致英國數學家和歐洲數學家徹底決裂,100多年都不曾進行交流,也直接導致當時的世界學術中心從英國轉向了法國。)
而第二回合是在100多年後,當時有個叫做託馬斯楊的人,做了一個物理學史上幾乎是最有名的雙縫幹涉實驗。
在這個階段,認為光是一種波的科學家層出不窮,並且他們拿出了許多過硬的證據,尤其是最終一錘定音的人,這個人在物理學史上堪比牛頓、愛因斯坦。他就是麥克斯韋,提出了麥克斯韋方程,統一了「電」和「磁」,並預言了電磁波的存在,光是一種電磁波。
而赫茲緊隨其後,利用另一個十分著名的實驗驗證了這個理論。
(後來,大神們就利用赫茲實驗的原理搞出了無線電,其中就包括馬可尼,尼古拉·特斯拉。)
也就是說,第一回合是「粒子說」的觀念勝了,第二回合來了一把反轉,「波動說」的觀念勝了。
第三回合的對決
我們把時間推薦到19世紀末到20世紀初,當時「波動說」是主流的學術觀念。但是科學家和工程師們卻遇到了麻煩,這個麻煩就是黑體輻射。
所謂黑體,就是能夠把入射的電磁波都給吸收了,不會反射和投射。但是,由於高於絕對零度的物體都會對外輻射電磁,因此叫做黑體輻射。
不太理解沒有關係,我們可以從電燈泡說起,當時愛迪生已經對電燈泡的技術進行了改良,歐洲開始流行電燈泡。而有個叫做普朗克的科學家,就受委託研究電燈泡為什麼發黃光?
而在研究的過程中,這位科學家就發現,我們必須假設「能量並不是連續」的(這其實就和波動說矛盾,因此在「波動說」中,能量應該是連續的。),而是存在一份份最小的單位形成,而這個最小的單位也就被稱為「量子」。
而這個概念的提出正是打開了「量子力學」的潘多拉之盒,一發而不可收拾。前前後後幾十位偉大的科學家加入其中。而對於量子力學有奠基作用的有好多人,其中量子力學基石理論是不確定性原理,這是海森堡提出來的。
這種「不確定性」一直以來都讓一些科學家無法接受,而量子力學有個著名的哥本哈根學派提出了一個哥本哈根解釋。我們拿一個原子來說,我們都知道原子是由原子核和電子構成的。但是電子其實是很詭異的,它並不存在所謂的「軌道」,而是呈現概率雲的形式,也就是說,它同時存在於原子核外的這些位置。並且電子的位置和動量是無法同時被確定的。
而哥本哈根學派的宗師尼爾斯波爾在海森堡理論的基礎上提出了互補性原理,我們還拿電子來說,他認為電子是同時具有波動性和粒子性的,但是它沒有辦法同時展現出來。
對於這樣的解釋,以愛因斯坦、薛丁格為代表的一群科學家是非常排斥的。(雖然愛因斯坦、薛丁格都對量子力學作出了極為突出的貢獻。)他們還為此和波爾為首的哥本哈根學派進行論戰,在一次論戰中,愛因斯坦就對波爾說到:上帝不擲骰子。他的本意其實是這種不確定性是不合理的,是不完備的,雖然和實驗擬合得很完美。
而波爾其實當場就反擊了,他說:愛因斯坦,不要指揮上帝怎麼做。不僅愛因斯坦給波爾出難題,實際上,薛丁格在這方面也沒啥做出貢獻,著名的薛丁格的貓,就是薛丁格用來刁難波爾陣營才想出來的。(當然,這個思想實驗如今看來也存在各種問題,這裡就不贅述了。)
如今我們也知道,接近100年來的各種實驗結果都是偏向于波爾這一方的,這也才使得「不確定性原理」成為了主流科學理論。