遇事不决，量子力学——上帝掷骰子吗？

遇事不决，量子力学

今年的物理学奖，颁给了研究量子纠缠和量子信息科学领域的三位学者，再次炒热话题，其实量子概念诞生已经超过100年了，但其思想太过诡异，以至于很多人学到量子物理时，会产生懂了但好像又没懂的错觉，正如量子论的奠基人玻尔所说，“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

人类群星闪耀时

近几百年来，人类在科学上的发展，远远超过之前数千年所取得的成就，在物理学中，如果一定要选择那些群星璀璨大人物闪耀的时期，那么17世纪末和20世纪初一定是最不可错过的年代，前者以牛顿的《自然哲学之数学原理》为标志，宣告近代经典物理学的创立；

后者则推翻并重建了牛顿所创建的物理学体系，开启了相对论与量子论的时代，多位物理学史的大牛神仙打架，人类在科学上的发展也通过他们的争论得以进入一个快速迸发的黄金时代，故事可以从1887年德国小城市卡尔斯鲁厄讲起。

彼时这个坐落于莱茵河东岸的德意志城市，在俾斯麦手上得以复兴，一位年轻的讲师海因里希·鲁道夫·赫兹，受老师赫尔姆霍兹的启发，正在卡尔斯鲁厄大学实验室里埋头研究电磁理论，当时德国物理届认为电力与磁力可瞬时传送，赫兹自己做了一套电磁波发生器，每当发生器火花放电时，在两个铜球间会产生一个振荡的电场，并引发一个向外传播的电磁波。

电磁与光

赫兹的实验，证实了继牛顿之后物理学又一标志性高峰——电磁理论创立，英国科学家法拉第首次发现电磁感应现象，麦克斯韦构造了电磁学的主体，赫兹实证了麦克斯韦预言的电磁波，没有电磁学就没有现代电工学，更不会有现代文明电脑这些科技产物诞生。

牛顿、法拉第、麦克斯韦

为了进一步论证自己的想法，赫兹将接收器挪到不同位置，测算出电磁波的波长，在乘上振荡频率即为电磁波速度——30万公里/秒，也就是光速，这一实验预示着光也是电磁波的一种，只不过普通光的频率恰好落到了我们人眼可以观测到的范围罢了。

有了以上结论，光学也可被纳入初生的电磁学领域，即“光是电磁波的一种”，这一论断拉开了量子物理学黄金时代的序幕，双方即将展开旷日持久的论战；接下来电磁波的反射、衍射和干涉实验出炉，进一步证实电磁波与光波的一致性；七年后，赫兹英年早逝，他的名字成为“频率”的单位。在进入量子理论之前，我们需要回顾物理学前一次关于光的辩论。

微粒说和波动说

课本上很笼统地告诉我们光的“波粒二象性”，既具有波动特性，又具有粒子特性，但这简简单单的一句话背后纷争可以追溯到牛顿时期，17世纪中期，大家对光本质的讨论提出了两种假说——微粒说和波动说，不过大陆理性主义哲学开拓者笛卡尔很平淡的介绍了两种假说，此时火药味还不足。

第一次“波粒战争”始于波义耳（气体压强波义耳定律），他认为人眼看到的颜色并非物体本身的属性，而是光照的效果；格里马第（电磁波衍射的发现者）认为光的颜色因频率不同引发的，1663年，英国皇家学会的胡克（材料弹性胡克定律）支持格里马第，并强烈支持光的波动说，此刻波在欧洲占据上风。

1672年，当时年仅29岁的牛顿，因发明反射望远镜，成为皇家学会的一员，受到日后争执人物莱布尼茨的关注，牛顿透过三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发现光的色散原理；胡克和波义耳担任研究成果的评审，胡克声称牛顿关于光色彩复合是偷了他的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不值一提，仅仅是“假说”而已。

波粒战争

在牛顿最初观点中，光的微粒说仅仅只是个假设，在胡克批判后，牛顿索性就一面倒地站微粒说，1675年，牛顿让光通过大曲率凸透镜，照射到光学平玻璃板上，出现了一组彩色的同心环条纹（牛顿环）；荷兰科学家惠更斯也加入了论战，十五年后的1690年，惠更斯受这些光的讨论与实验启发写下《光论》，进一步阐释光的波动理论。

牛顿在胡克去世后的第二年（1704年），发表了他的煌煌巨著《光学》，此刻正反双方已经就位，第一次“波粒战争”打响。在这本光学的奠基之作中，牛顿除了上述的薄膜透光、牛顿环现象、光的反射定律和折射定律外，还着重强调认为光是一种微粒流。

牛顿反对胡克和惠更斯的波动理论。牛顿说光源里有微粒射出，这些微粒在均匀介质内遵从力学定律作等速直线运动，故光的微粒说。此后的100年里，因为《自然哲学的数学原理》微积分以及力学的光环，牛顿的《光学》都无人可质疑，第一次“波粒战争”以牛顿微粒学大胜告终，此后一个世纪波动说都难以服众。

“小心眼”的牛顿

在波粒战争中，牛顿的“小心眼”早有体现，当他遇到胡克如此严厉的指控，牛顿勃然大怒，事后花了四个月写了篇洋洋洒洒的“大作文”炮轰胡克，对胡克一字一句进行反驳，全文四处是胡克的名字，双方已然成为死敌，只不过当时牛顿很年轻。事实证明，人绝非完人，牛顿爵士也无法做到面面俱到，1703年也就是胡克去世的那一年，牛顿成为英国皇家学会会长，兼任皇家铸币厂厂长和督办。

当他执英国皇家学会牛耳时，可以利用自己的权力去打压其他学说。本来牛顿对微粒说一开始也不咋认可，就是个假设，但在胡克攻击他后，牛顿彻底站在对立面，后世的人们对牛顿这一行为各有各的看法，有可能是牛顿“小心眼”，也有可能是他真的认可微粒说，或者二者兼有之。

大部分中学生都是通过弹性基本定理胡克定律来了解他，但胡克在力学、光学、仪器等方面均贡献巨大，帮助波义耳发现波义耳定律，他的《显微术》一书中，为细胞（Cell）取名，致力于光学仪器的创制，并且亲自主持1666年伦敦大火后的城市重建工作，在胡克牛顿二人信件关于引力问题的讨论中，牛顿一时把引力看做是不随距离而变化的常量，胡克纠正了牛顿的错误，二人结下梁子，晚年胡克境遇凄凉，如此伟大的科学家竟然没有留下一张画像......

百年后的反击

第一次波粒战争以牛顿微粒说完胜告终，一个世纪后，此时牛顿已经去世，人们才意识到百年前的科学家居然一人作出如此多的贡献，恐怕历史上也只有亚里士多德留下如此多的学问；1773年，英国米尔沃顿一位天才男孩托马斯·杨诞生，6岁学习拉丁文，16岁时可以说十种语言，拥有异于常人的语言天赋，托马斯·杨日后破译了埃及罗塞塔碑上的神秘古埃及象形文字，并成为埃及学正式创立的奠基人之一。

不过我们并不关心杨在其他领域的建树，1792年，杨前往伦敦学习医学，接触到了人体眼睛的构造以及光学，杨在光学突破来自于波的“干涉”现象，波有波峰与波谷，当两列波相遇时，如果波峰对波峰，那么波就会叠加到二倍峰值，如果波峰对波谷，那么会互相抵消，有了这个想法，他再看百年前牛顿环的明暗条纹，托马斯·杨弈下子悟了，环上明亮的地方就是两道光波峰相遇“同相”，暗的地方即为反相，波峰波谷抵消。

1803年，在胡克去世一百年后，杨发表论文阐释如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象，杨甚至计算出了光的波长应该在1/60000～1/36000英寸之间，这个实验也就是我们课本上托马斯·杨光的双缝干涉实验，点光源通过一个开了小孔的纸，然后再在后面放上第二张开了两道平行狭缝的纸，从小孔中射出的光透过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明暗交替的干涉条纹。

但就像科学史上无数有趣的瞬间一样，托马斯·杨的成果并没有引起多少人的注意，毕竟微粒说是已经封神牛顿爵士的理论，医学生托马斯·杨的偶然发现受尽了物理学界的嘲笑讥讽，若干年后课本选修3-4的内容在当时被视作“荒唐”的闹剧。不过“真理”总是难以掩盖的，用微粒说无法解释明暗相见的条纹，观察后的直觉确实完美符合波动说。