遇事不決，量子力學——上帝擲骰子嗎？

遇事不決，量子力學

今年的物理學獎，頒給了研究量子糾纏和量子信息科學領域的三位學者，再次炒熱話題，其實量子概念誕生已經超過100年了，但其思想太過詭異，以至於很多人學到量子物理時，會產生懂了但好像又沒懂的錯覺，正如量子論的奠基人玻爾所說，“如果誰不爲量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”

人類羣星閃耀時

近幾百年來，人類在科學上的發展，遠遠超過之前數千年所取得的成就，在物理學中，如果一定要選擇那些羣星璀璨大人物閃耀的時期，那麼17世紀末和20世紀初一定是最不可錯過的年代，前者以牛頓的《自然哲學之數學原理》爲標誌，宣告近代經典物理學的創立；

後者則推翻並重建了牛頓所創建的物理學體系，開啓了相對論與量子論的時代，多位物理學史的大牛神仙打架，人類在科學上的發展也通過他們的爭論得以進入一個快速迸發的黃金時代，故事可以從1887年德國小城市卡爾斯魯厄講起。

彼時這個坐落於萊茵河東岸的德意志城市，在俾斯麥手上得以復興，一位年輕的講師海因裏希·魯道夫·赫茲，受老師赫爾姆霍茲的啓發，正在卡爾斯魯厄大學實驗室裏埋頭研究電磁理論，當時德國物理屆認爲電力與磁力可瞬時傳送，赫茲自己做了一套電磁波發生器，每當發生器火花放電時，在兩個銅球間會產生一個振盪的電場，並引發一個向外傳播的電磁波。

電磁與光

赫茲的實驗，證實了繼牛頓之後物理學又一標誌性高峯——電磁理論創立，英國科學家法拉第首次發現電磁感應現象，麥克斯韋構造了電磁學的主體，赫茲實證了麥克斯韋預言的電磁波，沒有電磁學就沒有現代電工學，更不會有現代文明電腦這些科技產物誕生。

牛頓、法拉第、麥克斯韋

爲了進一步論證自己的想法，赫茲將接收器挪到不同位置，測算出電磁波的波長，在乘上振盪頻率即爲電磁波速度——30萬公里/秒，也就是光速，這一實驗預示着光也是電磁波的一種，只不過普通光的頻率恰好落到了我們人眼可以觀測到的範圍罷了。

有了以上結論，光學也可被納入初生的電磁學領域，即“光是電磁波的一種”，這一論斷拉開了量子物理學黃金時代的序幕，雙方即將展開曠日持久的論戰；接下來電磁波的反射、衍射和干涉實驗出爐，進一步證實電磁波與光波的一致性；七年後，赫茲英年早逝，他的名字成爲“頻率”的單位。在進入量子理論之前，我們需要回顧物理學前一次關於光的辯論。

微粒說和波動說

課本上很籠統地告訴我們光的“波粒二象性”，既具有波動特性，又具有粒子特性，但這簡簡單單的一句話背後紛爭可以追溯到牛頓時期，17世紀中期，大家對光本質的討論提出了兩種假說——微粒說和波動說，不過大陸理性主義哲學開拓者笛卡爾很平淡的介紹了兩種假說，此時火藥味還不足。

第一次“波粒戰爭”始於波義耳（氣體壓強波義耳定律），他認爲人眼看到的顏色並非物體本身的屬性，而是光照的效果；格里馬第（電磁波衍射的發現者）認爲光的顏色因頻率不同引發的，1663年，英國皇家學會的胡克（材料彈性胡克定律）支持格里馬第，並強烈支持光的波動說，此刻波在歐洲佔據上風。

1672年，當時年僅29歲的牛頓，因發明反射望遠鏡，成爲皇家學會的一員，受到日後爭執人物萊布尼茨的關注，牛頓透過三棱鏡將白光發散成可見光譜的觀察，發現光的色散原理；胡克和波義耳擔任研究成果的評審，胡克聲稱牛頓關於光色彩複合是偷了他的思想，而牛頓“原創”的微粒說則不值一提，僅僅是“假說”而已。

波粒戰爭

在牛頓最初觀點中，光的微粒說僅僅只是個假設，在胡克批判後，牛頓索性就一面倒地站微粒說，1675年，牛頓讓光通過大麴率凸透鏡，照射到光學平玻璃板上，出現了一組彩色的同心環條紋（牛頓環）；荷蘭科學家惠更斯也加入了論戰，十五年後的1690年，惠更斯受這些光的討論與實驗啓發寫下《光論》，進一步闡釋光的波動理論。

牛頓在胡克去世後的第二年（1704年），發表了他的煌煌鉅著《光學》，此刻正反雙方已經就位，第一次“波粒戰爭”打響。在這本光學的奠基之作中，牛頓除了上述的薄膜透光、牛頓環現象、光的反射定律和折射定律外，還着重強調認爲光是一種微粒流。

牛頓反對胡克和惠更斯的波動理論。牛頓說光源裏有微粒射出，這些微粒在均勻介質內遵從力學定律作等速直線運動，故光的微粒說。此後的100年裏，因爲《自然哲學的數學原理》微積分以及力學的光環，牛頓的《光學》都無人可質疑，第一次“波粒戰爭”以牛頓微粒學大勝告終，此後一個世紀波動說都難以服衆。

“小心眼”的牛頓

在波粒戰爭中，牛頓的“小心眼”早有體現，當他遇到胡克如此嚴厲的指控，牛頓勃然大怒，事後花了四個月寫了篇洋洋灑灑的“大作文”炮轟胡克，對胡克一字一句進行反駁，全文四處是胡克的名字，雙方已然成爲死敵，只不過當時牛頓很年輕。事實證明，人絕非完人，牛頓爵士也無法做到面面俱到，1703年也就是胡克去世的那一年，牛頓成爲英國皇家學會會長，兼任皇家鑄幣廠廠長和督辦。

當他執英國皇家學會牛耳時，可以利用自己的權力去打壓其他學說。本來牛頓對微粒說一開始也不咋認可，就是個假設，但在胡克攻擊他後，牛頓徹底站在對立面，後世的人們對牛頓這一行爲各有各的看法，有可能是牛頓“小心眼”，也有可能是他真的認可微粒說，或者二者兼有之。

大部分中學生都是通過彈性基本定理胡克定律來了解他，但胡克在力學、光學、儀器等方面均貢獻巨大，幫助波義耳發現波義耳定律，他的《顯微術》一書中，爲細胞（Cell）取名，致力於光學儀器的創制，並且親自主持1666年倫敦大火後的城市重建工作，在胡克牛頓二人信件關於引力問題的討論中，牛頓一時把引力看做是不隨距離而變化的常量，胡克糾正了牛頓的錯誤，二人結下樑子，晚年胡克境遇淒涼，如此偉大的科學家竟然沒有留下一張畫像......

百年後的反擊

第一次波粒戰爭以牛頓微粒說完勝告終，一個世紀後，此時牛頓已經去世，人們才意識到百年前的科學家居然一人作出如此多的貢獻，恐怕歷史上也只有亞里士多德留下如此多的學問；1773年，英國米爾沃頓一位天才男孩托馬斯·楊誕生，6歲學習拉丁文，16歲時可以說十種語言，擁有異於常人的語言天賦，托馬斯·楊日後破譯了埃及羅塞塔碑上的神祕古埃及象形文字，併成爲埃及學正式創立的奠基人之一。

不過我們並不關心楊在其他領域的建樹，1792年，楊前往倫敦學習醫學，接觸到了人體眼睛的構造以及光學，楊在光學突破來自於波的“干涉”現象，波有波峯與波谷，當兩列波相遇時，如果波峯對波峯，那麼波就會疊加到二倍峯值，如果波峯對波谷，那麼會互相抵消，有了這個想法，他再看百年前牛頓環的明暗條紋，托馬斯·楊弈下子悟了，環上明亮的地方就是兩道光波峯相遇“同相”，暗的地方即爲反相，波峯波谷抵消。

1803年，在胡克去世一百年後，楊發表論文闡釋如何用光波的干涉效應來解釋牛頓環和衍射現象，楊甚至計算出了光的波長應該在1/60000～1/36000英寸之間，這個實驗也就是我們課本上托馬斯·楊光的雙縫干涉實驗，點光源通過一個開了小孔的紙，然後再在後面放上第二張開了兩道平行狹縫的紙，從小孔中射出的光透過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明暗交替的干涉條紋。

但就像科學史上無數有趣的瞬間一樣，托馬斯·楊的成果並沒有引起多少人的注意，畢竟微粒說是已經封神牛頓爵士的理論，醫學生托馬斯·楊的偶然發現受盡了物理學界的嘲笑譏諷，若干年後課本選修3-4的內容在當時被視作“荒唐”的鬧劇。不過“真理”總是難以掩蓋的，用微粒說無法解釋明暗相見的條紋，觀察後的直覺確實完美符合波動說。