《尋找薛定諤的貓》是一本跨越量子力學(xué)、物理學(xué)及哲學(xué)等多學(xué)科的科普圖書。它就像一個(gè)科學(xué)向?qū)�，帶著讀者領(lǐng)略20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展過程;它又仿佛是一本思想史，把物理學(xué)家們的思維過程非常清晰地展現(xiàn)出來，讓讀者看到科學(xué)家成功前的一次次失敗。格里賓在《尋找薛定諤的貓》中生動(dòng)地描述了科學(xué)家得出他們理論的過程，讓讀者輕松地理解瞬間的真實(shí)性和一般量子力學(xué)。
作者簡介：
約翰·格里賓(John Gribbin)，英國著名科學(xué)讀物專業(yè)作家，薩塞克斯大學(xué)天文學(xué)訪問學(xué)者。他畢業(yè)于劍橋大學(xué)，獲天體物理學(xué)博士學(xué)位,現(xiàn)在是蘇塞克斯大學(xué)的客座天文學(xué)研究員。曾先后在《自然》志和《新科學(xué)家》周刊任職。1974年約翰？格里賓以其關(guān)于氣候變遷的作品獲得了英國最佳科學(xué)著作獎(jiǎng)。經(jīng)常替《泰晤士報(bào)》、《衛(wèi)報(bào)》和《獨(dú)立報(bào)》撰寫有關(guān)科學(xué)的文章，著作等身（50多部）其中包括《尋找薛定諤的貓》（海南出版社）、《大宇宙百科全書》（海南出版社）、《探索大爆炸》、《漫畫時(shí)間史》（與凱特·查爾斯沃思合著）等書。
目錄：
引言/1
序言真實(shí)并不存在/3
第一部分量子理論/1
第一章光/3
是波還是粒子?·波動(dòng)理論的勝利
第二章原子/13
19世紀(jì)的原子論·愛因斯坦的原子論·電子·離子·X射線·放射性·原子的內(nèi)部
第三章光與原子/25
黑體線索·不期而至的革命·h是什么?·愛因斯坦、光和量子
第四章玻爾的原子論/39
電子的躍遷·得到解釋的氫原子·一個(gè)偶然的要素：上帝的骰子·透視原子·得到解釋的化學(xué)
第二部分量子力學(xué)/61
第五章光子和電子/63
目錄：
引言 / 1
序言真實(shí)并不存在 / 3
第一部分量子理論 / 1
第一章光 / 3
是波還是粒子?·波動(dòng)理論的勝利
第二章原子 / 13
19世紀(jì)的原子論·愛因斯坦的原子論·電子·離子·X射線·放射性·原子的內(nèi)部
第三章光與原子 / 25
黑體線索·不期而至的革命·h是什么?·愛因斯坦、光和量子
第四章玻爾的原子論 / 39
電子的躍遷·得到解釋的氫原子·一個(gè)偶然的要素：上帝的骰子·透視原子·得到解釋的化學(xué)
第二部分量子力學(xué) / 61
第五章光子和電子 / 63
光的粒子性·波粒二象性·電子波·與過去決裂·泡利和不相容原理·下一步去何方
第六章矩陣和波 / 82
黑利格蘭德的突破·量子數(shù)學(xué)·薛定諤的理論·一次退步·量子調(diào)制術(shù)
第七章用量子進(jìn)行調(diào)制 / 102
反物質(zhì)·原子核的內(nèi)部·激光器和受激輻射微波放大器·功能強(qiáng)大的顯微術(shù)·超導(dǎo)體·生命本身
第三部分題外話 / 129
第八章可能性和不確定性 / 131
不確定性的意義·哥本哈根解釋·雙孔實(shí)驗(yàn)·坍塌的波·互補(bǔ)性原理
第九章悖論和可能性 / 151
匣子里的鐘表·“EPR悖論”·時(shí)間旅行·愛因斯坦的時(shí)間·無中生有·薛定諤的貓·參與的宇宙
第十章布丁的驗(yàn)證 / 185
自旋悖論·偏振方面的迷惑·貝爾實(shí)驗(yàn)·證據(jù)·這到底意味著什么?·確認(rèn)和應(yīng)用
第十一章多個(gè)世界 / 203
誰觀察觀察者?·薛定諤的貓·超越科幻小說·超越愛因斯坦了嗎?·回顧一下·超越埃弗雷特·我們的特殊位置
后記未完的工作 / 223
時(shí)空的扭曲·對稱性破缺·超引力·宇宙是真空漲落的產(chǎn)物嗎?·膨脹和當(dāng)今宇宙
參考前言序言
真實(shí)并不存在
我們題目中的貓是個(gè)神奇的動(dòng)物，而薛定諤卻是個(gè)真實(shí)的人。厄爾文·薛定諤是一位奧地利科學(xué)家。他在20世紀(jì)20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱為量子力學(xué)的科學(xué)分支中的一個(gè)方程。這個(gè)分支幾乎不能算是個(gè)正確的描述，但是量子力學(xué)卻為所有現(xiàn)代科學(xué)提供了基礎(chǔ)。這個(gè)方程描述很小的物體，一般說來是原子大小或者比原子更小的物體。這為微觀世界提供了唯一一種解釋。沒有這些方程，物理學(xué)家將無法建設(shè)核電站(或制造原子彈)，制造激光器，或者解釋太陽為什么是熾熱的。沒有量子力學(xué)，化學(xué)家們將仍然停留在黑暗年代，也不會(huì)有分子生物學(xué)，不會(huì)有對DNA的理解，不會(huì)有遺傳工程——不會(huì)有任何科學(xué)。
序言
真實(shí)并不存在
我們題目中的貓是個(gè)神奇的動(dòng)物，而薛定諤卻是個(gè)真實(shí)的人。厄爾文·薛定諤是一位奧地利科學(xué)家。他在20世紀(jì)20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱為量子力學(xué)的科學(xué)分支中的一個(gè)方程。這個(gè)分支幾乎不能算是個(gè)正確的描述，但是量子力學(xué)卻為所有現(xiàn)代科學(xué)提供了基礎(chǔ)。這個(gè)方程描述很小的物體，一般說來是原子大小或者比原子更小的物體。這為微觀世界提供了唯一一種解釋。沒有這些方程，物理學(xué)家將無法建設(shè)核電站(或制造原子彈)，制造激光器，或者解釋太陽為什么是熾熱的。沒有量子力學(xué)，化學(xué)家們將仍然停留在黑暗年代，也不會(huì)有分子生物學(xué)，不會(huì)有對DNA的理解，不會(huì)有遺傳工程——不會(huì)有任何科學(xué)。
量子理論代表著科學(xué)的最大進(jìn)展，比相對論具有更大的意義，也更直接更實(shí)用，甚至能引發(fā)許多奇特的預(yù)言。量子力學(xué)世界是那么神奇，實(shí)際上連阿爾伯特·愛因斯坦也發(fā)現(xiàn)其難以理解，因而拒絕接受由薛定諤及其同事創(chuàng)立的理論結(jié)果。愛因斯坦及許多其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)將量子力學(xué)方程視為一種數(shù)學(xué)上的簡單表述更為合適，認(rèn)為它僅是對原子及亞原子粒子行為的一個(gè)合理的描述。但其本身隱藏了更深的真理，這些真理更接近于日常的真實(shí)性。因?yàn)榱孔恿W(xué)給出的是：沒有什么是真實(shí)的，我們不去觀察它們時(shí)，則什么也不能說。薛定諤那奇怪的貓用來區(qū)別量子世界以及日常生活中所見到的世界。
在量子力學(xué)世界中，日常所見的熟悉的物理定律不再成立。取而代之的是事件發(fā)生的概率性。例如具有輻射性的原子可能衰變放出電子，也可能不�？梢赃@樣設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：具有輻射能力的物質(zhì)具有50%的機(jī)會(huì)在某一特定時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變。如果其衰變，就會(huì)被探測器記錄下來。薛定諤也像愛因斯坦那樣，被量子力學(xué)結(jié)果弄得心神不安，嘗試著用一個(gè)假想的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)理論隱含的晦澀之外。設(shè)想在一個(gè)封閉的房子中或匣子里，有一只活貓及一瓶毒藥。當(dāng)衰變發(fā)生時(shí)，藥瓶被打破，貓將被毒死。也就是說，在現(xiàn)實(shí)世界中，貓有50%的機(jī)會(huì)被毒死。
不用看匣子，我們就會(huì)肯定地說，貓可能死了也可能還活著。這就是量子力學(xué)的奇異之處。這理論說，這兩種機(jī)會(huì)取決于輻射物質(zhì)，因而對貓來說除非被觀察到否則就沒有真實(shí)性。原子可能衰變，也可能不；貓可能死，也可能活。除非我們向匣子中看，發(fā)生了什么。堅(jiān)持量子力學(xué)直接解釋的理論學(xué)者認(rèn)為存在一個(gè)中間態(tài)，貓既不死也不活，直到進(jìn)行觀察看看發(fā)生了什么。除非進(jìn)行觀測，否則一切都不是真實(shí)的。
這個(gè)觀點(diǎn)對愛因斯坦和其他科學(xué)家來說無非是麻醉劑。當(dāng)引述世界由一大堆量子層次上的隨機(jī)選擇決定的理論時(shí)，他說道：“上帝不會(huì)擲骰子。”他不承認(rèn)薛定諤的貓的非真實(shí)態(tài)之說，認(rèn)為一定有一內(nèi)在的機(jī)制組成了事物的真實(shí)本性。他花了數(shù)年時(shí)間企圖設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這種內(nèi)在真實(shí)性是否在起作用，但他沒有完成這種設(shè)計(jì)就去世了。也許他沒有活著看到他的思路所引發(fā)的結(jié)果會(huì)更好一些。
在1982年夏天，在法國南巴黎大學(xué)，由艾倫·艾斯派克特領(lǐng)導(dǎo)的研究小組完成了意將探測量子非真實(shí)世界的內(nèi)在真實(shí)性的系列實(shí)驗(yàn)。內(nèi)在真實(shí)性——基本機(jī)制——被取名為“隱變量”，實(shí)驗(yàn)對象是從源中朝相反方向飛出的兩個(gè)質(zhì)子或粒子(在第十章中對其有完整的描述)。但基本上可以認(rèn)為是對真實(shí)性的檢驗(yàn)。兩個(gè)從同一源中飛來的質(zhì)子可以被兩個(gè)檢測器檢測到，可測量它的偏振性質(zhì)。根據(jù)量子理論，這種性質(zhì)是不存在的，除非實(shí)施了測量。根據(jù)隱變量觀點(diǎn)，每個(gè)質(zhì)子從它產(chǎn)生就有“真實(shí)的”極性。由于它們同時(shí)發(fā)射，所以它們的極性是相互關(guān)聯(lián)在一起的。但是實(shí)際測量到的在與真實(shí)性的兩種觀點(diǎn)不一致。
這些關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是沒有含糊的。沒有發(fā)現(xiàn)由隱變量理論所預(yù)言的那種關(guān)聯(lián)，卻發(fā)現(xiàn)了由量子理論所預(yù)言的那種關(guān)聯(lián)。而且正如量子理論所預(yù)言的那樣，對一個(gè)質(zhì)子的測量對另一質(zhì)子具有瞬間效應(yīng)的影響。一些作用關(guān)聯(lián)在一起，糾纏不清，雖然它們以光速飛離。相對論告訴我們沒有信號能超過光速傳播。實(shí)驗(yàn)證明世界沒有內(nèi)在的真實(shí)性。日常所謂的“真實(shí)性”在描述組成世界的基本粒子行為時(shí)不是一個(gè)好的方法，而且這些粒子同時(shí)聯(lián)成不可分離的整體，每一個(gè)都能覺察到別的粒子發(fā)生的事。
探索薛定諤的貓就是尋找量子的真實(shí)性。簡單總結(jié)說，好像這種尋求是沒有什么結(jié)果的，因?yàn)椴淮嬖谌粘Ｔ~匯中的真實(shí)性。但這不能算完，尋找薛定諤的貓可引導(dǎo)我們對瞬間的真實(shí)性及一般量子力學(xué)有新的理解。路是漫長的，但它卻是始于那些科學(xué)家們。如果他們發(fā)現(xiàn)了自己苦苦尋找的、正是我們現(xiàn)在所獲得的答案的話，他們會(huì)比愛因斯坦更加驚恐。艾薩克·牛頓在3個(gè)世紀(jì)前研究光的本質(zhì)時(shí)，不會(huì)想到他那時(shí)就已經(jīng)踏上了尋求薛定諤之貓的征程�！ � 第 一 章
光
艾薩克·牛頓創(chuàng)立了物理學(xué)，實(shí)際上他創(chuàng)立了一切依賴于物理的科學(xué)。當(dāng)然牛頓的工作也是在其他人基礎(chǔ)上的，但正是由于他在300年前發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)三大定律及引力理論，才使科學(xué)走向通往空間飛行、激光、原子能、基因工程、化學(xué)及其他一切的里程。在200年的時(shí)間里，牛頓理論(現(xiàn)在稱為“經(jīng)典”物理)高高在上，處于統(tǒng)治地位；在20世紀(jì)革新中，對物理的見識(shí)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了牛頓時(shí)代�？墒侨魶]有那200年的科學(xué)發(fā)展，就不會(huì)有這種深刻的理論。本書不是科學(xué)史，它更關(guān)注新物理——量子物理，而不是經(jīng)典思想。但就是在300年前的牛頓的工作中已有將要發(fā)生變革的跡象——不是出于其對行星運(yùn)動(dòng)及其軌道或是著名的三大定律，而是出于對光本質(zhì)的研究。
牛頓關(guān)于光的想法多出于對固定形狀物體及行星軌道的行為的看法。他認(rèn)識(shí)到，我們?nèi)粘ξ矬w行為的經(jīng)驗(yàn)可能是一種誤導(dǎo)，一個(gè)物體或粒子在不受別的東西的影響時(shí)一定與在地球表面的粒子不同。這里，我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)告訴我們，除非你去推一個(gè)物體，它會(huì)待在那兒不動(dòng)，如果一旦你不推它，它就很快停止運(yùn)動(dòng)。那么，為什么像行星及月亮等物體卻不停在它們的軌道上呢?有什么東西在推動(dòng)它們嗎?沒有。這是因?yàn)樾行翘幱谒緛淼臓顟B(tài)，與外界沒有聯(lián)系，而地球上的物體總是相互關(guān)聯(lián)著。如果我想將鋼筆拉過桌面，我的推力與桌面同筆之間的摩擦力對抗著，正是這種力才在我不推動(dòng)時(shí)讓筆停下來的。如果沒有摩擦，筆就會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。這就是牛頓第一定律：除非有外力作用于其上，一個(gè)物體總保持靜止或以恒定的速度運(yùn)動(dòng)。牛頓第二定律告訴我們外力(這里指推力)對物體的效果。力改變了物體的運(yùn)動(dòng)速度，速度的變化稱為加速度；你將力除以物體的質(zhì)量，就得到此力作用于物體產(chǎn)生的加速度。通常，第二定律被描繪為另一種形式：力等于質(zhì)量乘以加速度。牛頓第三定律告訴我們物體是怎樣反作用于推動(dòng)它的物體的：對于每一個(gè)作用存在大小相等方向相反的反作用。我用球拍去打一個(gè)網(wǎng)球時(shí)，球拍推向網(wǎng)球的力剛好等于網(wǎng)球推向球拍的力，但方向剛好相反；在桌子上的鋼筆，受重力向下壓，其壓力剛好等于桌面彈向它的力；火箭的燃?xì)馐抑�，爆炸過程產(chǎn)生的氣體向后沖去的力則正好產(chǎn)生大小相等但方向相反的推動(dòng)火箭的力。
這些定律連同牛頓的引力定律，解釋了行星繞太陽及月亮繞地球的運(yùn)動(dòng)。適當(dāng)?shù)赜?jì)入摩擦力，也就可以解釋地球上物體的狀況。這些就構(gòu)成了力學(xué)的基礎(chǔ)。但這仍有隱含的哲學(xué)上的困惑。根據(jù)牛頓定律，一個(gè)粒子的行為可根據(jù)其他粒子對它的作用力及它本身受到的作用力確定。那么如果能夠知道這個(gè)宇宙所有粒子的速度與位置，就能夠精確地預(yù)言每個(gè)粒子的未來行為，從而預(yù)言這個(gè)宇宙的未來。這是否意味著這個(gè)宇宙就像鐘表一樣，被造物主上緊了發(fā)條放在那兒，沿著一條完全可以預(yù)言的途徑運(yùn)動(dòng)呢?牛頓的經(jīng)典力學(xué)提供了這種確定性宇宙觀有足夠多的支持，這兩種圖像給人的自由意志沒有留下多少機(jī)會(huì)。是否我們真的就是沿著預(yù)設(shè)好的軌跡度過我們的一生而別無選擇呢?多數(shù)科學(xué)家都同意讓哲學(xué)家們?nèi)幷撨@個(gè)問題。而他們卻全力轉(zhuǎn)向20世紀(jì)新物理學(xué)的中心。
是波還是粒子?
牛頓的粒子物理論是這么的成功，難怪當(dāng)初解釋光行為時(shí)，他也按照粒子論方法處理。無論如何，觀察到的光是走直線的，并且光從鏡面反射時(shí)如一個(gè)球碰在一個(gè)硬墻上一樣。牛頓制造了第一臺(tái)反射式望遠(yuǎn)鏡，解釋了白光是由七色光合成的，在光學(xué)中做了那么多工作，可他總是基于光是由一種稱為微粒的小粒子流組成的假說。光線在穿過光疏質(zhì)和光密質(zhì)邊界時(shí)傳播方向發(fā)生變化，正如光從空氣到水或玻璃中變彎(這就是為何攪酒棍在酒杯或桶中看來是彎的)，只要假設(shè)微粒在光密質(zhì)中走得快一點(diǎn)就能解釋光的折射現(xiàn)象。即使在牛頓時(shí)代，仍有與之完全不同的解釋。
荷蘭物理學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯生于1629年，比牛頓大13歲，是同時(shí)代的人。他得出一個(gè)觀點(diǎn)：光并非是粒子流，而是一種波。就像水波在海面或湖面上傳播一樣，光通過一種不可見的“透明的以太”傳播。就像在湖塘里扔一顆石子引起的波傳播那樣，光在以太中傳播是從光源出發(fā)到各個(gè)方向的。波理論在解釋反射和折射時(shí)能同粒子說一樣合理。雖然說在光密質(zhì)的物質(zhì)中光波的傳播速度不是加快了而是減慢了，在當(dāng)時(shí)的17世紀(jì)沒有辦法測量光速，因此這方面的差別不足以區(qū)分這兩種理論的優(yōu)劣�？墒�，有一個(gè)關(guān)鍵的方面，在這點(diǎn)上可得到可以觀測到的不同預(yù)測。當(dāng)光通過一個(gè)尖銳的邊界時(shí)，它形成一個(gè)明顯的邊界影子。這極像粒子流的行為，因?yàn)樗刂本�運(yùn)動(dòng)。而波動(dòng)要轉(zhuǎn)彎或散射，以某種方式繞進(jìn)暗影里(想象一下，水塘中的漣漪是能夠繞過石頭的)。300年前，這種現(xiàn)象很明顯對粒子論有利，而波動(dòng)理論雖未被忘記卻也給拋棄了。然而到了19世紀(jì)，兩種觀點(diǎn)的狀況則完全反過來了。
圖1.1水波的衍射
平行水波通過擋板上的小孔后，在小孔之后形成圓形波，不會(huì)形成“陰影”。
在18世紀(jì)，很少人能認(rèn)真地看待光的波動(dòng)說。在這極少數(shù)人中，當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)的帶頭人，曾對幾何、微積分和三角幾何做出主要貢獻(xiàn)的瑞士數(shù)學(xué)家雷納德·歐拉(Leonhard Euler)不僅認(rèn)真地對待光的波動(dòng)說，而且還寫文章支持這種學(xué)說。說起歐拉，現(xiàn)代數(shù)學(xué)與物理全由算術(shù)項(xiàng)和方程描述，數(shù)學(xué)描述所依賴的技巧大部分是由歐拉創(chuàng)立的。在此過程中，他創(chuàng)立了至今仍被使用的符號縮寫，如π表示圓周率；i表示-1的開方根(我們還會(huì)與π一起遇到它)；被數(shù)學(xué)工作者使用的積分運(yùn)算符號等等。奇怪的是，在《大英百科全書》的歐拉條目中沒有提到他的波動(dòng)觀點(diǎn)。這個(gè)觀點(diǎn)在他同時(shí)代中沒有一個(gè)“著名物理學(xué)家”支持。在歐拉同時(shí)代人中，贊同這個(gè)觀點(diǎn)的唯一名人是本杰明·富蘭克林；直到19世紀(jì)初英國人托馬斯·揚(yáng)完成他的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)之前，物理學(xué)家對待這個(gè)觀點(diǎn)，都不屑一顧。不久法國人奧古斯汀·菲涅爾又重做了這些實(shí)驗(yàn)。
波動(dòng)理論的勝利
揚(yáng)根據(jù)通過水塘表面水波的運(yùn)動(dòng)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了是否光也同樣傳播。我們都知道水波是什么樣的，雖然為了精確分析起見考慮的是小波而非大波。波的明顯特征是在波傳過時(shí)會(huì)抬高水位然后又壓低水位；波峰高出平靜的水面的高度為它的波幅，對理想的波來說，波傳過時(shí)，水面被壓下的幅度也與之相同。一系列波紋，就像在水塘中扔下一顆石子激起的漣漪那樣，一個(gè)接一個(gè)具有相等的問題，此間距叫做波長，可表示為從一個(gè)波峰到另一個(gè)波峰的距離。當(dāng)石子落入水塘?xí)r，激起的波紋環(huán)繞著源點(diǎn)，從中心向外一圈圈地傳播；可是海中的波浪或在湖中由風(fēng)拂起的水波由系列平行直線一條接一條地向前傳播。這兩種方式下，1秒鐘內(nèi)通過一個(gè)固定點(diǎn)——比如說石頭的波峰數(shù)是個(gè)不變的數(shù)目，稱為波的頻率。頻率表示1秒鐘通過的波紋數(shù)，因此每一個(gè)波峰向前運(yùn)動(dòng)的速度都是波長乘以頻率。
圖1.2小孔后產(chǎn)生新波源
就像在水塘中扔進(jìn)一塊石頭能激起圓形波一樣，圓形漣漪在通過擋板窄縫時(shí)也產(chǎn)生圓形波。
關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)從平行波開始，正如到達(dá)海岸線之前的波線一樣。你可以想象在水塘中扔一塊石子并在遠(yuǎn)處觀察它所激發(fā)出來的波紋。波紋的圓周越來越大，在離源點(diǎn)足夠遠(yuǎn)的地方，波紋就像是平行的直線一樣。我們很難觀察到圍繞擾動(dòng)點(diǎn)的大圓的曲率，但卻很容易觀察到當(dāng)波在傳播路徑上遇到障礙物時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況。如果障礙物很小，由于波的衍射特性，波會(huì)繞過障礙物而幾乎不留下“影子”；但是如果障礙物的尺寸比波紋的波長大得多時(shí)，波紋僅僅在障礙物邊緣處彎進(jìn)去一點(diǎn)點(diǎn)，留下一大塊未受擾動(dòng)的水面。光是波，就必然具有清晰的影子，只要光的波長比障礙物的尺寸小得多就行。
現(xiàn)在將這個(gè)問題倒過來思考。設(shè)想一系列細(xì)微的平面波在水槽中傳播，遇到的不是一個(gè)障礙物而是一道墻，只不過墻的中間開了一個(gè)小孔。如果小孔直徑比波長大得多，那么只有對著小孔區(qū)域的波能穿過，而大多數(shù)波紋，如同沖向碼頭的水波，無法穿墻而過�？墒侨绻麎ι峡椎闹睆胶苄。敲催@個(gè)小孔就會(huì)成為新的環(huán)狀波的一個(gè)波源，就如在那里扔下了一塊石頭。波紋漸漸遠(yuǎn)離墻面，所形成的圓形波（確切地說是半圓形的）就在原先平靜的水面上傳播。
圖1.3小物體后不會(huì)形成陰影
只要障礙物比波的波長不是大很多，它們可充滿障礙物后的陰影，這是波能夠繞過邊角的一個(gè)結(jié)論。
好，現(xiàn)在我們可以談到揚(yáng)的實(shí)驗(yàn)了。設(shè)想象前述那樣，平行水波傳過水槽遇到一個(gè)阻板，在這個(gè)阻板上有兩個(gè)孔。每個(gè)孔都成為一個(gè)激發(fā)半圓波的新波源，兩列波都源于阻板的同一側(cè)而向另一側(cè)傳播，它們不但頻率相同，而且總是同相，在水面上傳播形成較為復(fù)雜的漣漪圖案。波在某處疊加，當(dāng)兩列波都處于波峰，我們得到增強(qiáng)的波峰，當(dāng)一列波處于波峰，另一列波處于波谷，它們相互抵消。這種效應(yīng)被分別稱為相增干涉和相消干涉。由這種效應(yīng)很容易看到，只要在水塘中同時(shí)扔下兩塊石子就可以了。如果光是波動(dòng)的話，那么等效的實(shí)驗(yàn)就可以形成波紋的干涉條紋，這正是揚(yáng)發(fā)現(xiàn)的。
圖1.4光的雙孔干涉
光能夠通過衍射繞過邊角，這可用單縫產(chǎn)生圓形波再通過雙縫產(chǎn)生干涉圖像驗(yàn)證。
圖1.5光的雙縫干涉
如水波通過小孔那樣，光波通過第一個(gè)狹縫后產(chǎn)生圓形擴(kuò)散，“相繼”進(jìn)入另一個(gè)。
揚(yáng)將一束光照到具有兩個(gè)狹縫的阻擋屏上，在屏的后面，光從兩個(gè)小孔傳播出來并相互干涉。如果光同水波一樣也是波的話，那么由于相增干涉和相消干涉，在阻擋屏之后會(huì)形成明暗交錯(cuò)的區(qū)域。當(dāng)揚(yáng)將一個(gè)白屏放在窄縫之后，剛好看到他所尋找的——明暗相間的條紋。
可是揚(yáng)的實(shí)驗(yàn)并未引起科學(xué)界的興趣，特別在英國，創(chuàng)立任何被認(rèn)為與牛頓觀點(diǎn)相悖的理論幾乎都會(huì)被認(rèn)定為是異教徒的行為。牛頓逝世于1727年，在1705年，也就是離揚(yáng)宣布他的發(fā)現(xiàn)不到一百年，牛頓是第一個(gè)因科學(xué)研究工作而被封為騎士的。在英國破除這個(gè)偶像還為時(shí)過早，而在拿破侖戰(zhàn)爭時(shí)期也許這是適合時(shí)宜的，于是法國人奧古斯汀·菲涅爾拾起他的“叛逆”思想，最終確立了光的波動(dòng)學(xué)說。菲涅爾的工作雖比揚(yáng)晚幾年，但比揚(yáng)的工作更完善，實(shí)際上，他幾乎對光各個(gè)方面的現(xiàn)象用波動(dòng)性來予以解釋。除此之外，他還解釋了對我們來說非常熟悉的日常現(xiàn)象——光照射到油膜上產(chǎn)生非常美麗的反射色彩。這個(gè)過程同樣出于光的干涉。一部分光直接由油膜的上層反射回來，另一部分光透過油膜，從底層反射出來。因此，存在兩束不同的反射光，它們之間相互干涉。由于每種顏色的光具有各不相同的波長，白光是由彩虹般的七色光疊加而成的，因此，從油膜上反射出來的白光能產(chǎn)生七色光的相增干涉或相消干涉，其效應(yīng)依賴于眼睛相對于油膜的位置。
圖1.6光的行為像波
圓形波雙縫的每一個(gè)相互干涉，在視屏上產(chǎn)生明暗相間的斑紋。此實(shí)驗(yàn)清晰地證實(shí)了光的波動(dòng)性。萊昂·傅科是一位法國物理學(xué)家，他最著名的發(fā)明是顯示地球自轉(zhuǎn)的傅科擺，在19世紀(jì)中葉提出了與牛頓粒子說相反的斷言：光在水中的傳播速度比在空氣中傳播的速度要慢，這也是一些著名科學(xué)家曾經(jīng)所預(yù)計(jì)的。那時(shí)候，人人知道光是能在以太中傳播的波，不管它是怎么進(jìn)行的，可是要能夠弄清楚在光流中是什么“波”在傳播就更好了。從19世紀(jì)60年代到19世紀(jì)70年代，蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，至此光的理論得以完善。麥克斯韋斷言存在電磁輻射，磁和電的強(qiáng)度變化像水波那樣峰谷交替。1888年，德國物理學(xué)家海因里希·赫茲成功地發(fā)射并接收了作為電波的電磁輻射，這種電波與光相同只不過具有更長的波長。經(jīng)歷牛頓和伽利略年代以來的一百多年，科學(xué)思想上最偉大的革命的沖擊致使光的波動(dòng)說趨于完善。在19世紀(jì)末期，有個(gè)天才或傻子想到了光是粒子，這個(gè)人叫阿爾伯特·愛因斯坦；我們在理解他何以邁出這勇敢的一步時(shí)，需要有一些19世紀(jì)物理學(xué)思路的背景知識(shí)。
|
