在這里你將找到理解量子理論所需要的一切知識(shí)。
本書簡(jiǎn)介：
量子理論到底是什么?在這里你將會(huì)找到理解這個(gè)理論所需要的一切知識(shí)，不管你是否曾經(jīng)讀過(guò)關(guān)于這個(gè)主題的文章。你將讀到這樣一些看起來(lái)是自相矛盾的現(xiàn)象：例如光子(光的粒子)可以在同一時(shí)刻位于兩個(gè)位置，原子能夠同時(shí)通過(guò)兩條路徑，對(duì)于一個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)的粒子來(lái)說(shuō)時(shí)間是靜止的，等等。同時(shí)你還會(huì)發(fā)現(xiàn)量子理論是可能實(shí)現(xiàn)星際傳送的理論依據(jù)。
量子世界的所有奇異性都可以通過(guò)考察那只原始貓的兩個(gè)孿生后代的歷險(xiǎn)過(guò)程來(lái)獲得最清楚的理解。在重新考慮光的本質(zhì)問(wèn)題之后(這個(gè)問(wèn)題在量子論和相對(duì)論中都是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題),一些新的思想便出現(xiàn)了。這些思想能夠解釋真實(shí)性的本質(zhì)和解決所有的量子之謎。
你準(zhǔn)備好了嗎?
名人推薦：既有思想深度，路數(shù)又非常清晰。是非常難得的高級(jí)科普讀物。完全讀懂這兩本書是不容易的，但卻非常值得一讀。
——中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所方在慶
只要你有一點(diǎn)點(diǎn)耐心，你一定可以看懂。這兩本書寫得的確很好，是目前有關(guān)這一內(nèi)容寫得最好的書。我可以保證這一點(diǎn)。
——華中科大物理系教授楊建鄴
目錄：
前言/1
序章問(wèn)題/1
光的奇異性電子干涉標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)深水盒子中的貓真實(shí)性的另一面薛定諤貓的兒女
第一章古代光學(xué)/35
第一個(gè)現(xiàn)代科學(xué)家從伍爾西索普到劍橋再到伍爾西索普在牛頓的遮蔽下牛頓的世界觀揚(yáng)的觀點(diǎn)菲涅耳、泊松及亮斑書籍裝訂商的學(xué)徒法拉第的場(chǎng)神秘的顏色驚人的麥克斯韋方程組
第二章現(xiàn)代/73
以太之死走向狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦的洞見(jiàn)超光速與時(shí)間倒退進(jìn)入光子世界教愛(ài)因斯坦計(jì)算光子的人有關(guān)光子與物質(zhì)的新理論量子電動(dòng)力學(xué)的勝利未來(lái)的光學(xué)
第三章奇異而真實(shí)/117
看到不可能的光深入探索光子行為兼顧雙方無(wú)中生有“趕緊發(fā)送我，斯科特”量子密碼術(shù)深入光子內(nèi)部觀察量子奇妙的電子回路什么時(shí)候是光子?
前言/1
序章問(wèn)題/1
光的奇異性電子干涉標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)深水盒子中的貓真實(shí)性的另一面薛定諤貓的兒女
第一章古代光學(xué)/35
第一個(gè)現(xiàn)代科學(xué)家從伍爾西索普到劍橋再到伍爾西索普在牛頓的遮蔽下牛頓的世界觀揚(yáng)的觀點(diǎn)菲涅耳、泊松及亮斑書籍裝訂商的學(xué)徒法拉第的場(chǎng)神秘的顏色驚人的麥克斯韋方程組
第二章現(xiàn)代/73
以太之死走向狹義相對(duì)論愛(ài)因斯坦的洞見(jiàn)超光速與時(shí)間倒退進(jìn)入光子世界教愛(ài)因斯坦計(jì)算光子的人有關(guān)光子與物質(zhì)的新理論量子電動(dòng)力學(xué)的勝利未來(lái)的光學(xué)
第三章奇異而真實(shí)/117
看到不可能的光深入探索光子行為兼顧雙方無(wú)中生有“趕緊發(fā)送我，斯科特”量子密碼術(shù)深入光子內(nèi)部觀察量子奇妙的電子回路什么時(shí)候是光子?
第四章絕望中的補(bǔ)救/155
哥本哈根解釋的垮臺(tái)我想，因此馮諾依曼的愚蠢的錯(cuò)誤不可分割的整體宇宙的擴(kuò)散量子主題的多元性絕望中的忠告相對(duì)性的一個(gè)方面一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的實(shí)驗(yàn)
第五章思考之思考/201
構(gòu)造夸克認(rèn)識(shí)愛(ài)因斯坦描述不可描述的了解現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)駐量子實(shí)在的整體進(jìn)路
結(jié)語(yǔ)解決方案：我們這一時(shí)代的秘密/243
充分利用質(zhì)量把萬(wàn)有引力串起來(lái)復(fù)雜性的簡(jiǎn)單方面與宇宙握手拿出時(shí)間去制造時(shí)間
參考書目/269
前言盒子中的貓
哥本哈根解釋中最為奇怪的事情之一就是有意識(shí)的觀察者在決定微觀世界中發(fā)生了什么時(shí)的地位，這個(gè)問(wèn)題在盒子中貓的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)得最為清楚。這種情形的最簡(jiǎn)單例子就是假想一個(gè)盒子中只包含有一個(gè)電子。如果沒(méi)有人往盒子里面看，那么根據(jù)哥本哈根解釋，在盒子中的任何一處找到電子的機(jī)會(huì)是均等的——伴隨著電子的概率波均勻地分布在盒子中。現(xiàn)在假設(shè)仍然沒(méi)有人觀察盒子，一塊隔板自動(dòng)落在盒子中間，將原來(lái)的盒子分隔成相等的兩半。常識(shí)告訴我們，電子必定位于盒子的這邊或那邊。但是哥本哈根解釋告訴我們，概率波仍然均勻分布在兩個(gè)半盒子中。這意味著在盒子的任何一邊找到電子的概率是相等的。只有當(dāng)有人往盒子中看，并注意到電子位于盒子的一邊時(shí)，波函數(shù)才發(fā)生坍塌，電子才變成“真實(shí)的”。同時(shí)盒子另一半中的概率波消失。如果你將盒子重新關(guān)閉起來(lái)，停止對(duì)電子的觀察，這對(duì)概率波馬上傳播開(kāi)去填滿電子所在的那半個(gè)盒子，而不會(huì)傳播回電子曾經(jīng)所處的盒子的那一半中去。（至少不是等概率的。將有非常小的概率使電子位于盒子的另一半，或在整個(gè)盒子的外面。但是在本實(shí)驗(yàn)中那種概率可以忽略不計(jì)。）
物理學(xué)家鮑爾戴維斯簡(jiǎn)明地概述了這種情況：在觀察之前，有兩個(gè)模糊不清的電子“幽靈”分別位于兩個(gè)隔離室之中，等待一個(gè)觀察者使得其中的一個(gè)變成“真實(shí)的”電子盒子中的貓
哥本哈根解釋中最為奇怪的事情之一就是有意識(shí)的觀察者在決定微觀世界中發(fā)生了什么時(shí)的地位，這個(gè)問(wèn)題在盒子中貓的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)得最為清楚。這種情形的最簡(jiǎn)單例子就是假想一個(gè)盒子中只包含有一個(gè)電子。如果沒(méi)有人往盒子里面看，那么根據(jù)哥本哈根解釋，在盒子中的任何一處找到電子的機(jī)會(huì)是均等的——伴隨著電子的概率波均勻地分布在盒子中�，F(xiàn)在假設(shè)仍然沒(méi)有人觀察盒子，一塊隔板自動(dòng)落在盒子中間，將原來(lái)的盒子分隔成相等的兩半。常識(shí)告訴我們，電子必定位于盒子的這邊或那邊。但是哥本哈根解釋告訴我們，概率波仍然均勻分布在兩個(gè)半盒子中。這意味著在盒子的任何一邊找到電子的概率是相等的。只有當(dāng)有人往盒子中看，并注意到電子位于盒子的一邊時(shí)，波函數(shù)才發(fā)生坍塌，電子才變成“真實(shí)的”。同時(shí)盒子另一半中的概率波消失。如果你將盒子重新關(guān)閉起來(lái)，停止對(duì)電子的觀察，這對(duì)概率波馬上傳播開(kāi)去填滿電子所在的那半個(gè)盒子，而不會(huì)傳播回電子曾經(jīng)所處的盒子的那一半中去。（至少不是等概率的。將有非常小的概率使電子位于盒子的另一半，或在整個(gè)盒子的外面。但是在本實(shí)驗(yàn)中那種概率可以忽略不計(jì)。）
物理學(xué)家鮑爾戴維斯簡(jiǎn)明地概述了這種情況：在觀察之前，有兩個(gè)模糊不清的電子“幽靈”分別位于兩個(gè)隔離室之中，等待一個(gè)觀察者使得其中的一個(gè)變成“真實(shí)的”電子，同時(shí)導(dǎo)致另一個(gè)徹底地消失。（參見(jiàn)《原子中的幽靈》，第22頁(yè)。）在這里“同時(shí)”一詞也是非常重要的。它給出了非局域性在起作用的另一個(gè)例子。但是，在我進(jìn)一步討論它的含義之前，我想解釋一下，即薛定諤是如何演示下述論斷——觀察者使得位于盒子的這一半或另一半的電子成為真實(shí)的——的荒謬性的。
薛定諤的迷惑最初于1935年以印刷品的形式出現(xiàn)。這個(gè)迷惑需要建立一個(gè)量子環(huán)境，其中有兩種結(jié)果出現(xiàn)的概率是均等的。當(dāng)進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，它在原始的例子中使用了放射性衰減技術(shù)，因?yàn)榉派湓匆卜细怕室?guī)則。依據(jù)位于分隔后的盒子中的電子的問(wèn)題，我們很容易想象這個(gè)實(shí)驗(yàn)。薛定諤本人也參考了在一個(gè)鋼做的隔離室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)用量子力學(xué)的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述，那就是盒子中貓的問(wèn)題(盒子中還有其他東西)。我希望在更一般的意義上解釋術(shù)語(yǔ)“隔離室”。它能給貓?zhí)峁┮粋�(gè)空間，使貓?jiān)谄渲凶杂勺栽诘厣睢５@些絲毫不影響薛定諤論斷中的要點(diǎn)。設(shè)想一下我剛才描述的整個(gè)系統(tǒng)——一個(gè)分隔成兩半的盒子、一個(gè)電子和一塊自動(dòng)滑移的擋板——放置在一間沒(méi)有窗戶的、封閉的屋子里面的一張桌子上。擋板已經(jīng)自動(dòng)滑移，將盒子等分成兩半。電子在任何一邊出現(xiàn)的概率相等。在盒子外面有一個(gè)電子檢測(cè)器，這個(gè)檢測(cè)器連接到一個(gè)設(shè)備上。如果檢測(cè)器檢測(cè)到一個(gè)電子的話，這個(gè)設(shè)備將向屋子內(nèi)釋放毒氣。在屋子的一個(gè)角落里有一只貓，在安靜地享受它自己的生活。薛定諤將這個(gè)設(shè)備描述為“惡魔設(shè)備”，不過(guò)請(qǐng)記著，這僅僅是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有一只真正的貓?jiān)馐苓^(guò)我正要描述的侮辱。
薛定諤讓我們想象一下，如果恰好是裝有電子的盒子的那一邊自行打開(kāi)，允許電子跑出來(lái)，那將會(huì)發(fā)生什么事情?現(xiàn)在仍然沒(méi)有人去觀察在這間鎖住的屋子里面到底發(fā)生了什么。根據(jù)哥本哈根解釋，仍有50%的概率讓電子位于仍然封閉著的盒子的那一邊。但是現(xiàn)在也有50%的概率讓電子跑到屋子里面。既然這是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，我們就可以設(shè)想檢測(cè)器非常敏感，以至于它可以精確地檢測(cè)到跑到屋子中任何一個(gè)角落的電子。如果電子已經(jīng)從盒子中跑了出來(lái)，那就應(yīng)該被機(jī)器檢測(cè)到，從而就將觸發(fā)設(shè)備釋放毒氣，將貓殺死。
即使沒(méi)有人去觀察，你也可能會(huì)想象出事情的結(jié)果：要么電子從盒子中跑了出來(lái)，要么沒(méi)有跑出來(lái)。如果電子已經(jīng)從盒子中跑了出來(lái)，那么，當(dāng)它被檢測(cè)器“注意”到時(shí)，其波函數(shù)將會(huì)發(fā)生坍塌，從而貓就倒霉了。但是玻爾說(shuō)：常識(shí)告訴我們的是這個(gè)觀點(diǎn)錯(cuò)了。
量子理論的標(biāo)準(zhǔn)解釋告訴我們，因?yàn)殡娮訖z測(cè)器自身也是由量子世界的微觀單元(原子、分子等等)構(gòu)成的，在這個(gè)水平上與電子發(fā)生相互作用，檢測(cè)器也要遵從量子規(guī)則，包括概率規(guī)則。根據(jù)這個(gè)圖像，只有當(dāng)有人打開(kāi)門往屋子里面看時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)才會(huì)發(fā)生坍塌(這個(gè)人最好帶上防毒面具，如果他還想保證自己處于清醒狀態(tài)的話)。在那個(gè)時(shí)刻，也只有在那個(gè)時(shí)刻，電子才“決定”自己是在盒子里面還是外面，檢測(cè)器才“決定”自己是否檢測(cè)到了電子，貓才“決定”自己是死是活。哥本哈根解釋將在有人往屋子里面看之前的狀態(tài)稱為“疊加態(tài)”——或者用薛定諤的話說(shuō)：“活貓和死貓混合在一起，或者是以相等的份兒摻和在一起。”（參見(jiàn)《量子理論和測(cè)量》，第157頁(yè)。）
你可以想象屋子里面有一只貓，在同一刻它既是死的又是活的，或者它既不是死的，又不是活的，暫停在地獄的邊緣，隨你怎么看。但是根據(jù)哥本哈根解釋，你卻不能想象為在有人觀察之前，屋子里面有一只死貓，或者僅僅是一只活貓。
這個(gè)論斷的所有用意就在于突出哥本哈根解釋的悖論性，所以如果你能夠在其中找到漏洞也不足以為怪。一個(gè)明顯的迷惑就是你如何定義一個(gè)“有意識(shí)的”觀察者。貓自身是否足以知道它自己是否已經(jīng)吸入了毒氣，已經(jīng)死了呢?難道貓對(duì)于屋子中所發(fā)生事情的反應(yīng)與一個(gè)作為觀察者的人往屋子里面看有什么不同嗎?你將在什么地方劃分界線呢?從人的標(biāo)度往下看，一直到量子世界。請(qǐng)問(wèn)，一只螞蟻可以使波函數(shù)發(fā)生坍塌嗎?一個(gè)細(xì)菌呢?
換一個(gè)角度來(lái)看這個(gè)迷惑，即從量子世界往上看。因?yàn)殡娮釉O(shè)備是由量子實(shí)體例如原子和分子等構(gòu)成的，所以我們有充足的理由說(shuō)檢測(cè)器不能使波函數(shù)發(fā)生坍塌。但是人(或貓)也是由原子和分子來(lái)構(gòu)成的。如果檢測(cè)器不能使波函數(shù)發(fā)生坍塌，那么為什么我們能呢?在這種意義上，生命對(duì)于有意識(shí)的觀察者來(lái)說(shuō)是必要的嗎?當(dāng)一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算機(jī)往屋子里面看時(shí)能使波函數(shù)發(fā)生坍塌嗎?
離開(kāi)原始的電子，再往前走一步，如果一個(gè)人進(jìn)入屋子去看貓是否被毒死了，這時(shí)這個(gè)人便是屋子里面唯一的一個(gè)人，那么這時(shí)的情況又會(huì)怎么樣呢?嚴(yán)格的哥本哈根解釋說(shuō)，疊加態(tài)(薛定諤的涂片)包圍著這個(gè)觀察者。直到屋子外面的其他人來(lái)觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果(或者打電話進(jìn)來(lái)詢問(wèn)情況怎么樣)時(shí)為止。在有人觀察之前，不僅是貓，作為觀察者的人也是處于地獄的邊緣。那么又是誰(shuí)來(lái)觀察屋子之外的這個(gè)人，從而使其波函數(shù)發(fā)生坍塌呢?難道這整個(gè)的過(guò)程可以這么一直倒退著進(jìn)行下去嗎?
關(guān)鍵的問(wèn)題是：在量子概率性和我們所認(rèn)為的真實(shí)性之間的分界線在何處?一個(gè)系統(tǒng)在成為“真實(shí)的”、能夠使波函數(shù)發(fā)生坍塌之前應(yīng)該包含多少個(gè)分子?為了使系統(tǒng)完成這個(gè)功能，這些分子必須如何排布?
這就是那種目前還在使哲學(xué)家和量子力學(xué)家蒙受壓力的迷惑。他們都知道量子力學(xué)是實(shí)用的;同時(shí)他們都想知道它為什么是實(shí)用的，都想為沒(méi)有人觀察時(shí)封閉屋子里所發(fā)生的事情構(gòu)造一個(gè)可理解的圖像。盒子中的貓這個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)帶來(lái)這樣大的迷惑，但量子迷惑不止這些。在我講的量子力學(xué)的意義之前，我想借助于薛定諤的貓的兒女來(lái)揭示更深層次的神秘性。
第一章 古代光學(xué)
牛頓的世界觀
牛頓顏色理論的重要性不僅在于他是對(duì)的，而且在于他得到結(jié)論的方法。在牛頓之前，哲學(xué)家主要是通過(guò)思辨來(lái)發(fā)展自己的世界觀。例如笛卡兒雖然考慮了光傳播的可能方式，但他并沒(méi)有做實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證他的觀點(diǎn)。當(dāng)然，牛頓也并非第一個(gè)實(shí)驗(yàn)家，伽利略便在他對(duì)球從斜面上滾下來(lái)的運(yùn)動(dòng)方式的研究和單擺的工作中開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)的先河。但牛頓首先明確表述了科學(xué)方法的基礎(chǔ)，即思想(假定)、觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法�，F(xiàn)代科學(xué)正是建立在這一基礎(chǔ)之上。
牛頓的顏色理論，產(chǎn)生于他不得不離開(kāi)劍橋回家休假的這段時(shí)間里所做的一系列實(shí)驗(yàn)。到1665年，一束陽(yáng)光經(jīng)過(guò)一個(gè)三角透鏡后會(huì)變成一條像彩虹一樣的光譜的現(xiàn)象已被普遍認(rèn)識(shí)。對(duì)這一現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)解釋基于亞里士多德的觀點(diǎn)，即白光代表純凈的，沒(méi)有雜質(zhì)的形式，經(jīng)過(guò)玻璃則導(dǎo)致這種形式發(fā)生混亂。當(dāng)光進(jìn)入棱鏡時(shí)，它會(huì)發(fā)生彎曲，然后沿一條直線到達(dá)三角形的另一邊，在那里它再次彎曲后進(jìn)入空氣。同時(shí)光會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，從一個(gè)白色的光點(diǎn)變成一條彩色的線，沿三角形頂點(diǎn)向下，上面的光折曲最小，在玻璃中經(jīng)過(guò)較短的距離出射成為紅光。在下面三角形的邊要寬一些，光進(jìn)入棱鏡時(shí)要折曲的多一些，在玻璃中經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的距離到達(dá)另一邊進(jìn)入空氣而變成紫色。在兩者之間存在著彩虹中所有的顏色——紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。在一個(gè)黑暗的房子里，讓光通過(guò)窗簾上的一個(gè)小孔射進(jìn)來(lái)，把一個(gè)棱鏡擋在光束前面，對(duì)著窗戶的墻上就會(huì)出現(xiàn)彩色的光譜。
亞里士多德認(rèn)為，在玻璃中傳播距離最短的白光變化最小，成為紅光，而傳播距離稍長(zhǎng)則變化稍大，是黃色，然后以此類推直到紫色。
實(shí)際上牛頓用自制的棱鏡和透鏡對(duì)這些觀點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)改變透鏡的形狀，力圖減小顏色的變化。他第一個(gè)區(qū)分了光譜中不同顏色的光，并命名了7種顏色(他有意選擇了7種顏色，因?yàn)?是一個(gè)帶有某種神秘意義的素?cái)?shù)，如果你發(fā)現(xiàn)在彩虹中在藍(lán)色和紫色之間難以區(qū)分單獨(dú)的靛色，你絕對(duì)不屬于少數(shù)了)。
但是牛頓這次進(jìn)行的最重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)只不過(guò)是在第一個(gè)棱鏡后面放了第二個(gè)棱鏡，只不過(guò)放的方式不同，第一個(gè)棱鏡尖朝上放，將一束光譜展開(kāi)成彩色的光譜，第二個(gè)棱鏡尖朝下放，將展開(kāi)的彩色光譜變回了一束白光。雖然光經(jīng)過(guò)了更厚的玻璃，但它并沒(méi)有變得更混亂，而是回到了原來(lái)的純凈狀態(tài)。
牛頓認(rèn)為，這說(shuō)明白光一點(diǎn)也不“純凈”，而是由彩虹中所有顏色的光混合成的，不同顏色的光在折射時(shí)彎曲程度不同，但是在原來(lái)的白光中包含所有顏色的光。這是一個(gè)革命性的觀點(diǎn)，因?yàn)樗粌H推翻了亞里士多德哲學(xué)的一項(xiàng)基礎(chǔ)，而且還是建立在可信的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。但牛頓并不急于向世界宣布他的發(fā)現(xiàn)，他在1665年所獲得的對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)使他致力于一種新型望遠(yuǎn)鏡的研究。
用大透鏡做成的望遠(yuǎn)鏡(折射望遠(yuǎn)鏡)存在一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橥哥R同樣會(huì)把白光分解成有色的光譜。這樣所觀察的物體的圖像上會(huì)產(chǎn)生彩色條紋，使圖像模糊不清，使我們?cè)谟^察星星時(shí)非常不便，這種現(xiàn)象稱之為“色散”。牛頓發(fā)現(xiàn)要做出一個(gè)沒(méi)有色散的透鏡系統(tǒng)很困難(但并非不可能，如所謂的消色差透鏡系統(tǒng)，是利用兩片或多片折射性質(zhì)不同的玻璃來(lái)制作望遠(yuǎn)鏡，它不會(huì)產(chǎn)生色散)，因此，牛頓設(shè)計(jì)并制作了用曲面鏡而不是大透鏡的望遠(yuǎn)鏡——反射望遠(yuǎn)鏡。
牛頓的反射器想法很簡(jiǎn)單，用望遠(yuǎn)鏡后部的一片大曲面鏡把光反射到一個(gè)斜度45角放置的平面鏡上，使光改變方向穿過(guò)鏡壁上的一個(gè)小孔射出來(lái)，觀察者可以通過(guò)這個(gè)小孔來(lái)觀察，而不必?fù)?dān)心頭部會(huì)擋住星光。這個(gè)想法十分卓越，因?yàn)樗浅：?jiǎn)單，但用現(xiàn)有的材料制作一面精確的鏡子是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作，作為一個(gè)專業(yè)的工匠，牛頓自己動(dòng)手完成了鏡子。最后他做成了一臺(tái)長(zhǎng)約20厘米(6英寸)的儀器，這臺(tái)儀器產(chǎn)生的圖像比用四倍長(zhǎng)的反射器產(chǎn)生的圖像大九倍，而且沒(méi)有色散。
這時(shí)，瘟疫已經(jīng)漸漸過(guò)去，大學(xué)重新開(kāi)學(xué)，牛頓回到了劍橋。他在1667年當(dāng)選為三一學(xué)院的研究員。同年，英國(guó)和荷蘭爆發(fā)了戰(zhàn)爭(zhēng)，荷蘭艦隊(duì)在泰晤士成功地襲擊了英國(guó)人，劍橋也聽(tīng)到了槍炮聲，大家都知道是怎么回事;牛頓斷言荷蘭取得了勝利(事實(shí)果然如此)，這給他的同事留下了深刻的印象。他的理由是，槍炮聲越來(lái)越大，這說(shuō)明戰(zhàn)場(chǎng)越來(lái)越近，英軍正在撤退。
到1669年，由于他在數(shù)學(xué)上的工作，牛頓的聲望漸漸超出了劍橋的范圍。同年，第一位盧卡斯數(shù)學(xué)教授，艾薩克巴羅(于1663年任職)退休，實(shí)際上是為了牛頓。巴羅雖然是一位有成就的數(shù)學(xué)家，但他卻有另外的雄心。他很快成了國(guó)王的第一牧師，然后是三一學(xué)院院長(zhǎng)。他對(duì)亨利盧卡斯——是他設(shè)立的盧卡斯教職——的遺囑執(zhí)行人有足夠的影響，使得他的繼任者也是一個(gè)三一學(xué)院人，并作為一個(gè)知名的數(shù)學(xué)家開(kāi)始留下足跡。
這項(xiàng)任命保證了牛頓在劍橋的地位，但同時(shí)要求他作定期演講。他第一期演講的題目并不是數(shù)學(xué)而是光學(xué)和顏色理論，其中特別提到了透鏡的色散問(wèn)題。同時(shí)他自豪地向劍橋及周圍的同事展示了他的新望遠(yuǎn)鏡。實(shí)際上，現(xiàn)存的牛頓最早的信(寫給一個(gè)不知名者)寫于1669年，主要內(nèi)容就是描述望遠(yuǎn)鏡。
1671年底，皇家學(xué)會(huì)(1662年正式建立，實(shí)際上已于1645年非正式成立)得知了這項(xiàng)非凡儀器的消息�；始覍W(xué)會(huì)秘書，亨利奧登堡要求看一下這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，巴羅代替牛頓把它交給了在倫敦的學(xué)會(huì)。1672年1月奧登堡給牛頓寫了一封過(guò)分恭維的信，表達(dá)了學(xué)會(huì)對(duì)他這項(xiàng)發(fā)明的贊美，并告訴他，關(guān)于望遠(yuǎn)鏡的消息已經(jīng)通知了當(dāng)時(shí)在巴黎的惠更斯。作為新式望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者，牛頓逐漸開(kāi)始享譽(yù)歐洲大陸。由于這項(xiàng)發(fā)明，他于1672年1月11日當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，并于數(shù)周后發(fā)表了他的第一篇物理學(xué)論文，形式上是給奧登堡的一封信，信中牛頓闡述了他的顏色理論。這篇論文于1672年2月19日發(fā)表在學(xué)會(huì)的“哲學(xué)會(huì)刊”上，并導(dǎo)致了牛頓第一次著名的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論。
羅伯特胡克，生于1635年，死于1703年，當(dāng)時(shí)是皇家學(xué)會(huì)的實(shí)驗(yàn)館館長(zhǎng)。他在科學(xué)上已經(jīng)久負(fù)盛名，并對(duì)光和顏色有自己的觀點(diǎn)(他自己的光波動(dòng)論發(fā)表于1665年，但沒(méi)有惠更斯完善)，他總希望自己的任何工作都能搶到優(yōu)先權(quán)。在一封給牛頓的回信中以居高臨下的措辭，他首先否定了光是由微粒構(gòu)成的概念，并認(rèn)為牛頓的顏色理論與粒子假設(shè)無(wú)關(guān)，并不值得如此夸贊，胡克用詞尖刻，暗指牛頓理論中原創(chuàng)的東西是錯(cuò)的，而對(duì)的東西不是原創(chuàng)的。
爭(zhēng)論的結(jié)果有兩個(gè)：第一，它使牛頓從學(xué)術(shù)界躲避出來(lái)，把自己關(guān)在劍橋，很長(zhǎng)時(shí)間里拒絕發(fā)表更多的東西(他把自己完善的光學(xué)理論留在手中，直到胡克死后，確信不會(huì)發(fā)生問(wèn)題時(shí)才全部發(fā)表);第二是牛頓的那句名言——“如果我看得更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟稀�，尖刻地諷刺了胡克矮小的個(gè)子，同時(shí)暗指胡克才智不佳。（此句話與牛頓引力論無(wú)關(guān)，而是出自1675年他寫給胡克的一封信，距他的《原理》一書發(fā)表有12年。關(guān)于牛頓與胡克爭(zhēng)論的詳情，參見(jiàn)格里賓的《尋找時(shí)間的邊緣》第一章。）
另一項(xiàng)批評(píng)則使牛頓提出了對(duì)自己工作方法的認(rèn)識(shí)——什么是科學(xué)的方法。法國(guó)天主教耶穌會(huì)教士讓加斯東帕拉第斯從巴黎給牛頓寫了一封信，質(zhì)疑了牛頓理論中幾點(diǎn)牛頓認(rèn)為恰當(dāng)?shù)姆椒�。牛頓并沒(méi)有把帕拉第斯當(dāng)成傻瓜對(duì)待，而是回信詳述了自己的觀點(diǎn)，他寫道：
“哲學(xué)最好和最安全的方法似乎應(yīng)該是，首先努力探索事物的性質(zhì)，然后用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這些性質(zhì)，接著逐漸提出假設(shè)來(lái)解釋這些性質(zhì)。假設(shè)只能被用來(lái)解釋事物的性質(zhì)，而不是決定它們，它只是實(shí)驗(yàn)的奴仆。”（引自維斯弗《永不停息》，242頁(yè)。）
這就是科學(xué)之全部。無(wú)論你的理論多么完美，如果它與實(shí)驗(yàn)不符，那它就不是正確的。例如，牛頓的光的理論(可能應(yīng)稱之為“假設(shè)”，當(dāng)胡克用這個(gè)詞來(lái)定性牛頓的思想時(shí)，牛頓很不高興)，它將折射歸因于光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)的速度變化，但與惠更斯的理論不同，微粒說(shuō)要求光在稠密的媒質(zhì)中運(yùn)動(dòng)得更快。這就有了一種很明確的方法來(lái)區(qū)分這兩種思想;如果牛頓在有生之年能看到實(shí)驗(yàn)顯示光在稠密的媒質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的更慢時(shí)，他肯定會(huì)接受光是以波的形式傳播的觀點(diǎn)。
牛頓不僅建立了考察世界的科學(xué)方法，他(和惠更斯等同時(shí)代的人一起)還提出了第一個(gè)客觀世界的模型，它表明宇宙遵守確定的規(guī)律(或定律)，不同的現(xiàn)象，大到行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，小至光束的彎曲，都可以用這些規(guī)律來(lái)解釋，而不必借助于反復(fù)無(wú)常的神的一時(shí)興致。
17世紀(jì)的巨匠留給我們的圖景常被十分準(zhǔn)確的稱為“時(shí)鐘宇宙”，遵從永世不變的定律。但這里的時(shí)鐘并不是現(xiàn)在的鐘或手表的樣子，一秒一秒地走過(guò)，實(shí)際上我們應(yīng)該想象一下17世紀(jì)教堂里的那種大鐘，按照惠更斯的設(shè)計(jì)，由一個(gè)巨大的鐘擺驅(qū)動(dòng)，包括很多連在一起的大小齒輪，不僅驅(qū)動(dòng)了時(shí)間嘀嗒的流逝，同時(shí)還驅(qū)動(dòng)了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，能讓舞臺(tái)上的圣人像跳舞，能撞擊鈴鐺，在特定的時(shí)間產(chǎn)生特定的運(yùn)動(dòng)。17世紀(jì)的科學(xué)認(rèn)為，與此類似的鐘表系統(tǒng)支撐著行星繞太陽(yáng)的運(yùn)轉(zhuǎn)以及其他自然現(xiàn)象。
在牛頓留給我們的思想遺產(chǎn)中，第一點(diǎn)是宇宙中任何事物的行為都是可以預(yù)測(cè)的，正如教堂的大鐘在舞臺(tái)上人像的運(yùn)動(dòng)是可以預(yù)測(cè)的;第二點(diǎn)是用人腦可以理解的簡(jiǎn)單定律就可以理解宇宙是如何運(yùn)作的。因此，盡管對(duì)光本性的進(jìn)一步理解似乎表明牛頓的微粒說(shuō)是錯(cuò)的，但與取得的成就相比，這似乎顯得無(wú)關(guān)緊要，當(dāng)然這仍然是很重要的一步。
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