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科学大唠嗑:量子的奥秘(序)乌云蔽日

2021-02-25  悦读读书

科学大唠嗑

张 喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员

读书会共读老师

上世纪初,人们觉得物理学的伟大征程即将宣告结束。 

艾萨克·牛顿为经典物理学的框架奠定了基石,在接下来的两个世纪中,科学家们在科学研究中为这个世界创造了一个看似无懈可击的模型。这个模型可以包罗万象,为整个世界提供合理的解释。这其中从研究力与运动的相互作用到热力学、光学、电学、磁学以及万有引力。

更加神奇的是,这个框架不仅可以描述日常生活中的物体,就连远到可见宇宙边缘的物体也都能囊括其中,对于经典物理学的基本准确性、基本真理,人们都觉得没有可以怀疑的地方了。 

其实,牛顿的理论框架也是在不断的发展中的,而且在这个发展的过程中,牛顿本人也是做出了妥协的。

为了测量出所有的运动,他需要一个绝对空间和一个绝对时间的框架。在整个框架中,

最独特的地方就是引力。在牛顿理论的所有力中,力是一个物体通过接触,作用到另一个物体的物理现象。而引力则是指物体之间一种神秘的、相互的超距作用产生的影响。他由于在原本理性的、物理的和数学的精确描述中引入了“超自然的力量”,而遭到世人的诟病。 

牛顿在他最著名的《自然哲学的数学原理》一书的第二版中,添加了《综合注释》一文,他写道:到目前为止,我们已经用引力解释了天空和海洋的现象,但还没有找出此种力量的起因……我没能从现象中发现引力属性的原因,也没有提出任何假设。

 在牛顿看来,引力是一种能够瞬时发挥作用的力。但是为了保证能够给引力提供一种传输的介质,人们假想了一种无处不在、无比稀薄、充满整个空间的物质,这种物质被称为以太。 

除此之外,牛顿还把自己的力学范围扩展到了光。他认为光是由微小的颗粒组成的。同时期的英国自然哲学家罗伯特·胡克和荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯则认为光是一种波。但是由于牛顿在物理学上的权威地位,在接下来的一个世纪时间里微粒说一直处于统治地位。 

在1801年到1803年间,英国物理学家托马斯·杨向伦敦的英国皇家学会递交了一系列论文,重振了光的波动学说。这个时候,牛顿已经去世将近80年了。托马斯·杨认为,波动说是唯一可以解释光的衍射和干涉现象的理论。在他的实验中,光在穿过两个狭窄的、间距很小的细缝时,会产生明暗相间的条纹。这就是著名杨氏双缝干涉实验。 

在这个实验中光波从两条细缝射出来后,两束光线的波峰和波谷刚好一致,也就是所谓的相位相同。在这两束光的相互作用中,波峰与波峰一致的地方会相互叠加并加强,这叫作相长干涉,从而产生亮条纹;在波峰与波谷一致的地方相互抵消,这叫作相消干涉,从而产生暗条纹。虽然托马斯·杨的解释逻辑非常清晰,但是当时的物理学界却强烈的否定了他的观点。 

19世纪60年代,苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现电现象和磁现象存在紧密的联系,他把电学和磁学合二为一,创立了电磁学。迈克尔·法拉第在伦敦的英国皇家研究院所做的卓越的实验研究,则把这一点推向高潮。通过与流体力学的对比类推,麦克斯韦认为存在电磁场,并用一套复杂的微分方程描述了它的性质。 

在麦克斯韦的电磁场理论中,有一个问题他没有提出假设或者猜想。那就是这些场是如何在空间中进行传播的。麦克斯韦电磁场方程明确的表明了电场和磁场穿过自由空间时,是相互依存的,也就明确的说明了电场和磁场都是以波动方式传播的。而且,麦克斯韦还发现,这些电磁波的传播速度与光速完全相同。光也是一种电磁波。 

但是在当时人们的观念中,波是某种物质中的扰动,比如说水波、声波,需要水和空气作为媒介才能传播。那么光波在传播时的媒介究竟是什么呢?以太再一次被人们从记忆中唤醒。虽然法拉第拒绝以太的概念,但麦克斯韦却不得不把以太纳入自己的电磁场理论之中。 

如果没有以太,牛顿的引力和麦克斯韦的电磁现象似乎都无法得到解释。而以太的存在,某些物理学上的结果就可以被预言出来了。

1887年,美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷对以太这一预言做了最严苛的检验。他们认为地球在太空中的运动,实际上可以认为是拖曳着周围的以太一起运动。

声波在空气中有一个特性,就是顺着强风的方向,传播的速度会加快。那么光波是不是也是这样,在顺着以太所谓流动的方向上速度也会加快。

这就意味着相对于地球在太空中的运动方向,不同方向的光速会存在可以测量出的偏差。结果他们发现,没有证据能够证明地球在太空中的运动存在着拖曳效应,也就没有证据证明地球和以太之间存在相对运动,光线在各个方向上传播的速度都一样! 

到了世纪之交的1900年,牛顿构筑的物理学大厦从外表上看依然还是坚不可摧的,整个结构运转的都还是那么完美。但是物理学家们还是要面对一个选择,要么放弃引力的超距作用,要么就不再把它当作一个问题。 

此时,关于光的一系列实验已经证明,牛顿在光的问题上是有可能犯错的,麦克斯韦的电磁场理论在光的传播媒介上虽然还存在一些疑点,但是光的波动理论与他创建的电磁场方程却相当一致。 

就在物理学家们满怀着胜利在望的心情迎接新世纪的时候,1900年,英国物理学家开尔文勋爵在英国科学促进会的一次会议上发表了著名的宣言——

“现在,物理学中已没有什么新东西有待发现了,剩下的工作就是越来越精确的测量。” 

开尔文勋爵

话虽如此,这个时候的实际情况是,在19世纪的最后十年,反面的证据已经相继出现,经典物理学的力学理论已经开始动摇了,1900年4月,开尔文勋爵在英国皇家研究院的演讲中认为,在热和光的动力学理论上空,仍然还存在着两朵19世纪的“乌云”。 

此时此刻的这两朵乌云仍然在不断的聚集,而且即将遮天蔽日,但是没有人能够判断出暴风雨即将出现在哪里。

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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目,每周更新一次,作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动,也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗?》的领读者。对于科普爱好者,此栏目是一个相当大的福利。期待张老师下一次更新!

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