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上一主题：陈绍光老師随笔：2.3 相对论和量... 下一主题：光速不变只是个传说
[楼主]  [61楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/11 23:23 
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附：赫兹证明电磁波的故事

我们的故事要从1887年的德国小城——卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)讲起。美丽的莱茵河从阿尔卑斯山区缓缓流下，在山谷中辗转向北，把南方温暖湿润的风带到这片土地上。它本应是法德两国之间的一段天然边界，但十六年前。雄图大略的俾斯麦通过一场漂亮的战争击败了拿破仑三世，攫取了河对岸的阿萨斯和洛林，也留下了法国人的眼泪和我们中学课本中震撼人心的《最后一课》的故事。和阿尔萨斯隔河相望的是巴登邦，神秘的黑森林从这里蜒展开去，孕育着德国古老的传说和格林兄弟那奇妙的灵感。卡尔斯鲁厄就安静地躺在森林与大河之间，无数辐射状的道路如蛛网般收聚．指向市中心那座著名的l 8世纪的宫殿。这是一座安静祥和的城市，据说，它的名字本身就是由城市的建造者卡尔(Karl)和“安静”(Ruhe)一词所组成。对于科学家来说，这里实在是一个远离尘世喧嚣，可以静心做研究的好地方。
现在。海因里希•鲁道夫•赫兹(Heinrich Rudog Hertz)就站在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里，专心致志地摆弄他的仪器。那时候，赫兹刚刚三十岁。新婚燕尔，也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师亥姆霍兹一样鼎鼎有名的人物，不会想到他将和汽车大王卡尔•本茨(Carl Benz)一起成为这个小城的骄傲。现在他的心思，只是完完全全地倾注在他的那套装置上。
赫兹给他的装置拍了照片，不过在19 世纪80年代，照相的网目铜版印刷技术还刚刚发明不久，尚未普及。以致连最好的科学杂志如《物理学纪事》都没能把它们印在论文里面。但是我们今天已经知道，赫兹的装置是很简单的：它的主要部分是一个电火花发生器。有两个大铜球作为电容，并通过铜棒连接到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去，缠绕在一个大感应线圈的两端，然后又连接到一个梅丁格电池上，将这套古怪的装置连成了一个整体。
赫兹全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球，然后合上了电路开关。顿时，电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装置里的感应线圈，并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置，在心里面想象着电容两端电压不断上升的情形。在电学的领域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是有充分信心的。他知道，当电压
上升到2万伏左右，两个小球之间的空气就会被击穿，电荷就可以从中穿过，往来于两个大铜球之间，从而形成一个高频的振荡回路(LC回路)。但是，他现在想要观察的不是这个。
果然，过了一会儿，随着细微的“啪”的一声，一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之问，整个系统形成了一个完整的回路，细小的电流束在空气中不停地扭动，绽放出幽幽的荧光来。火花稍纵即逝，因为每一次的振荡都伴随着少许能量的损失，使得电容两端的电压很快又降到击穿值以下。于是这个怪物养精蓄锐，继续充电，直到再次恢复饱满的精力，开始另一场火花表演为止。
赫兹更加紧张了。他跑到窗口，将所有的窗帘都拉上，同时又关掉了实验室的灯，让自己处在一片黑暗之中。这样一来，那些火花就显得格外醒目而刺眼。赫兹揉了揉眼睛，让它们更为习惯于黑暗的环境。他盯着那串间歇的电火花，还有电火花旁边的空气，心里面想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路，他这个实验的目的，是为了求证那虚无缥缈的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊，它看不见，摸不着，到那时为止谁也没有见过，验证过它的存在。可是，赫兹对此是坚信不疑的，因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言，而麦克斯韦理论……哦，它在数学上简直完美得像一个奇迹!仿佛是上帝之手写下的一首诗歌。这样的理论，很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气，又笑了：不管理论怎样无懈可击，它毕竟还是要通过实验来验证的呀。他站在那里看了一会儿，在心里面又推想了几遍，终于确定自己的实验无误：如果麦克斯韦是对的话，那么每当发生器火花放电的时候，在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场。同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去，在不远处．放着两个开口的长方形铜环，在开口处也各镶了一个小铜球。那是电磁波的接收器。如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话，那么它就会飞越空间，到达接收器，在那里感生一个振荡的电动势，从而在接收器的开口处也同样激发出电火花来。
实验室里面静悄悄的，赫兹一动不动地站在那里，仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越。当发生器上产生火花放电的时候，接收器是否也同时感生出火花来呢?赫兹睁大了双眼，他的心跳得快极了。铜环接收器突然显得有点异样，赫兹简直忍不住要大叫一声，他把自己的鼻子凑到铜环的前面，明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间
的空气里跃过。是幻觉，还是心理作用?不，都不是。一次，两次，三次，赫兹看清楚了：虽然它一闪即逝，但上帝啊，千真万确，真的有火花正从接收器的两个小球之间穿过，而整个接收器却是一个隔离的系统，既没有连接电池也没有任何的能量来源。赫兹不断地重复着放电过程，每一次，火花都听活地从接收器上被激发出来，在赫兹看来，世上简直没有什么能比它更加美丽了。
良久良久，终于赫兹揉了揉眼睛，直起腰来：现在一切都清楚了，电磁波真实地存在于空间之中，正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了，成功地解决了这个八年前由柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题；同时，麦克斯韦的理论也胜利了，物理学的一个新高峰——电磁理论终于被建立起来。伟大的法拉第(MichaeI Faraday)为它打下了地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体，而今天，他——伟大的赫兹——为这座大厦封了顶。
赫兹小心地把接收器移到不同的位置，电磁波的表现和理论预测的分毫不差。根据实验数据，赫兹得出了电磁波的波长。把它乘以电路的振荡频率，就可以计算出电磁波的前进速度。这个数值在可容许误差以内恰好等于30万公里／秒，也就是光速。麦克斯韦惊人的预言得到了证实：原来电磁波一点都不神秘，我们平时见到的光就是电磁波的一种，只不过普通光的频率正好落在某一个范围内，而能够为我们的眼睛所感觉到罢了。
无论从哪一个意义上来说，这都是一个了不起的发现。古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面，而“光是电磁波的一种”的论断也终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了，这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性，无疑是电磁理论的一个巨大成就。
赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里，可是，作为一个纯粹的严肃的科学家，赫兹当时却没有预见到他的发现里面所蕴藏的巨大的商业意义。在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里，他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘，根本没有料到他的实验会带来一场怎么样的时代革命。赫兹英年早逝，还不到37岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而，就在那一年，一位在伦巴第度假的20岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文。两年后，这个青年已经在公开场合进行无线电的通讯表演，不久他的公司成立，并成功地拿到了专利证。到了1901年，赫兹死后的第七年，无线电报已经可以穿越大西洋，实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫•马可尼(Guglielmc，Mar—
coni)，与此同时俄国的波波夫(Aleksandr P叩ov)也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴，把整个人类带进了一个崭新的“信息时代”。如果赫兹身后有知，他又将会做何感想呢?
但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学家，把对真理的追求当做人生最大的价值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景，也会不屑去把它付诸实践吧?也许，在美丽的森林和湖泊间散步，思考自然的终极奥秘；在秋天落叶的校园里，和学生探讨学术问题，这才是他真正的人生吧?今天。他的名字已经成为“频率”这个物理量的单位，被每个人不断地提起。可是说不定他还会嫌我们打扰他的安宁呢？ 无疑，赫兹就是这样一个淡泊名利的人。1887年10月，伟大的基尔霍夫(Gustav Robert Kirt。'hhoff’)在柏林去世，亥姆霍兹强烈地推荐赫兹成为那个教授职位的继任者，但赫兹却拒绝了。也许在赫兹看来，柏林的喧嚣并不适合他。亥姆霍兹理解自己学生的想法，写信勉励他说：“一个希望与众多科学问题搏斗的人最好还是远离大都市。”
只是赫兹却没有想到，他的这个决定在冥冥中忽然改变了许多事情。他并不知道，自己已经在电磁波的实验中亲手种下了一个幽灵的种子，而顶替他去柏林任教的那个人，则会在一个命中注定的时刻把这个幽灵从沉睡中唤醒过来。在那之后，一切都改变了，在未来的三十年间，一些非常奇妙的事情会不断地发生，彻底地重塑整个物理学的面貌。一场革命的序
幕已经在不知不觉中悄悄拉开，而我们的宇宙也即将经受一场暴风雨般的洗礼，从而变得更加神秘莫测，光怪陆离，震撼人心。

【阅读与欣赏11】
诺贝尔奖金知多少
诺贝尔奖今天已经有很多钱了。奖金的金额随着物价浮动而增长，有时会飞跃。当今诺贝尔奖的价值，大概是100年前的一倍半了。下面是以瑞典克朗表示的一些例子(2000年，1美元约等于9瑞典克朗)：
1901年150 800 1940年138 600 1980年880 000
1910年140 700 1950年164 300 1990年4 000 000
1920年134 100 1960年226 000 1995年7 200 000
1930年172 900 1970年．400 000 2000年9 000 000
在大多数国家，诺贝尔奖金是免税的，美国显然是个例外。
1998年12月31日，诺贝尔基金会的投资的市场价值是3162百万瑞典克朗，营业收入是504百万瑞典克朗，运营费用是23百万瑞朗。规定由诺贝尔的资产而赚到的钱，只能用作诺贝尔奖的奖者紧密相关的活动。后者包括向诺贝尔评奖委员会的委员们和专家所支付的费用。还有一些小的诺贝尔奖机构，设立的初衷审查那些可以考虑授予诺贝尔奖的不同发现。但是很快就发现审查根本是不可能的，也是多余的，一些这类的诺贝尔奖机构还留了下来，作为小型研究机构，由诺贝尔基金会资助。与诺贝尔奖关系不紧密的开销，例如每年描述最新诺贝尔奖得主及其成就的海报的制作费用，或者诺贝尔博物馆的运营费用，虽然也是诺贝尔奖制度的一部分，却必须由外部资金来维持。
使用奖金的一个最有名的例子，莫过于在还没有赢得奖金之前就把它派发出去了。爱因斯坦(Albert Einstein，1921年物理学奖得主)在1903年与他的第一任妻子米列娃•马里奇(Mileva Maric)结婚，马里奇是他在瑞士联邦工学院求学时的一个同学。那时他们有一个一岁的女儿。他们的女儿出生的时候，爱因斯坦在伯尔尼专利局工作，米列娃则回到了她的祖国塞尔维亚。那个女儿据称可能是在她父母婚礼后不久就死于一次传染病。最后他们的婚姻于1919年以离婚告终，那时人们就预测爱因斯坦迟早会赢得诺贝尔奖。离婚协议上规定，不论何时得奖，奖金都必须给马里奇。 1922年爱因斯坦被授予1921年的诺贝尔物理学奖，奖金是32 000美元。
迈克尔.史密斯(Michael Smith，1993年化学奖得主)与他人分享奖项，得到了大约50万美元。他把这笔钱的大部分都用于支持关于精神分裂症的研究、前沿的科研计划，并鼓励女性参加科学研究。不过他还是留下了足够的钱供他邀请他的客人们参加斯德哥尔摩的颁奖典礼。多萝西.霍奇金(Dorothy Hodgkin，1964年化学奖得主)也是这样做的，随后的年月里，她把此外剩余的奖金一批批地委托用于各种崇高的事业中。布洛贝尔(1999年生理学医学奖得主)一获悉他赢得1999年10月的诺贝尔奖以后，就宣布他会把奖金捐给德累斯顿的重建。菲利普•安德森(Philip Anderson，1977年物理学奖得主)把他的奖金都捐献给他家乡了。他于1977年获得了三分之一的物理学奖金，当年全部奖金的数额还不到10万美元。当时瑞典的经济不景气，诺贝尔基金会的财政也没有得到很好的打理。
诺贝尔奖奖金一次令人印象深刻的分配，发生在1923年的生理学医学奖上。班廷(Fredenck Banting)和约翰．麦克劳德(JohnMacleod)因为发现胰岛素而获奖，这项工作最初是由班廷和他的学生助手贝斯特(Charles Best)做的。1922年，出自班廷、贝斯特和麦克劳德之手的获奖工作完成了。班廷拿出他的奖金和贝斯特共享，而麦克劳德也拿出他的奖金和科利普(J．B．Collip)分享，科利普在后期参与了研究工作。这次授奖是遵照诺贝尔《遗嘱》的字面意思把奖项颁给“前一年”做出的研究的约定的少数几例之中的一例。但是这次仓促的授奖，或许使得在评价到底谁做了获奖工作时出现了错误。班廷和贝斯特才是最主要的发现者。一个关于为什么贝斯特没有获奖的正式解释是因为没有人提名他。
 [62楼]  作者:刘岳泉  发表时间: 2009/04/12 00:04 
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    这样系统发帖很好，收藏了，以后有时间再拜读。

※※※※※※
相对论误导科学走斜路，是非曲折待历史见证；引力场以太旧貌焕新颜，定海神柱将扭转乾坤。.................... 想当初时空迷思闯科海，荣辱以乐可生命当歌；看如今闲庭信步攀高峰，重构宇宙再平展时空。
[楼主]  [63楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 08:06 
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谢谢你的指点
[楼主]  [64楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 08:18 
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第三章 微粒说死灰复燃
一、第一朵乌云：迈克尔逊——莫雷试验
“十九世纪初，人们认为一切波的传播必须依赖媒质，波的传播速度就是以这种媒质作为参照物。由麦克斯韦方程组可知，光的传播媒质就是以太，光的速度就是光在静止以太中的传播速度。因此，以太的存在性就成了一个极为重要的事情。在十九世纪最后的十多年里，“以太”理论成了物理学中极为灿烂的一颗明星。人们设想自然界中所有的力和作用全都靠“以太”形成。“以太”与原子并列，被看成是宇宙的基本构成要素。
以1900年为分界线，“以太”这颗明星便开始殒落。当时，一方面，为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性，这是不可思议的。另一方面，固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。然而，从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊—––莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。按照开尔文勋爵的意见，这就是物理学上空的第一朵乌云。
根据光行差现象，地球以30公里/秒的速度在静止的以太中穿行。因此，在地球上就能感受到“以太风”。就象在汽车前进时，头伸出窗外有风一样。人们千方百计企图测出“以太风”，并以此来证实以太的存在。
1881年，迈克尔逊（A.A.Michelson）用他所发明的一种空前灵敏的仪器——迈克尔逊干涉仪来测量地球相对于以太的运动，也就是“以太风”。这是一个极为重要的试验，为了容易明白历史上原本的观点，我们下面就来介绍一下迈克尔逊—莫雷实验。
迈克耳孙当时是美国安那波利斯(Annapolis)海军学院的一名物理教师，擅长光学测量。1879年靠纽科姆的帮助，赴欧洲学习。1880年，他在柏林大学的赫姆霍兹实验室，利用德国光学仪器生产发达的优越条件，创造性地进行了干涉仪实验。
干涉仪的实验是这样的：光源S发出的光，经45°的半透半反镜M，分成互相垂直的两束光1和2。透射光束1经反射镜M1反射，返回M后再反射到望远镜T中；反射光束2，经反射镜M2反射后也返回M，再透过M到达望远镜T。两束光在望远镜中发生干涉。也就是说将来自光源的光用半透半反镜分成互相垂直的两路，各自在一定距离的镜子上反射，使返回的两路光线通过半透半反镜再次平行，然后可观察到它们在望远镜中或屏幕上所产生的干涉条纹。实验装置放在十字形的托架上，整个装置可以在支柱上旋转。开始，托架的一臂朝东西方向，然后旋转90°，这时再观察干涉条纹的移动。根据迈克尔逊的计算，旋转90°以后，干涉条纹应该有0．04倍条纹宽度的移动。但是在1881年所进行的这一实验中没有看到那样的移动。
迈克尔逊—莫雷实验的设计思想是这样的：固定在实验室中的测量装置仿佛是“河岸”，漂移着的“以太风”类似于“河流”，相对于以太以恒定速率传播的光波相当于“小船”。于是，相互垂直的两束光往返于同样距离所需的时间差异，就会产生“以太漂移”。相对于以太以恒定速率传播的光（就是所谓的“小船”），用一面半透半反镜形成两束相互垂直的光束，其中一光束沿垂直于以太风的路径射向一面镜子，另一光束则沿平行于以太风方向的等长路径射向另一面镜子。整个光学装置使两束光反射后回到同一观察屏上产生干涉现象，然后旋转90°，这时再观察干涉条纹的移动。试验结果表明：没有出现人们所期待的干涉条纹的移动，也就是没有产生“以太漂移”。或者说以太的存性在就有了问题。
不过，这次实验的精度还不够高，数据计算也有错误。1881年冬，巴黎的波蒂埃指出了计算中的错误(估计的效果比实际大了两倍)，洛伦兹在1884年也指出了这些问题。因此，无论迈克耳逊还是其他人，都没有把这次实验看作是决定性的。迈克耳逊本人此后也将兴趣转移到了精密测定光速值，对1881年的实验进行改良的工作就这样搁置下去了。
1884年秋，威廉•汤姆逊访问美国，他在巴尔的摩作了多次讲演。到会听讲的迈克耳逊有机会会见了与汤姆孙一起访美的瑞利勋爵，他们就1881年的实验交换了意见。与此同时，瑞利也转达了洛伦兹的意见。瑞利的劝告给迈克耳逊以极大的勇气，他进一步改进了干涉仪，和著名的化学教授莫雷一起，于1887年7月在克利夫兰重新进行了实验。
为了维持稳定，减小振动的影响，迈克耳逊和莫雷把干涉仪安装在很重的石板上，并使石板悬浮在水银液面上，可以平稳地绕中心支轴转动。为了尽可能增大光路，尽管干涉仪的臂长已达11米，他们还是在石板上安装了多个反射镜，使钠光束来回往返八次。根据计算，这时干涉条纹的移动量应为0.37，但实测值还达不到0.01。
试验结果仍然是否定的。迈克耳逊和莫雷认为，如果地球和以太之间有相对运动，那么相对速度可能小于地球公转速度的1/60，肯定小于1/40。他们在实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。”
1887年实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的，而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的，就连迈克耳逊自己对他的结果也大失所望，他称自己的实验是一次“失败”，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用来于其他事去了。
迈克耳逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义，他觉得实验之所以有意义，是因为设计了一个灵敏的干涉仪，并以此自我安慰。直到晚年，他还亲自对爱因斯坦说，他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”，他实在是有点懊悔的。
洛伦兹对迈克耳逊实验的结果也感到郁郁不乐，他在1892年写给瑞利的信中说：“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾，不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，……我们就根本不会有一个合适的理论了”。洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重：“在迈克耳逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？”
瑞利在1892年的一篇论文中认为：“地球表面的以太是绝对的静止呢，还是相对的静止呢？”这个问题依然悬而未决。他觉得迈克耳逊得到的否定结果是“一个真正令人扫兴的事情”，并敦促迈克耳逊再做一次实验。威廉•汤姆孙直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。

【阅读与欣赏12】
颁发诺贝尔奖的庆宴
每年的10月10日左右，都是斯德哥尔摩激情洋溢的日子，那天诺贝尔物理学奖和化学奖都在科学院的新闻发布会上公布，之间间隔几个小时。科学院的秘书，尊敬的诺贝尔评奖委员会的主席和委员会中最了解授奖发现的委员，一起坐在一张面对着马蹄形大桌子的小
桌子前，马蹄形大桌子后面坐着许多记者。其他的参加者，主要是中学生，沿着那漂亮的房间的墙坐着，墙上密密麻麻地装饰着伟大科学家们的油画。这件事的重大教育价值是不容忽视的，一旦宣布获奖者以后，所有状奖者都要在科学院发表一个演讲，之后要吃一顿饭。这顿饭比较严肃．也很简朴．但是在最终达成决定的紧张过程之后，科学院的院士都放松下来了。
一次，演讲者是杰拉西。 杰拉西是世界上著名的科学家，最知名的是首次合成了口服避孕药，本来应该获得诺贝尔化学奖的。后来他成了一名作家和剧作家，他经常写有关诺贝尔奖的话题。这可能是因为他离诺贝尔奖特别近吧，在科学院的宴会上，他发表了一个名为“诺贝尔豌豆奖”的演说，说明了他对于始终没有得奖的难以释怀。诺贝尔奖就像在瑞典的袋子里放了一听绿色的豆子。在笑话中，杰拉西看到了人们对他文学才能的承认，证明他的瑞典朋友都读过他的小说《坎托的困境》(Cantor。’sI)ilemma)。”在这本书里，虚构的教授坎托和他的研究伙伴获得了诺贝尔奖，因为他们做出了一个关于肿瘤发生的伟大设想。关于诺贝尔奖庆典的各种细节在书里都有叙述，这是因为杰拉西通过提名他的朋友们入选诺贝尔奖而变得有经验起来，他悉心研究了诺贝尔奖庆典的各种细节。他描述了最主要的庆祝性宴会，在宴会上王后会评论世界各地的饮食习惯。美国人用刀和叉来切割，然后放下刀，把叉交到另一只手里，之后就只用叉了。欧洲人连续地使用刀和叉，是一种比美国人更有效的方式。吃豌豆的时候，美国人用叉，因为这时他们的刀已经放起来了。欧洲人的习惯则不是如此。欧洲大陆的人，连续不断地使用刀和叉，用刀把豆子铲到叉子上。不过英国人虽然也同时使用这两种餐具，但是当他们割肉的时候，始终用叉顶着盘子。要用这种倒转的叉子收集并叉起几颗豆子，是极其困难的，因为它们会滚落下来。一种解决的办法是用刀碾碎豆子，这样 它们就不会滚动了。这个非常有趣的故事，就是在诺贝尔奖颁奖宴会的环境下讲的。
“诺贝尔周”(Nobel week)的程序令人疲倦，因此有个著名的获奖者建议，可以用一个皇家信使传递获得诺见尔奖的信息，从而代替获奖者亲自到斯德哥尔摩参加庆典。穆利斯(1993年化学奖得主)则详细陈述如下：
那是我生命中最疲惫的两周。我回来以后都快死了，但是我喜欢这两个礼拜……整个过程都充满了最有魅力的事件，从我到那里开始，一直到我离去。我乘坐一艘小船从马尔默到哥本哈根。当我上船的时候，船上静悄悄的，但是有人认出了我。他戴着一顶大帽子，上面还插着一根大羽毛，是一个穿着怪异的瑞典人。他看见我过来，就摘了帽子，并且深深地鞠了一躬说，穆利斯博士，瑞典人民热爱您。他特别大声地说，引得众人鼓起掌来，而我则叫喊起来。
新的诺贝尔奖得主和他们的家人12月份的时候会在瑞典度过两周。典型的日程可以归结如下。其中除了颁奖典礼以外其他有可能变更，颁奖典礼通常是在12月10日，诺贝尔去世的那天。
12月6日 诺贝尔奖得主抵达斯德哥尔摩。获奖者常常把他们的头等舱机票换成几张经济舱的机票，以便他们的家人一起过来。而有时一些航空公司，特别是瑞典航空，会把这些机票现场升舱。且抵达以后，每位获奖者会配备一辆带司机的汽车，而且瑞典外交部会指派一大使馆专员，在他们逗留期间陪同他们。 12月历日 记者招待会，由颁奖组织负责接待，随后会与诺贝尔奖评奖委员会的成员一起进餐。
12月8日 诺贝尔奖得主必须尽一个义务，那就是受奖时要发表一个演说。一般演说都是在颁奖当天发表的，不过也有晚一些日子获奖者又返回斯德哥尔摩发表演说的情况。获奖者可以在6个月以内的时间里发表他们的演说。 当然如果他不肯演讲的话，也不会
受到责怪。伦琴1901年去了斯德哥尔摩，并且领取了奖项，但是他没有演讲；他说他回来再讲，但他没有这么做。
获奖者们每年的演讲都会被汇编成册，然后在一套丛书里出版，书名为《诺贝尔奖》(Les Prix Nobel)。不同的科学期刊，以及按不同科学领域各自独立的丛书系列，都会刊出它们。显然，在已经出版的文献里没有伦琴的演讲，其他少数一些人也被疏漏了。例如盖尔曼(1969年物理学奖得主)虽然发表了演讲，但是没有提交出版。另一方面，艾克曼(1929年生理学医学奖得主)因为生病而没有发表演说，但是提交了讲稿。在获奖之后的一年内，艾克曼就去世了。
除了发表演讲，获奖者还要参加各种庆典活动。通常的惯例是他们国家的大使馆12月9日要接待他们，斯德哥尔摩的首席拉比邀请犹太人获奖者享受特殊的服务和招待。
12月10日 这一天是诺贝尔逝世纪念日和授奖日。早上有一场排练，真正的庆典于下午在斯德哥尔摩音乐厅举行。每个细节都受到极大的重视，充分利用百年来的经验。装饰音乐厅的花是从意国卫生运动雷莫运来的，诺贝尔在那里生活了很久。斯德哥尔摩爱乐交响乐团会演奏一些与获奖者国家相关的音乐片断。庆典首先由诺贝尔基金会董事会的主席致辞，接着五个评奖委员会的代表会宣读当年受人尊敬的获得诺贝尔奖的研究、发现和成就。和平奖则会在当天的早些时候在奥斯陆宣布。
关于奖项的顺序，诺贝尔已经做了很多规定，先是物理学奖，接着是化学奖，然后是生理学医学奖，最后是文学奖。诺贝尔奖颁奖庆典的方案遵守着严格的规，如果只有一个物理学奖得主，他的妻子将由国王挽着手臂进入宴会厅。更进一步的规则规定了对其他获奖者及其配偶在进入宴会厅的时候和皇室成员的配对情况，同时也会兼顾宴会中座位的安排。学科的分级系统也决定了获奖者在颁奖典礼上从国王手中领取奖状和奖章的顺序。1963年，三位物理学奖得主之一是一位女士，格佩特一迈耶，而按照名字的字母顺序她排在了物理学奖得主中的第一个。这也许给方案的制定者们提出了一个难题。但是，他们还是选择了维格纳作第一位，因此新的优先顺序还是没有得以建立。维格纳的第一位优先权可以解释成这样，因为他是得了二分之一奖金，而格佩特一迈耶和延森分享了另外二分之一。
颁奖典礼结束以后会在斯德哥尔摩市政厅举行正式的宴会。喝过咖啡之后，获奖者会向听众发表一段简短的讲话。每个领域只能有一段讲话，所以如果有两位或者三位获奖者的话，他们就要自己从中选出一位作代表。
有很多机会让斯德哥尔摩大学和瑞典皇家理工学院的学生见到获奖者并与他们交谈。不仅如此，新闻媒体，包括电视台，都会采访获奖者，向他们问很多最相关的问题或者不相关的问题。
l 2 月11 日 获奖者在诺贝尔基金会拿到支票。晚上在皇宫有一场晚宴。
12月12日 参加多场与学生的会谈，接受很多新闻采访，也参加更多的文化活动。
12月13日 这是诺贝尔周官方程序中的最后一天，它也是瑞典的露西娅节(Lucia day)。早上6点的时候，宾馆的员工会换上白色的衣服，拿着蜡烛，前去叫醒获奖者。她们象征赋予光明的女神和她的扈从，预示着光明回归北半球。
莱维一蒙塔尔奇尼(1986年生理学医学奖得主)为诺贝尔奖的庆典增加了最富诗意的注脚。她由于发现神经生长因子(NGF)而获奖，她第一次发现NGF是“在预料中的，发现于里约热内卢狂欢节之前的气氛中”，那是1952年的事。之后，1986年12月，NGF在泛光灯的照耀下出现在公众面前，处于巨大的被装饰得光彩照人的用于庆典的大厅的包围中，瑞典皇室、王子们、身穿富贵的节日盛装的女士们都出席了，还有身着燕尾晚礼服的绅士们。他身披黑色斗篷，向国王鞠了一躬，片刻间，他弄低了一点遮着脸的面纱。当他在欢呼的人群中寻找我的时候，我看见了他，有那么几秒钟我们彼此认出了对方。然后他戴好了面纱，就像他的突然出现那样，又突然消失了。”
[楼主]  [65楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 10:20 
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二、第二朵乌云：紫外灾变
开尔文在世纪之初提到了物理学里的两朵“小乌云”。其中第一朵是指迈克尔逊一莫雷实验令人惊奇的结果，第二朵则是人们在黑体辐射的研究中所遇到的困境。 这要从那令人困惑的“黑体”开始。大家都知道，一个物体之所以看上去是白色的，那是因为它反射所有频率的光波；反之，如果看上去是黑色的，那是因为它吸收了所有频率的光波的缘故。物理上定义的“黑体”，指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体，比如一个空心的球体，内壁涂上吸收辐射的涂料，外壁上开一个小孔。那么，因为从小孔射进球体的光线无法反射出来，这个小孔看上去就是绝对黑色的，即是我们定义的“黑体”。
19世纪末，人们开始对黑体模型的热辐射问题发生了兴趣。其实，很早的时候，人们就已经注意到对于不同的物体，热和辐射频率似乎有一定的对应关联。比如说金属，有过生活经验的人都知道，要是我们把一块铁放在火上加热，那么到了一定温度的时候，它会变得暗红起来(其实在这之前有不可见的红外线辐射)，温度再高些，它会变得橙黄，到了极度高温的时候，如果能想办法不让它汽化了，我们可以看到铁块将呈现蓝白色。也就是说，物体的辐射能量、频率干¨温度之间有着一定的函数关系(在天文学里，有“红巨星”和“蓝巨星”。前者呈暗红色，温度较低。通常属老年恒星；而后者温度极高，是年轻恒星的典范。)
问题是，物体的辐射能量和温度究竟有若怎样的函数关系呢？ 最初对于黑体辐射的研究是基于经典热力学的基础之上的，而许多著名的科学家在此之前也已经做了许多基础工作。美国人兰利发明的热辐射计是一个最好的测量工具，配合罗兰凹面光栅，可以得到相当精确的热辐射能量分布曲线。“黑体辐射”这个概念则是由伟大的基尔霍夫提出，并由斯特藩加以总结和研究的。到了19世纪80年代，玻尔兹曼建立了他的热力学理论，种种迹象也表明，这是黑体辐射研究的一个强大理论武器。总而言之，这一切就是当威廉•维恩准备从理论上推导黑体辐射公式的时候，物理界在这一课题上的一些基本背景。
维恩于1864年1月13日出生于东普鲁士，是当地一个农场主的儿子。在海德堡、哥廷根和柏林大学度过了他的学习生涯并取得博士学位之后，先是回到故乡，继承父业，一本正经地管理起了家庭农场。眼看他从此注定要成为下一代农场主，1890年的一份信件改变了他和整个热力学的命运。德国帝国技术研究所(PTR)邀请他加入作为亥姆霍兹的助手，担任亥姆霍兹实验室的主要研究员。考虑到当时的经济危机，维恩接受了这个合同。就是在柏林的这个实验室里，他准备一展自己在理论和实验物理方面的天赋，彻底地解决黑体辐射这个问题。
维恩从经典热力学的思想出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的，然后通过精密的演绎，他终于在1894年提出了他的辐射能量分布定律公式。 公式这里就免了，对数学和物理没有研究的朋友们大可不必去考究公式，不用理会它具体的意思。
这就是著名的维恩分布公式。很快，另一位德国物理学家帕邢在兰利的基础上对各种固体的热辐射进行了测量，结果很好地符合了维恩的公式，这使得维恩取得了初步胜利。
然而，维恩却面临着一个基本的难题：他的出发点似乎和公认的现实格格不入，换句活说，他的分子假设使得经典物理学家们十分地不舒服。因为辐射是电磁波，而大家已经都知道，电磁波是一种波动。用经典粒子的方法去分析，似乎让人感到隐隐地的不对劲，有一种南辕北辙的味道。
果然，维恩在帝国技术研究所的同事很快就做出了另外一个实验。卢梅尔和普林舍姆于1899年报告，当把黑体加热到1000多K的高温时，测到的短波长范围内的曲线和维恩公式符合得很好，但在长波方面，实验和理论出现了偏差。很快，PTR的另两位成员鲁本斯和库尔班扩大了波长的测量范围，再次肯定了这个偏差，并得出结论：能量密度在长波范围内应该和绝对温度成正比，而不是维恩所预言的那样，当波长趋向无穷大时，能量密度和温度无关。在19世纪的最末几年，PTR这个由西门子和亥姆霍兹所创办的机构似乎成为了热力学领域内最引人瞩目的地方，这里的这群理论与实验物理学家，似乎正在揭开一个物理内最大的秘密。
维恩定律在长波内的失效引起了英国物理学家瑞利的注意，他试图修改公式以适应ρ和T在高温长波下成正比这一实验结论。瑞利的做法是抛弃玻尔兹曼的分子运动假设，简单地从经典的麦克斯韦理论出发，最终他得出了自己的公式。后来，另一位物理学家金斯计算出了公式里的常数，最后他们得到另一公式。
这就是我们今天所说的瑞利一金斯公式，公式中含有频率，玻尔兹曼常数和光速等量。同样，没有兴趣的朋友可以不必理会它的具体含义。
这样一来，就从理论上证明了ρ和T在高温长波范围内成正比的实验结果。但是，也许就像俗话所说的那样，瑞利一金斯公式是一个拆东墙补西墙的典型。因为非常具有讽刺意义的是，它在长波方面虽然符合了实验数据，但在短波方面的失败却是显而易见的。当波长λ趋于0，也就是频率v趋向无穷大时，我们从瑞利一金斯公式公式可以明显地得出：能量将无限制地呈指数式增长。这样一来，黑体在它的短波，也就在高频段就将释放出无穷大的能量。这个戏剧性的事件无疑是荒谬的，因为谁也没有见过任何物体在任何温度下这样地释放能量辐射。该推论后来被奥地利物理学家埃费斯特加上了一个耸人听闻的称呼，叫做“紫外灾变”显然，瑞利一金斯公式也无法给出正确的黑体辐射分布。
我们在这里遇到的是一个相当微妙而尴尬的处境。我们的手里现在有两套公式，但不幸的是，它们分别只有在短波和长波的范围内才能起作用。这的确让人们非常地郁闷，就像你有两套衣服，其中的一套上装十分得体，但裤腿太长；另一套的裤子倒是合适了，但上装却小得无法穿上身。最要命的是，这两套衣服根本没办法合在一起穿，因为两个公式推导的出
发点是截然不同的!
正如我们已经描述过的那样，在黑体问题上，如果我们从粒子的角度出发去推导，就得到适用于短波的维恩公式。如果从经典的电磁波的角度去推导，就得到适用于长波的瑞利一金斯公式。长波还是短波，这就是个问题。
这个难题就这样困扰着物理学家们，有一种黑色幽默的意味。当开尔文在台上描述这“第二朵乌云”的时候，人们并不知道这个问题最后将得到一种怎么样的解答。
一个严重的问题出现了！热辐射和紫外线是电磁波，也叫做红外光和紫外光。热辐射和紫外线的谐振子也就是波的振动，瑞利和金斯用能量均分定理以及电磁理论得出“紫外灾变”，或者说，能量均分定理在预测电磁波时的失败岂不是说光的波动说是有严重问题的了？
从此后的发展来看，开尔文描述的这二朵“乌云”是非常正确的：第一朵乌云产生了即将遗臭万年的相对论；第二朵乌云产生了永垂千古的量子说。此是后话，暂时按住不提。

【阅读与欣赏13】
诺贝尔奖章程
诺贝尔奖颁奖的头100年中，共选出了162位物理学奖得主，135位化学奖得主和172位生理学医学奖得主，97位文学奖得主，以及107位和平奖得主。经济学奖是从1969年开始颁发的，截止到2000年共产生了46位获奖者。
诺贝尔的《遗嘱》非同寻常，它仅仅用一页就说明了那么多事情，而且这么多年来世界变化这么快，整个操作过程几乎没有再附加什么所需的规则。《诺贝尔基金会章程》则被用来阐明和管理《遗嘱》中对事情的安排不很明确的方面。《章程》在1900年得到瑞典国王的批准，随后有所修改，最近的一次修改是在1995年。在此只引用其中对获奖者的评选有重要影响的几条。
《遗嘱》要求获奖的研究工作必须是“在前一年内”做出的。《章程》在第2节中写得很清楚，不是新的工作也能够被考虑授奖，“如果其意义直到最近才变得明显的话”。这也就意味着在考虑授奖时再没有时间限制了，虽然在开始的几十年里，对这条所谓的崭新规则也曾作过解释，要求只考虑给此前20年内做出的研究工作授奖。
引起最多争议的规则，是在第4节里，它规定了能够分享一个奖项的人数：“奖项可以平分给两项工作，每一项工作都要值得获奖。如果两个或者三个人共同完成了一项值得获奖的工作，奖项就应该同时颁发给他们。但是任何情况下，一种奖都不能同时授予三个人以上。”这一条关于三个人的规定常被当成是诺贝尔《遗嘱》的一部分，其实不然。是《章程》这么限制的。是否能够或者应该修改这条三人规定，以及如何修改，是一个大问题。有一百多年传统的诺贝尔奖制度是相当保守的，任何改变可能都需要一个漫长的程序，然而并非什么都是不能改变的。第四章的结尾有一段令人疑虑的陈述： “每个评奖组织都应该有能力决定它有资格颁发的奖项是否能颁发给一个机构或者组织。”到目前为止，只有由挪威诺贝尔奖评奖委员会颁发的和平奖曾经颁发给机构或者组织，例如大赦国际(1977年和平奖)，或者曾经颁发给个人和一个组织，例如罗特布拉特(Joseph Rotblat)和帕格沃什科学和世界事务会议(1995年和平奖)。 同样，根据第4节，诺贝尔奖不能颁给已故者。
颁发科学奖项的现存做法赋予了科学家个人太多的东西，有时过分强调了这些科学家的个人作用。这是一种社会现象。不只是诺贝尔奖，而且在人们的一般做法中，都倾向于给予那些科学家更多的东西，比他们实际做的要多。据肯尼思•威尔逊(Kenneth Wilson，1982年物理学奖得主)研究，我们都知道牛顿定律，但是如何阐释运用牛顿定律的方法，我们却不是从牛顿(Newton)本人那里得到的牛顿定律当今比它最初的时候强有力得多了，因为惊人数量的研究都是关于如何阐释和运用其定律的技巧的。威尔逊主要的贡献是关于月球运动的，牛顿活着的时候，解决月球运动问题时遇到了麻烦。解决这个问题所需的计算是在牛顿去世之后，大约于1740年成功得出来的。在月球的问题没有得到清晰的解决之前，许多人对于牛顿都不大重视。可笑的是，威尔逊的奖项其实应该与另外两位物理学家分享，这两位物理学家在相变研究方面成就卓著，但是却只有威尔逊一个人获奖。
现在分享奖项的方式常常是两种。一种是把奖项分成两部分，这两部分彼此没有任何关系。例如，1978年卡皮查(Petr Kapitsa)获得了一半物理学奖金，另外一半由彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特．威尔逊(Robert Wilson)获得。这种情况很少发生。更典型的情况是奖项由从事同一项研究的两个或者三个人分享。
物理学教授安德斯•巴拉尼(Anders Badny)担任了很长时间的诺贝尔物理学奖评奖委员会的秘书，他也是个科学史学家，说到可能发生的变化，他认为科学奖可以模仿挪威人处理和平奖的做法。1984年的物理学奖授予了鲁比亚(Carlo Rubbia)和范德梅尔(Van de,Meer)，鉴于他们发现了W和Z玻色子。而实际上奖项可以分成两部分， 一半给鲁比亚和范德梅尔，另一半授予欧洲核子研究中心，即在日内瓦的CERN。这样CERN就可以将奖状挂在墙上表他们他们获得了诺贝尔物理学奖。这不胜对于CERN，对于诺贝尔奖而言也是有好处的。当然，并非所有的人都同意巴拉尼的看法，反对意见坚持认为，应该奖励那些脱颖而出的“delta函数”式的成就，而不要考虑其背景。然而，提议的变化也认可这一点，但同时又允许奖励大的团体成为可能。
尽管第6节的叙述中写了瑞典公民身份或者是裁决团体成员的身份应该不是被遴选成为诺贝尔奖评奖委员会成员必需的资格要求，但是评奖委员会里显然常常有足够多的瑞典候选者。它还允许指定专家参加对诺贝尔奖评奖委员会成员的审议和确定。
第7节规定“除非得到有提名权利者的书面举荐，任何人都没有资格获奖”。这听起来没什么问题：毕竟，诺贝尔奖评委凭什么要考虑没被提名的人呢?有个例子说明了这个规定的重要性。美国人冈伯格(Moses Gomberg)获得了1921年化学奖的提名；因为他于1901年首次发现了自由基。一名评委提交了一份报告，认为德国人施伦克(w•schlenk)做出了决定性的贡献，使人们能够理解和确定冈伯格的发现。 因此，冈伯格和施伦克应该分享颁发给自由基的奖项。但这是不可能的，因为施伦克在1921年没有得到提名，尽管他在1918年和1920年都得到了提名。冈伯格首次被提名是在1915年；然而提名信没有及时抵达斯德哥尔摩。提名在2月1日前抵达才是有效的。丘盖夫(L．Chugaev)是从圣彼得堡提交他对冈伯格的提名的，日期是1915年1月12日。那时按照俄国的日历还有13天，沙皇的秘密警察又拖延了信件的送达。1916年，丘盖夫没有收到提名他人的邀请，而他1915年的提名也失效了。最后，冈伯格在1921年到1940年期间共得到16个人的8次提名,但他从来没有得到诺贝尔奖（施伦克也没得到）。
按照《章程》第10节的规定，不得反对评奖委员会对奖项的评定。诺贝尔奖的最终决定权使得仔细研究和确认奖项的授予变得特别重要。为了做出决定需要花费巨大的精力、人力和费用。诺贝尔奖评委的孩子们都有这种典型的印象，夏天实际上是没有父亲的夏天，此时父亲正关在自己的办公室里，被论文、期刊和书籍包围着，准备撰写9月评奖会上要作的报告。尽管有大量的报告会和讨论会，瑞典的科学活动还是不可能把一切都了解得一清二楚，可能受国外大的科学权威的不恰当影响，可能会被熟练的游说者所操纵。
[楼主]  [66楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 12:29 
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三、普朗克能量子

上次说到，在黑体问题的研究上，我们有了两套公式。可惜，一套只能对长波范围内有效，而另一套只对短波有效。正当人们为这个困难头痛不已的时候，马克斯•普朗克登上了历史舞台。命中注定，这个名字将要光照整个20世纪物理学史。
普朗克于1858年4月23日出生于德国基尔的一个书香门第。他的祖父和两位曾祖父都是神学教授，他的父亲则是一位著名的法学教授，曾经参与过普鲁士民法的起草工作。1867年，普朗克一家移居到慕尼黑，小普朗克便在那里上了中学和大学。在俾斯麦的帝国蒸蒸日上的时候，普朗克却保留着古典时期的优良风格，对文学和音乐非常感兴趣，也表现出了非凡的天才来。
不过，很快他的兴趣便转到了自然方面。在中学的课堂里，他的老师形象地给学生们讲述一位工人如何将砖头搬上房顶，而工人花的力气储存在高处的势能里，一旦砖头掉落下来，能量便又随之释放出来……能量这种神奇的转换与守恒极大地吸引了好奇的普朗克，使得他把目光投向了神秘的自然规律中去，这也成为了他一生事业的起点。德意志失去了一位优秀的音乐家，但是失之东隅收之桑榆，它却因此得到了一位开天辟地的科学巨匠。
不过，当时的理论物理看起来可不是一个十分有前途的工作。普朗克在大学里的导师祖利劝他说，物理学的体系已经建立得非常成熟和完整了，没有什么大的发现可以做出了，不必再花时间浪费在这个没有多大意义的工作上面。普朗克委婉地表示，他研究物理是出于对自然和理性的兴趣，只是想把现有的东西搞搞清楚罢了，并不奢望能够做出什么巨大的成就。讽刺的是，由今天看来，这个“很没出息”的表示却成就了物理界最大的突破之一，成就了普朗克一生的名望。我们实在应该为这一决定感到幸运。
1879年，普朗克拿到了慕尼黑大学的博士学位，随后他便先后在基尔大学、慕尼黑大学任教。1887年，基尔霍夫在柏林逝世，他担任的那个教授职位有了空缺。亥姆霍兹本来推荐赫兹继任这一职位，但赫兹婉拒了这一邀请，他后来去了贝多芬的故乡——波恩，不久后病死在那里。于是幸运之神降临到普朗克的头上，他来到柏林大学接替了基尔霍夫的职位，成为了理论物理研究所的主任。普朗克的研究兴趣本来只是集中于经典热力学的领域，但是i896年，他读到了维恩关于黑体辐射的论文，并对此表现出了极大的兴趣。在普朗克看来，维恩公式体现出来的这种物体的内在规律——和物体本身性质无关的绝对规律——代表了某种客观的永恒不变的东西。它独立于人和物质世界而存在，不受外部世界的影响，是科学追求的最崇高的目标。普朗克的这种偏爱正是经典物理学的一种传统和风格，对绝对严格规律的一种崇尚。这种古典而保守的思想经过了牛顿、拉普拉斯和麦克斯韦，带着黄金时代的
全部贵族气息，深深渗透在普朗克的骨子里面。然而，这位可敬的老派科学家却没有意识到，自己已经在不知不觉中走到了时代的最前沿，命运已经在冥冥之中，给他安排了一个离经叛道的角色。
在那个风云变幻的世纪之交，普朗克决定彻底解决黑体辐射这个困扰人们多时的问题。他的手上已经有了维恩公式，可惜这个公式只有在短波的范围内才能正确地预言实验结果。另一方面，虽然普朗克当时不清楚瑞利公式，但他无疑也知道，在长波范围内，ρ和T成简单正比关系这一事实。这是由他的好朋友，PTR的实验物理学家鲁本斯在1900年的10月7日的中午告诉他的。到那一天为止，普朗克在这个问题上已经花费了六年的时光，但是所有的努力都似乎徒劳无功。
现在，普朗克先生正在为这一问题而绞尽脑汁。摆在他面前的事实是我们有两个公式，分别只在各自有限的范围内起作用。但是，如果从根本上去追究那两个公式的推导，却无法发现任何问题。而我们的目的，在于找出一个普遍适用的公式来。
10月的德国已经进入中秋。天气越来越阴沉，厚厚的云彩堆积在天空中。黑夜一天比一天来得漫长。落叶缤纷，铺满了街道和田野，偶尔吹过凉爽的风，便沙沙作响起来。白天的柏林热闹而喧嚣，入夜的柏林静谧而庄重，但在这静谧和喧嚣中，却不曾有人想到，一个伟大的历史时刻即将到来。
在柏林大学那间堆满了草稿的办公室里，普朗克为了那两个无法调和的公式而苦思冥想。终于有一天，他决定不再去做那些根本上的假定和推导，不管怎么样，我们先尝试着凑出一个可以满足所有波段的普适公式出来。其他的问题，以后再说吧。
于是，利用数学上的内插法，普朗克开始玩弄起他手上的两个公式来。要做的事情，是让维恩公式的影响在长波的范围里尽量消失，而在短波里能发挥出它的威力来。普朗克尝试了几天，终于遇上了一个巧妙的机会，他无意中凑出了一个公式，看上去似乎正符合要求！在长波的时候ρ和T表现得就像正比关系一样。而在短波的时候，它则退化为维恩公式的原始形式。这就是著名的普朗克黑体辐射公式。
10月19日，普朗克在柏林德国物理学会的会议上，把这个新鲜出炉的公式公诸于众。当天晚上，鲁本斯就仔细比较了这个公式与实验的结果。结果，让他又惊又喜的是，普朗克的公式大获全胜，在每一个波段里，这个公式给出的数据都十分精确地与实验值相符合。第二天，鲁本斯便把这个结果通知了普朗克本人，在这个彻底的成功面前，普朗克自己都不由得一愣。他万万没有想到，这个完全是侥幸拼凑出来的经验公式居然有着这样强大的威力。
当然，他也想到，这说明公式的成功绝不仅仅是侥幸而已。这说明了，在那个神秘的公式背后，必定隐藏着一些不为人们所知的秘密，必定有某种普适的原则假定支持着这个公式，这才使得它展现出无比强大的力量来。
普朗克再一次地注视他的公式，它究竟代表了一个什么样的物理意义呢?他发现自己处于一个相当尴尬的地位：知其然，但不知其所以然。是的，他的新公式管用！但为什么呢？它究竟是如何推导出来的呢？这个理论究竟为什么正确，它建立在什么样的基础上，它到底说明了什么？这些却没有一个人可以回答，连公式的发现者自己也不知道。
普朗克闭上眼睛，体会着兴奋、焦急、疑惑、激动、失望混杂在一起的那种复杂感情。到那时为止，他在黑体的迷宫中已经磕磕绊绊地摸索了整整六年，现在终于误打误撞地找到了出口。然而回头望去，那座迷宫却依然神秘莫测，大多数人们依然深陷其中。茫然地寻找出路，就连普朗克自已也没有把握能够再次进入其中而不致迷失。的确，他只是侥幸脱身，但对于这座建筑的内部结构却仍然一无所知，这叫普朗克怎能甘心“见好就收”？不，他发誓要彻底征服这个谜题，把那个深埋在公式背后的终极奥秘挖掘出来。他要找到那张最初的设计蓝图，让每一条暗道，每一个密室都变得一目了然。普朗克并不知道他究竟会发现什么，但他模糊地意识到，这里面隐藏的是一个至关重要的东西，它可能关系到整个热力学和电磁
学的基础。这个不起眼的公式只是一个线索，它的背后一定牵连着一个沉甸甸的秘密。突然之间，普朗克的第六感告诉他，他生命中最重要的一段时期已经到来了。
多年以后，普朗克在给人的信中说：当时，我已经为辐射和物质的问题而奋斗了六年，但一无所获。但我知道，这个问题对于整个物理学至关重要，我也已经找到了确定能量分布的那个公式。所以，不论付出什么代价，我必须找到它在理论上的解释。而我非常清楚，经典物理学是无法解决这个问题的……
在人生的分水岭上，普朗克终于决定拿出他最大的决心和勇气，来打开面前的这个潘多拉盒子，无论那里面装的是什么。为了解开这个谜团，普朗克颇有一种破釜沉舟的气概。除了热力学的两个定律他认为不可动摇之外，甚至整个宇宙，他都做好了抛弃的准备。不过，饶是如此，当他终于理解了公式背后所包含的意义之后，他还是惊讶到不敢相信和接受所发现的一切。普朗克当时做梦也没有想到，他的工作绝不仅仅是改变物理学的一些面貌而已。事实上，大半个物理学和整个化学都将被彻底摧毁和重建，一个神话时代已经拉开帷幕。
解铃还需系铃人。普朗克是这样分析它的黑体辐射公式的物理本质的：由玻尔兹曼的分子运动论可知，一个系统的任一状态的熵和这个态的热力学几率w是一个对数关系，即S∝lnW。为了使热力学几率这一概念具有更充实的物理内容，普朗克就把它与可能呈现这个宏观态的各种微观态的数目联系起来。他把每一个微观态称作一个“配容”，然后根据熵的可加性和配容的可乘性，很容易找到下述关系：
S=k1nW。
式中k为玻尔兹曼常数，在上述的关系式中，普朗克在这里实际上已作了一个革命性的假设，即认为所有可能的微观态的总组合是分立的集合，一个系统的每一个宏观态对应有完全确定数目的微观态数目。而从配容入手，很自然就要引入能量不连续的假定，因为只有把能量分成一份份的，才能够计算出确定的配容数目。
设想一个空腔内有数目很多的赫兹振子，频率为v的振子数为N，频率为v’的数目为N’，各种不同频率的振子各有其相应的数目，分别构成子系统。假定N个频率为v的振子构成的子系统具有总能量E，则每一个振子能量的交替变化决定了不同的配容。但配容是分立的、有限的，所以把总能量E分配给N个振子的方式也应当是有限的，这就要求E只能作有限的划分，例如只能划分为至多P个相等的小份额，而不能作无限的连续划分。根据这样的假设，再经过复杂的数学推导，他终于得出了他的黑体辐射公式。这一公式的本质是说，黑体辐射的能量不再是连续的，或者说每个赫兹振子的能量只能取一定的分立值。这是一个革命性的假设，把经典物理学中一切因果关系都是在连续的这个基础上所建立的物理思想方法彻底地否定了。
普照朗克的主要研究领域包括热力学、热辐射理论、电动力学和相对沦。在他这些领域所取得的成果当中，最为著名的就是他提出的关于黑体辐射的公式，以及从这一公式中被首次引入到物理学中的量子概念。正是由于这些工作，才使得20世纪物理学最重要的进展——量子力学的出现成为可能。普朗克在18年后，因发现能量子而对物理学的发展作出了杰出贡献，从而获得了1918年诺贝尔物理学奖。
1900年末的柏林上空，黑体这朵飘在物理天空中的乌云，首当其冲地开始在电磁学和光学中剧烈地翻滚动荡起来。与作用量子h相伴，能量元或者说能量子概念的提出具有深刻而重大的意义。在传统的经典物理学中包括能量在内，各种物理量都是连续变化的，这似乎是一种天经地义的观点，因为经典物理学中的一切因果关系以这种物理量的连续变化为基础。作用量子h的提出意味着，像能量这样的物理量具有非连续性，显然是一种全新的、革命性的观点。
人们认为波所具有的能量是连续的，电磁波当然也不例外。但普朗克的作用量子、能量元或者说能量子无疑说电磁波是不连续的，光是不连续的，它们的能量是一份一份发射出来的。这样说来，电磁波和光那里还是波，倒是象一个个的粒子了！于是光的粒子说又有出头的机会了！

【阅读与欣赏14】
诺贝尔奖的偏见
游说也能起到一个好的作用。它可以为诺贝尔奖评奖委员会带来新的信息，并激活他们现有的信息。一些外国驻扎在斯德哥尔摩的科学大使坚守着，稳步推进有用的接触，并增加他们本国诺贝尔奖候选者受到诺贝尔奖评奖委员会注意的机会。为不同的候选人游说不如联合起来，如果组合的努力确实能够增加成功的可能性的话。人们认为这类活动对于日本人福并谦一和美国人霍夫曼是有效的，他们因对于化学反应的理论研究而分享1981年诺贝尔化学奖。类似地，人们认为游说对美国人克拉姆、佩德森和法国人莱恩也起了作用，他们因推进了超分子化学的发展而分享1987年的化学奖。合作研究并不意味着能够得到共同的提名。在同一领域有两位候选人同时分别得到提名可以增加每个人获奖的可能性，因为这能够增加对他们所在领域的重视。如果在提名方而进行上述的协凋，并非不道德，尽管可能违反了规则。邀请给予提名的信中会包含一个严厉的警告，不许提名者与他人讨论有关提名的事情。
高水平的游说会包括一些学术论文长度的论文，就像其他任何科 学文件一样。瑞典的评奖者欢迎这种行为，因为这会使他们的工作 变得容易一些。另一方面，这并没有减少他们的责任，无论这类文 件准备得多么仔细，它们对于其他候选人而言仍然可能是带有倾向性或者有所忽略的，在优先权的问题方面仍然是错误的或者不准确的，等等。在任何情况下，游说都是件严肃的事情，要以连贯完整的准则才能做好。一位瑞典科学家把它比喻成色谱法，分析的时候，把要分析的东西以正确的形式放到管柱里，然后，不断地往里面加溶剂。有时被分析物会粘在柱子的中间出不来，但是只要不停地往里倒溶剂，被分析物最后就会出来。瑞典科学家参观外国实验室的时候可能受到过分的礼遇和尊敬，但是他们也充分地意识到了这一点，外且泰然处之。 同样杰出的瑞典科学家和非瑞典科学家相比，瑞典科学家就会优先受到邀请，这表明了一种荣誉，同样，当涉及和诺贝尔奖事务有关的人时也是如此。埃克斯蓬，斯德哥尔摩大学一位著名的教授，曾长期担任诺贝尔物理学奖评委，他体验过人们是如何渴望表达出对诺贝尔奖评委的好意，但是他也尽量把握自已不受他们那些好意的影响。
当拉尔斯•恩斯特在斯德哥尔摩准备他的硕士考试的时候(他后来也成了斯德哥尔摩大学一位著名的生物化学教授。并且长期担任诺贝尔奖评委)，他的考官给他布置了一项特殊的任务，让他淡谈对基林在阐释细胞呼吸机制时所作贡 献的看法。基林是剑桥大学一位先驱式的生物化学家。恩斯特的教授给一位英国最主要的生物化家写了一封信询问相关的信息，在几天之内他就收到了一份9页的对于基林科学贡献的评价。这份来门瑞典的索要材料的要求附了一位硕士生考试题的声明，可能会产生更多的理解，可能会认为那是一份伪装了的来自诺贝尔奖评审的调查。
诺贝尔档案馆要等颁奖过去50年之后才开放档案供研究。这一条是在1974年引入《章程》的。即便如此，包含在档案中的信息也是相当有限的。其中包括提名的信件，诺贝尔奖评委以及外部专家的报告，还有评论所有提名的综合报告。其中缺失的是，所有相关的考虑和商议，因为根据严格的规定，这些是不能记录下来的。
从对冈伯格情况的处理中，我们能看出，这些记录的确遵循了那些未成文规则中最新条款的20年宽限期的规定。最近这些规则没有再被使用了。看来丘盖夫迟到的提名下一年就不能被考虑了，这一条似乎太严格了。后来的年份里就放松了；1月31日之后抵达诺贝尔奖评奖委员会的提名，自动转到下一年的提名中去。1954年年底，关于谢苗诺夫(1956年化学奖得主)科学研究的文件从莫斯科寄往斯德哥尔摩。很显然在过去的40年中，俄罗斯的邮政服务还是没有改善多少，因为文件又没有及时抵达以赶上1955年诺贝尔奖的评选。1956年评奖的时候才考虑这些文件。
很难想象一个奖项的评选操作过程会没有任何倾向性。 问题是这种倾向性有多强，评审委员们如何维护他们的制度而避免有所倾向，以及他们的判断能够有多客观。在第二次世界大战之前，瑞典的科学与德国的科学有着比与美国和英国更紧密的联系。当然在早期，并非只有瑞典科学家极其尊重德国科学。在几乎整个20世纪期间，美国和英国的化学家都习惯于前往德国获取博士学位。直到20世纪30年代，物理学家如果能阅读德语，他的情况就会好些，因为最重要的论文都是用德语写的。美国科学史上的巨人如化学家鲍林(1954 年化学奖、1962 1962年和平奖得主)和物理学家奥本海默都是在德国读的博士后，师从他们领城中最出色的科学家。威德曼向诺贝尔化学奖评奖委员会提交了一份特别的报告，评价冈伯格的发现，在读他的这份报告时，人们无法忽视威德曼在描述施伦克的贡献的时候所用的那种奉承的语气，这种语调在他评价冈伯格工作时就没有了。威德曼写道，“今年，施伦克开始发表他熟练的研究，发自著名的慕尼黑实验窒”。威德曼在其后期20年的游历中，大约于1880年前后曾在慕尼黑的冯•拜耳(1905年化学奖得主)的有机化学实验室里呆过一段时间。
人类的偏见是不容易克服的。如果威德曼对冈伯格比较支持的话，也许很容易说服他的同行们承认冈伯格值得获诺贝尔奖。然而，威德曼注意的是冈伯格在把自己的发现看作是第一种自由基的证据时表现出的犹豫。虽然在冈伯格就相关主题所写的400页的文章里，只有两句表达出了这种犹豫，而且他的迟疑只持续了几个月。尽管如此，每次讨论冈伯格是否应该获诺贝尔奖时威德曼还是都会提出这个问题。
诺贝尔奖评奖委员会很小，由五名成员组成，每位成员都有一个秘书，几乎不可能涵盖所有的相关领域，他们很依赖他们的同行和外部专家的意见。恩斯特说：
列席于诺贝尔奖评奖委员会，给我最大的收获就是使我尝试着理解和发展出对其他不同领域的敬意。当然，我们也不应该试图成为其他领域的专家，我们不可能达到能够下判断的程度。那是狂妄愚蠢的。我努力做的只是理解、欣赏和尊敬我的同行们的意见。
诺贝尔奖评委们已经注意到，一旦某人准备了关于某个领域及其候选人的报告，他就常常会成为这些领域和其候选人的鼓吹者。这没有什么可大惊小怪的，因为评委被指派的领域往往是最接近他们自己兴趣的。其决定最后成为获奖者的评委常常就是那些在12月10日颁奖典礼上对此做介绍的发言人，届时他会面对国王、电视的摄像镜头和所有来宾。
谢苗诺夫获得诺贝尔奖这个例子说明，甚至不是评奖委员会的成员，也会从诺贝尔奖的相关事宜中收获很多。从1951年开始，35岁的西仑就担任斯德哥尔摩瑞典皇家理工学院的无机化学教授，直到他英年早逝于1970年。他为了给诺贝尔奖评奖委员会准备关于谢苗诺夫的科学研究的文件，从1952年一直忙活到1954年，最后获得了成功。他致力于改善瑞典和苏联的关系，而且他懂俄语。在诺贝尔奖事务中，许多个人所起的更加明显的作用，从物理学奖和化学奖的早期历史开始就为人所知了。数学家米塔列夫勒，对于物理学奖有着较强的、但并不总是成功的影响，阿伦尼乌斯(1903年化学奖得主)，对于物理学奖和化学奖的影响则通常都是成功的。
有时人们会指责诺贝尔奖评奖委员会受了政治方面的影响。前已提到早期瑞典科学唯德国是瞻。一个讽刺性的转变是，在1937年希特勒禁止德国人接受诺贝尔奖以后，三位德国人于1939年获奖。尽管德国试图阻挠瑞典的颁奖者们把诺贝尔奖授予德国科学家，但是一位化学奖评委解释说，政府的行为不会影响他们做出选择。这位评委就是冯•奥伊勒-切尔平(1929年化学奖得主)，他是斯德哥尔摩大学的教授，出生在德国。他因是纳粹的支持者而出名，他在信件结尾处都写有“嗨，希特勒，敬礼”。另外一种可能的政治影响，是在1995年某些人把诺贝尔奖与大气化学联系起来了。当然，瑞典人否认政治在其中产生了任何作用。但是实际上，人们最近对于环境日益关注，环境成了一个主要问题。如果科学能够对解决环境问题做出贡献，根据诺贝尔最初的意愿，给这样的贡献颁发诺贝尔奖并不为过。
政治上受攻讦是大气化学家生活的一部分。他们的发现不受一些大的化学公司的欢迎。罗兰(1995年化学奖得主)指出：
1974年，在美国有三分之二的CFC[含氯氟烃]都是以气雾推进剂的形式排放的。而全球又有一半的CFC都在美国。气雾推进剂主要成分是含氯氟烃。一些公司使用碳氢化合物，但是大约有80％的气溶胶工业在使用含氯氟烃方面无疑都是名列前茅的，而且对此毫不在乎。在美国西部片中，好的牛仔常常是戴白帽子，而坏牛仔则常戴黑帽子，这样小孩知道该为谁欢呼。我们就是戴黑帽子的，而且是你能找到的最黑的帽子，每个月，莫利纳和我都会读他们的出版物《气溶胶时代》，来看看他们又针对我们说了些什么。有人曾经向我形容，当他们采访那些认为我们是克格勃(KGB)的代言人的人时，他们会说得多么难听，认为我们是故意要拆散美国的工业。
环境问题能够在多大程度上被认为是一个政治问题，诺贝尔奖的决定就可能在多大程度上受到政治的影响。但是，对于政治问题稍作严格考虑的话，政治偏见在诺贝尔事宜里是“完全不能设想”的。这是来自乔治•克莱因的强烈否定，他是卡罗琳医学院肿瘤生物学退休教授。他曾长时间担任卡罗琳诺贝尔奖评委，还担任过一届主席。他坚持认为与之相关的科学家不会受政治的影响，虽然他们不能不关心意识形态。他用一个故事打比方来说明这是多么不可设想。首席拉比和天主教的红衣主教在一起吃饭，拉比拒绝吃不符合犹太教规的食物。红衣主教试图说服他试一试，于是拉比让步说，“好吧，我在别的场合吃。”红衣主教问他，“什么时候?”拉比回答，“在你的婚礼上。”克莱因的反应值得我们更加注意，因为他观察了瑞典生活的其他方面所受的强烈的政治影响和强烈的个人影响。有一个恰当的例子，瑞典的记者和外交官都曾被声名狼藉的波尔布特政权在柬埔寨的种族灭绝行为和企图误导过。他们的这种做法也是得到了瑞典政府政策的配合的，后者觉得把波尔布特政权描述为值得赞许的是比较有利的，这样可以加强越战时的反美情绪。对诺贝尔奖事务受政治影响的谴责可能来自四面八方，理由各异。爱因斯坦(1921年物理学奖得主)获得诺贝尔奖的时候，勒纳(1905年物理学奖得主)断言瑞典科学家“还无法运用足够清晰的日耳曼精神，以避免犯下欺诈行为”。
[楼主]  [67楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 14:50 
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四、爱因斯坦的光量子
最早明确地认识到普朗克的发现开创了物理学新纪元的物理学家之一，是年轻的爱因斯坦。1905年春天，爱因斯坦在德国《物理学纪事》第17卷（第4辑）上，连续发表了三篇论文。其中第一篇《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，被爱因斯坦称为是非常革命的，它为研究辐射问题带来了一个崭新的观点。
爱因斯坦意识到，量子概念带来的将是整个物理学理论基础的根本变革，而不是对个别定律进行的局部修改。他认为，在普朗克的理论中只考虑了器壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的处理，还是用的麦克斯韦理论。就是说，电磁场在本质上还是连续的波，只有当它们与器壁振子发生能量交换时才显示出不连续性来。这种观点是不彻底的。在这篇论文的引言里，爱因斯坦肯定了光的波动理论的成功之处，但又指出了这个理论在应用到光的产生和转换现象时可能与实验不一致。他说：
“运用连续三维函数的光的波动理论能极其圆满地解释了各种纯光学现象，它决不可能为任何一个别的理论所取代。可是我们应当记住，光学观测所得出的是对时间的平均值，而不是瞬时值。因而尽管在讨论关于衍射、反射、折射和色散等方面连续场理论巳完全为实验所证实，但是可以想见，当运用连续三维函数的光的理论到光的产生和转化等现象时，它势必导致与经验相矛盾。”
在1910年前后爱因斯坦写的一份手稿里，他指出建立在法拉第场概念上的麦克斯韦理论仅仅是一个过渡阶段。他写道：“在我看来，既取消以太而又让能量连续地分布于空间，似乎是荒诞不经的。……虽然法拉第的表述方法推动了电动力学的发展，但是我总觉得，不能因此而认为这个观点必定在细枝末节上也完全正确。”这充分表现了爱因斯坦对旧的传统理论和观念的严峻的批判态度，以及他善于发现各种理论矛盾的洞察力。爱因斯坦一开始就认为，麦克斯韦理论仅对时间的平均值是有效的，而对于瞬时现象，则必须引进粒子观念。 在1905年的那篇论文中他提出：“在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于空间的话，那么，我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其他涉及光的发射与转换的现象的各种观测结果。根据这种假设，从一点发出的光线传播时，在不断扩大的空问范围内能量不是连续分布的，而是由一个数目有限的局限于空间中的能量量子所组成，它们在运动中并不瓦解，并且只能整个地被吸收或发射。”这样，爱因斯坦就提出了，电磁场能量本身也是量子化的，辐射场不是连续的，而是由一个个集中存在的、不可分割的能量子组成的。他把这一个个能量子称为“光量子”。1926年，美国物理学和化学家刘易斯将它定名为“光子”。
爱因斯坦是从普朗克的量子假设那里出发的。大家都还记得，普朗克假设，黑体在吸收和发射能量的时候，不是连续的，而是要分成“一份一份”，有一个基本的能量单位在那里。这个单位，他就称做“量子”，其大小则由普朗克常数h来描述。在这里把量子的计算公式写在下面：
E=hv
读者有必要清楚公式的含义，这对于量子的理解也是有好处的。从科学意义上来说， E代表一个量子的能量，h是普朗克常数(6．626×10-34焦耳．秒)，v是辐射频率。
让我们再重温一下光电效应和电磁理论的不协调之处：电磁理论认为，光作为一种波动，它的强度代表了它的能量，增强光的强度应该能够打击出更高能量的电子。但实验表明，增加光的强度只能打击出更多数量的电子，而不能增加电子的能量。要打击出更高能量的电子，则必须提高照射光线的频率。
提高频率，提高频率。爱因斯坦突然灵光一闪：E=hv，提高频率，不正是提高单个量子的能量吗?而更高能量的量子，不正好能够打击出更高能量的电子吗?另一方面，提高光的强度，只是增加量子的数量罢了，所以相应的结果自然是打击出更多数量的电子!一切在突然之间，显得顺理成章起来。
从光量子的角度出发，一切变得非常简明易懂了。频率更高的光线，比如紫外光，它的单个量子要比频率低的光线含有更高的能量(E=hv)，因此当它的量子作用到金属表面的时候，就能够激发出拥有更高动能的电子来。而量子的能量和光线的强度没有关系，强光只不过包含了更多数量的光量子而已，所以能够激发出更多数量的电子来。但是对于低频光来说，它的每一个量子都不足以激发出电子，那么，含有再多的光量子也无济于事。
这里面关键的假设就是：光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积。一个光量子激发出一个对应的电子。于是实验揭示出来的效应的瞬时性难题也迎刃而解：量子作用本来就是瞬时作用，没有积累的说法，这也就是通常人们所说光电效应。
光电效应是赫兹在1887年就已经发现。赫兹在进行证明电磁波存在的实验时注意到，当接收电磁波的电极之一受到紫外光照射时，两极之间就容易出现电火花。一年后，霍耳瓦克斯证明，这是由于出现了荷电体所致。在发现了电子之后，人们明白了这是紫外线作用下电极表面的电子发射现象。在1899至1902年间，赫兹原来的助手勒纳德利用各种频率的光照射钠汞合金，对光电效应进行了系统的实验研究。他发现，光电效应具有三个为经典波动理论无法解释的主要性质：第一，每种金属表面都存在一个特征截止频率v0，频率小于v0的入射光不管其强度有多大，都不能发生光电效应；第二，出射光电子的动能只同入射光的频率有关，同入射光的强度无关；第三，只要入射光的频率大于截止频率v0，则无论它多么微弱，都会立即引起光电子发射，不存在滞后时间。
爱因斯坦认为，勒纳德的观测是光的微粒性质的清楚证据；能量为hv的光量子透入到金属表面层中，把它的能量全部转移给一个电子，电子则消耗这点能量的一部分变成它逸出金属表面所需的功Wo,于是，出射电子的最大动能就由下式决定。
1/2mvv = hv - Wo。
这就是爱因斯坦光电方程，式中1/2mvv是激发出电子的最大动能，hv是单个量子的能量，Wo为金属的“功函数”。不难看出这个方程其实很简单。由这一假设和方程，可以直接解释前述的光电效应的几个性质。
尽管爱因斯坦的论证清晰简明，但他的光量子假说在好多年后还遭到许多著名物理学家的强烈反对。光量子概念之被接受，主要是通过两个美国实验物理学家密立根和康普顿的工作。康普顿的工作我们以后再提，先说说密立根的试验结果。
由爱因斯坦光电方程可知，出射光电子的最大能量是频率的线性函数，其斜率正好等于普朗克常数。因此，测量电子的最大能量和频率的依赖关系，既能验证爱因斯坦方程，又可测定h值。密立根花了十年时间克服了严重的困难，利用巧妙而复杂的装置，终于在1915年成功地作出了实验证明，并准确地测定了h值，1949年，密立根在爱因斯坦七十寿辰所发的贺词中写道：
“在我的一生中我花了十年的时间检验爱因斯坦的1905年的方程，结果和我所有的预期相反，在1915年我不得不宣布它的毫不含糊的实验鉴定，尽管它似乎与我所知道的光的干涉的每件事都相违而不合常情。” 密立根的这段话不够明晰，其实这样说就更简单：我花了十年的时间证明了爱因斯坦的1905年的方程！
1921年，爱因斯坦“由于他在理论物理方面的贡献，特别是发现了光电效应定律”而获得诺贝尔物理学奖；密立根“由于他在基本电荷和光电效应方面所作的研究工作”而获得1923年诺贝尔物理学奖。
但是，大家从光电效应中嗅到了些什么没有？光量子，光子……。光究竟是一种什么东西呢？难道我们不是经清楚地下了结论，光是一种波动吗？光量子是一个什么概念呢？仿佛宿命一般，历史在转了一个大圈之后，又回到起点。关于光的本质性问题，干戈再起，“第三次波粒战争”一触即发。而这次，导致的后果是全面的世界大战。
波动说好比是屋漏偏逢连阴雨，行船又遇顶头风。它正在为普朗克能量子伤透脑筋的时候，又冒出来一个爱因斯坦的光量子，它既不能解释能量子，也不能解释光量子，只能眼睁睁地看着粒子说死灰复燃。


【阅读与欣赏15】
诺贝尔奖的提名
提名过程中广泛的国际参与对于消除瑞典诺贝尔奖评奖委员会“近亲繁殖”所导致人数少和排外的特性可能造成的危险，是帮助很大的。如今，数以千计的恳请提名信会在每个秋季寄出，而在2月1日的最后期限之前，又会有数以百计的回复到来。世界科学共同体都卷入到这个过程中来，这是诺贝尔奖获得崇高声望的又一个来源。如果诺贝尔奖颁给了没有得到国际社会尊重的人，奖项的受人尊重程也就会很快减弱了。事实上，诺贝尔奖历来受人尊重。
能够作出提名的人如下所列。有四类人得到永久的授权，而两类人是特别的提名者。物理学奖和化学奖可由下列人提名：
(1)瑞典皇家科学院的瑞典籍和外籍院士。
(2)诺贝尔物理学奖和化学奖评奖委员会的成员。
(3)诺贝尔物理学奖和化学奖得主。
(4)瑞典、丹麦、芬兰、冰岛和挪威的物理学和化学领域的终
身和助理教授。
(5)其他国家指定大学的物理学和化学教授(每年所指定的
学校不同)。
(6)其他收到个人提名邀请的科学家。
生理学医学奖可由下列人提名：
(l)卡罗琳委员会的成员，卡罗琳委员会由50个从卡罗琳医
学院从事医学课题研究的教授中挑选出来的成员组成；
(2)瑞典皇家科学院医学分部瑞典籍和外籍院士；
(3)诺贝尔生理学医学奖得主；
(4)瑞典、丹麦、芬兰、冰岛和挪威的医学领域的教授；
(5)其他国家指定大学的医学教授（每年所指定的学校不同）；
(6)其他收到个人提名邀请的科学家。
1月末，当年所有的提名都收齐的时候，诺贝尔奖评奖委员会就开始评议这些提名了。他们的成员有权提名；他们通常用一句话说明推荐理由，提名他们认为应该被提名但还未收到对其提名的那些人。诺贝尔档案馆里存放了很多这类最后时刻的提名，有些比别的更显得突出。举例来说，1943年，一名评委提名了哈恩(OttoHahn)，而另外一名评委提名维尔塔宁(Artturi Virtanen)，而且都是以一句话信件的方式提名的。在1944年和1955年的1月31日，又收到了提名哈恩的一句话提名信。维尔塔宁则在1945年得到了几个提名。“1944年的诺贝尔化学奖颁发给了哈恩，以奖励他发现了核裂变现象，而1945年的化学奖颁发给了维尔塔宁，作为对他发明饲料保藏方法的奖励。两个人都是在1945年获奖的。哈恩的得奖是有争议的，因为这个奖是紧随着第二次世界大战结束和第一颗原子弹的爆炸颁发的，而且这个奖没有与迈特纳(Lise Meitner)分享。至于维尔塔宁的获奖，有人断言它受亲德反苏情绪的政治推动影响的结果。颁奖典礼上主持人对维尔塔宁（芬兰人）是这样说的： “我认为我这样说并没有错，我们必须寻找到激发你获得伟人科学成就最强大的力量，而这力量存在于你的爱国热情当中。”
在其他场合下，一位科学权威的强力提名可能具有决定性的影响。爱因斯坦1945年1月19日发了一封简明的电报“，上面说：“提名泡利(Wolfgang Pauli)获得物理学奖——他的包括由我们称之为泡利原理或者不相容原理的对现代量子理论的贡献构成了现代量子物理学的独立于其他基本粒子理论的基础部分——阿尔伯特•爱因斯坦”。泡利果然于1945年获得了诺贝尔物理学奖，在此引用颁奖辞如下，是按照爱因斯坦的说法说的： “因其发现了不相容原理，也称之为泡利原理。”
最令人感到好奇的是1946年的提名，共有三名成员在1946年1月的最后一天提交了他们对于斯坦利(W. M. Stanley).萨姆纳(J. B．Sumner)和诺思罗普(J. H. Northrop)的提名，而他们确实分享了1946年的化学奖。
保密是诺贝尔奖事务中很重要的一项考虑。在邀请提名的信件中对于保密行为有非常严正的警示：“你应该对邀请你提名的事高度保密，而且不能讨论。”诺贝尔奖评奖委员会对提名者个人的意见比对收集起来的大家的观点更加感兴趣。上述保密的做法，有助于保护提名者避免受到可能的诺贝尔奖获得者和他们朋友不必要的压力。
尽管提名者的圈子是严格限定的，这并不意味着其他人就不能以什么方式来影响评奖委员会了。尽管在这个圈子之外的人不能提交正式的提名，但是任何人都可以写信给诺贝尔奖的评委，而他们也会对那此合理的建议感兴趣。当然常常有忽视某个重要人物或者某个 不广为人知的发现的危险。评委们承担着过滤和存放建议的责任。
在1月31日提名截止的日期以后，下一步就是评奖委员会（包括专家们）的艰苦工作了。严格的保密气氛围绕着他们的工作，保护评委们免受牵制。一旦委员会形成他们的推荐意见以后，科学院和卡罗琳医学院的运作机制有所不同。在科学院，推荐直接送给相应的
领域分会——物理学分会和化学分会。最后的投票是在总会上，所有的院士都参加。在卡罗琳医学院，推荐送交诺贝尔奖委员会，委员会由50个卡罗琳的教授组成，他们来决定生理学医学奖的归属。最后投票那天，每个学科都有一个一小时的演讲，用于陈述该学科所发生事件的情况，并且详细地讨论所有有价值推荐的优点和缺点。
上述过程快要结束的时候，就接近宣布获奖者的时间了，保密的氛围更增加了人们的期待和紧张程度。在科学院和卡罗琳诺贝尔会议上的投票结束以后，当场就宣布获奖结果了。科学院的院士被要求最好不要在新闻发布会召开之前离开开会的大楼，以防走漏消息。尽管有人实际上认为选举过程可能在此之前就结束了，但正式的说法是，决定是由这些最后的投票决定的，而且理论上，最初的推荐也可能被推翻。一旦决定出来了，新的获奖者就会得到通知，然后公众也会知道。然而，对此并没有严格的规定；相反，这只是一种礼貌，如果不能确定获奖者到底在哪里，都会向公众宣布颁奖的决定。那时，所有关于新的诺贝尔奖的信息也都能在因特网上看到。网上的公布包括：所有获奖者的论文，参考文献，简短的自传，对获奖者科学发现或发明的科学重要性的描述，获奖者的照片，以及精心的图示。这意味着耗时而又费力的准备，至少得有好几个人参加。
由于因特网的引入，在虚拟诺贝尔世界中的活动雨后春笋般出现了。在网上不仅可以获取关于新的奖项和得奖者的信息，而且可以获得所有以前的奖项的信息。人们可以阅读任意年份任意领域的获奖者的讲话和演讲。随着技术的进步，所提供的服务的范也扩人了，最近的颁奖典礼的视频都能够看到。诺贝尔电子博物馆(NcM) 很快就变成了一本百科全书，一个电视台，一间互动的科学工作室，并且把这些集成为了一体。宣布物理学奖和化学奖的那天，在NcM的站点上会有上百万的点击率。
[楼主]  [68楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 18:55 
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五、康普顿效应
在1923年5月的《物理评论》上，康普顿以《X射线受轻元素散射的量子理论》为题，发表了他所发现的效应，并用光量子假说作出解释。他写道：“从量子论的观点看，可以假设：任一特殊的X射线量子不是被辐射器中所有电子散射，而是把它的全部能量耗于某个特殊的电子，这电子转过来又将射线向某一特殊的方向散射，这个方向与入射束成某个角度。辐射量子路径的弯折引起动量发生变化。结果，散射电子以一等于X射线动量变化的动量反冲。散射射线的能量等于入射射线的能量减去散射电子反冲的动能。由于散射射线应是一完整的量子，其频率也将和能量同比例地减小。因此，根据量子理论，我们可以期待散射射线的波长比入射射线大”，而“散射辐射的强度在原始X射线的前进方向要比反方向大，正如实验测得的那样。”
如果说密立根的实验只是微粒革命军的一次反围剿成功，其意义还不足以说服所有的物理学家的话，那么康普顿的试验则为粒子说取得了一场决定性的胜利，把光的量子说展现得淋漓尽致。此后，再也没有人怀疑光的量子性了。
康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候，发现一个奇怪的现象：散射出来的X射线分成两个部分，一部分和原来的入射射线波长相同，而另一部分却比原来的射线波长要长，具体的大小和散射角存在着函数关系。
如果运用通常的波动理论，散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的那一部分波长变长的射线呢？康普顿苦苦思索，试图从经典理论中寻找答案，却撞得头破血流。终于有一天，他做了一个破釜沉舟的决定，引入光量子的假设，把X射线看做能量为hv的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光，眼前豁然开朗：那一部分波长变长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子像普通的小球那样，不仅带有能量，还具有冲量，当它和电子相撞，便将自己的能量交换一部分给电子。这样一来光子的能量下降，根据公式E= hv，E下降导致v下降，频率变小，便是波长变大。
康普顿在粒子的基础上推导出波长变化和散射角的关系式，和实验吻合得天衣无缝。康普顿总结道：“现在，几乎不用再怀疑伦琴射线（即X射线）是一种量子现象了……实验令人信服地表明，辐射量子不仅具有能量，而且具有一定方向的冲量。”
康普顿的具体试验是这样的：他把X射线作为辐射源，用石墨作为散射靶体，通过铅板准直缝，用布拉格晶体的反射来测量散射波的波长，散射波的强度则用威尔逊云室作探测器来测量。
他的实验研究发现：在散射辐射中，既存在有原来的入射波波长λ，也有向长波方向偏移的新波长λ’，波长偏移Δλ=λ’ -λ，其值随散射角的增大而增大；当散射角增大时不发生偏移的谱线（λ）强度降低，而发生偏移的谱线（λ’）的强度增加。
康普顿开始时不相信光量子论，但散射波长λ’的出现却是波动说所无法解释的。经过多方探索，他终于提出了如下的解释。假设入射X射线不是频率为v的波，而是能量E= hv的光子的团束，那么光子和散射体中的自由电子则类似于发生了弹性小球间的碰撞；入射光子的一部分能量传递给了电子，所以“反冲光子”则具有较低的能量E’和较长的波长λ’。
1916年，爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》一文中，曾考虑了气体分子和辐射场之间的动量转移问题，第一次指出了能量为hv的量子携带大小为hv/c和有一定方向的动量。现在，康普顿利用了爱因斯坦的动量表示式，对光子与电子的碰撞过程应用质能守恒定律和动量守恒定律，以求对散射作出简单的力学解释。
康普顿用一个具体的粒子碰撞图来解释射线方向和强度的分布，根据能量守恒和动量守恒，方才得到了波长偏移Δλ与散射角θ的关系式，与试验的结果非常吻合。
康普顿简单的碰撞图对于现代物理学家来说早已成为普通常识，可是，康普顿却是得来不易的。这类现象的研究历经了一、二十年才在1923年由康普顿得出正确结果，而康普顿自己也走了5年的弯路，这段历史从一个侧面说明了现代物理学产生和发展的不平坦历程。
从Δλ与散射角θ的关系式可知，波长的改变决定于θ，与入射射线的波长λ无关，即对于某一角度，波长改变的绝对值是一定的。入射射线的波长越小，波长变化的相对值就越大。所以，康普顿效应对γ射线要比X射线显著。早在1904年，英国物理学家伊夫就在
研究γ射线的吸收和散射性质时，首先发现了康普顿效应的迹象。他的试验装置中有一散射物和吸收物，实际上是铁板铝板之类的材料，镭管发出γ射线，经散射物散射后投向静电计。在入射射线或散射射线的途中插一吸收物以检验其穿透力。伊夫发现，散射后的射线往往比入射射线要“软”些。
后来，γ射线的散射问题经过多人研究，英国的弗罗兰斯在1910年获得了明确结论，证明散射后的二次射线决定于散射角度，与散射物的材料无关，而且散射角越大，吸收系数也越大。
所谓射线变软，实际上就是射线的波长变长，频率变小。当时尚未判明γ射线的本质，只好根据实验现象来表示。
1913年，麦克基尔大学的格雷又重做γ射线实验，证实了弗罗兰斯的结论并进一步精确测量了射线强度。他发现：“单色的γ射线被散射后，性质会有所变化。散射角越大，散射射线就越软。”
实验事实明确地摆在物理学家面前，可就是找不到正确的解释。
1919年康普顿也接触到γ散射问题。他以精确的手段测定了γ射线的波长，确定了散射后波长变长的事实。后来，他又从γ射线散射转移到X射线散射。康普顿自制的X射线分光计，钼的Kα线经石墨晶体散射后，用游离室进行测量不同方位的散射强度。从康谱顿发表的论文中曲线来看， X射线散射曲线明显地有两个峰值，其中一个波长等于原始射线的波长（不变线），另一个波长变长（变线），变线对不变线的偏离随散时角变化，散射角越大，偏离也越大。
遗憾的是，康普顿为了解释这一现象，也和其他人一样，走了不少弯路。
他开始是用J。J．汤姆生的电子散射理论解释γ射线和X射线的散射，后来又提出荧光辐射理论和大电子模型。他设想电子具有一定的大小和形状，认为只要“电子的电荷分布区域的半径与γ射线的波长大小可比拟”就可以“在经典电动力学的基础上解释高频辐射的散射。”他为了解释荧光辐射的频率变低，曾试图用多普勒效应进行计算，在计算中，他把X射线对散射物质中电子的作用看成是一个量子过程。开始他用能量hV=1/2mvv进行计算，结果与实际不符。后来，他终于采用了两个条件，在碰撞中既要遵守能量守恒，又要遵守动量守恒，从而，导致了1923年5月在《物理评论》上发表了那篇有历史意义的文献。
接着，德拜也发表了早已准备好的论文。他们两人的论文引起了强烈反响。然而，这一发现并没有立即被科学界普遍承认，一场激烈的争论迅即在康普顿和他的领导人之间展开。这件事发生在1922年以后，一份内有康普顿关于X射线散射的报告在交付出版之前，先要经美国研究委员会的物理科学部所属的一个委员会讨论。他是这个委员会的成员。可是，这个委员会的主席杜安却极力反对把康普顿的工作写进去，认为实验结果不可靠。因为杜安的实验室也在做同样的实验，却得不到同样的结果。
康普顿的学生，从中国赴美留学的吴有训对康普顿效应的进一步研究和检验有很大贡献，除了针对杜安的否定作了许多有说服力的实验外，还证实了康普顿效应的普遍性。他测试了多种元素对X 射线的散射曲线，结果都满足康普顿的量子散射公式。康普顿和吴有训1924年发表了一篇论文，题目是：《被轻元素散射时钼K线的波长》。他们写道：“论文中曲线图的重要点在于：从各种材料所得之谱在性质上几乎完全一致。每种情况，不变线P都出现在钼的Kα谱线相同之处，而变线的峰值，则在允许的实验误差范围内，出现在上述的波长变化量子公式所预计的上位置M上。”
吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于测定了X射线散射中变线、不变线的强度比率R随散射物原子序数变化的曲线，证实并发展了康普顿的量子散射理论。
康普顿认为Δλ只与散射角θ有关而与原始入射波长λ无关，这是光子与原子外围结合得不太紧的、因而可视为自由电子碰撞的结果。但对内部电子、特别是重原子中的电子，它被紧紧束缚于原子中，在碰撞时光子将和质量远大于电子的整个原子碰撞，光子并不把自己的动量和能量传递给原子，所以散射时其波长不变，这就是在散射辐射中存在不移动的谱线的原因。
康普顿终于认识到只有用量子或粒子概念，才可以对辐射与物质的相互作用作出圆满的解释。因而康普顿效应成了光量子论的判决性实验。但是，玻尔等少数物理学家还是不接受光量子论，并进而否定能量守恒定律和动量守恒定律的严格有效性。1925年，德国和美国两组物理学家分别进行了实验肯定了光量子论和微观过程中动量和能量的守恒性后，才结束了这场争论。
爱因斯坦在肯定康普顿效应中起了特别重要的作用。1916年爱因斯坦进一步发展了光量子理论。根据他的建议，玻特和盖革也曾试图用实验检验经典理论和光量子理论谁对谁非，但没有成功。当1923年爱因斯坦获知康普顿实验的结果之后，他热忱地宣传和赞扬康普顿的实验，多次在会议和报刊上谈到它的重要意义。
爱因斯坦还提醒物理学者注意：不要仅仅看到光的粒子性，康普顿在实验中正是依靠了X射线的波动性测量其波长。他在1924年4月20日的《柏林日报》副刊上发表题为《康普顿实验》的短文，有这样一句话：“……最最重要的问题，是要考虑把投射体的性质赋予光的粒子或光量子，究竟还应当走多远。”
正是由于爱因斯坦等人的努力，光的波粒二象性迅速获得了广泛的承认。康普顿由于这一工作而获得了1927年诺贝尔物理学奖金；另一半授与云室的发明者威尔逊。
至此，光的粒子说就从能量子、光量子和康普顿效应等方面三管齐下，不仅死灰复燃，而且能和波动说分庭抗礼而平分天下了。
【阅读与欣赏16】
战争年代的诺贝尔奖
在两次世界大战期间，都有一些年份没有颁发诺贝尔奖。1939年之后，直到1944年才宣布有关诺贝尔奖颁奖的消息。而且战争时的不便利也阻碍了旅行。拉比1944年的诺贝尔物理学奖是在当年11月份宣布的，他立刻在一份电报里接受了这个奖项。但是，他无法前往斯德哥尔摩，在1945年2月28日的一封信里，他为不能前去并发表公开演说而向瑞典科学院表示了歉意。在这次事件中，瑞典科学院决定不延迟，立刻把拉比的奖金、证书和奖章移交给了美国驻瑞典的大使馆。而颁奖典礼于1945年4月11日在纽约的哥伦比亚大学举行。哥伦比亚大学的校长，83岁高龄的巴特勒，把证书和奖状颁发给了拉比，而此前拉比已经收到了29 000美元的奖金。巴特勒自己是1931年诺贝尔和平奖的获得者[他推进了白里安—凯洛格公约]。这件事的情形有些类似5年前的一件事，那时伯克利的劳伦斯(1939年物理学奖得主)因为害怕德国潜水艇的攻击而没有参加斯德哥尔摩1939年12月的颁奖典礼。在旧金山的瑞典领事把颁奖宣言和奖章带到了1940年2月29日在伯克利举行的颁奖典礼上，伯克利的校长斯普劳尔颁发了它们。
施特恩获得1943年诺贝尔物理学奖的消息是与1944年的奖项一起公布的，那时他已经从德国移民到美国了，也不能前往斯德哥尔摩领奖。1943年的诺贝尔化学奖也是1944年公布的，但是其获奖者德•赫维西却很方便，因为那时他恰巧就在斯德哥尔摩。
拉比在1945年2月28日给瑞典学院的信中这样写道，“在这场苦难的战争中诺贝尔奖恢复颁发，格外引人注意，也是一种勇敢的行为。诺贝尔的一生为我们树立了一个典范，他对人类意义深远的理想做出了贡献，而诺贝尔奖在战争中再次颁发，是瑞典人民对于人类理想的又一次贡献。”当然，一位诺贝尔奖的新得主对于瑞典在第二次世界大战中的作用的评价，与挪威抵抗运动者的评价肯定是不同的。挪威抵抗运动者所愤怒地看到的是，整个战争年代，瑞典的铁制品装载在一列列火车上运给德国纳粹。翻看存放在诺贝尔档案馆中战争年代的那些卷宗，我会有很复杂的感觉。尽管奖项在战争开始的那些年代里没有颁发出去，但在这些重要的年代里，瑞典科学院和诺贝尔基金会的一切事务似乎照常运行。
如果诺贝尔基金会不是很清楚世界上其他地方所发生的毁灭性的战争，那么在它邀请诺贝尔奖提名所得到的回应中也会充分体现出这一点。麻省理工学院的院长警告说，“大部分重要的调研都是秘密进行的，因此我相信只有等到战争结束以后才可能真正满意地挑选出获奖者。”希尔(1922年生理学医学奖得主)写道，“我感到战时还颁发诺贝尔奖、举行颁奖庆典，是一种嘲笑。”弗洛伦斯教授的（法国里昂）妻子则道歉说：我非常遗憾地告诉您，我的丈夫弗洛伦斯教授现在不能享有您赋予他的成为1945年诺贝尔化学奖提名候选人的荣耀。在里昂的监狱里被关押了一段时间以后，我丈夫已经被押解到德国去了。从6月份开始，我就再没有听到他的任何消息了；我只知道，他和另外一些法国大学的教授，被送到汉堡附近的一个集中营去了。
[楼主]  [69楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 19:53 
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第四章 波粒两象性
一、波动说和粒子说势均力敌
爱因斯坦提出了光量子的假说，用来解释光电效应中无法用电磁理论说通的现象。然而，光量子的概念却让别的科学家们感到非常地不理解。光的问题不是已经被定性了吗？难道光不是已经被包括在麦克斯韦理论之内，作为电磁波的一部分被清楚地描述了吗？光量子又是怎么一回事情呢？
事实上，光量子是一个非常大胆的假设，它是在直接地向经典电磁理论挑战。爱因斯坦本人也意识到这一点，在他看来，这可是他最有叛逆性的一篇论文了。在写给好友哈比希特的信中，爱因斯坦描述了他划时代的四篇论文，只有在光量子上，他才用了“非常革命”的字眼，而甚至相对论都没有这样的描述。
光量子和传统的电磁波动图像显得格格不入。它其实就是昔日微粒说的一种翻版，因为光量子说光是离散的，由一个个小的基本单位所组成的。只要稍稍回顾一下：自托马斯•杨的时代再过去了一百年后，冥冥中天道循环，当年被打倒在地的霸主又以反叛的姿态再次登上舞台，向已经占据了王位的波动说展开挑战。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战，从而领悟到各自存在的终极意义：如果没有了你，我独自站在这里，又是为了什么。
不过，光量子的处境和当年起义的波动一样，是非常困难和不为人所接受的。波动如今所占据的地位，甚至要远远超过一百年前笼罩在牛顿光环下的微粒王朝。波动的王位，是由麦克斯韦钦点，而又有整个电磁王国作为同盟的。这场决战，从一开始就不再局限于光的领地之内，而是整个电磁谱的性质问题。而我们很快就会看到，战争已经扩大了，整个物理世界都被卷入进去，从而形成一场名副其实的世界大战。
当时，对于光量子的态度，连爱因斯坦本人都是非常谨慎的，更不用说那些可敬的老派科学绅士们了。因为当时和经典的电磁图像不相容的证据非常少，关于光电效应的实验还不能完全正确地证实光量子的存在。微粒的这次绝地反击，直到1915年才真正引起人们的注意，而起因也是非常讽刺的：美国人密立根想用实验来证实光量子图像是错误的，但是多次反复实验之后，他却啼笑皆非地发现，自己已经在很大的程度上证实了爱因斯坦方程的正确性。实验数据相当有说服力地展示，在所有的情况下，光电现象都表现出量子化特征，而不是相反。
“第三次波粒战争”全面爆发了。我们可以这样作个比方：卷土重来的微粒军团装备了最先进的武器：光电效应和康普顿效应。这两门大炮威力无穷，令波动守军难以抵挡，节节败退。但是，波动方面军近百年苦心经营的阵地毕竟不是那么容易突破的，麦克斯韦理论和整个经典物理体系的强大后援使得他们仍然立于不败之地。波动的拥护者们很快便清楚地意识到，不能再后退了，因为身后就是悬崖峭壁！波动理论的全面失守将意味着麦克斯韦电磁体系的崩溃，但至少现在，微粒这一雄心勃勃的计划还难以实现。
波动在稳住了阵脚之后，迅速地重新评估了自己的力量。虽然在光电问题上它无能为力，但当初它赖以建国的那些王牌武器却依然没有生锈和失效，仍然有着强大的杀伤力。微粒的复兴虽然来得迅猛，但终究缺乏深度，它甚至不得不依靠从波动那里缴获来的军火来作战。比如我们已经看到的光电效应，对于光量子理论的验证牵涉到频率和波长的测定，而且却仍然要靠光的干涉现象来实现，波动的立国之父托马斯•杨，他的精神是如此伟大，以至在身后百年仍然光耀着波动的战旗，震慑一切反对力量。在每一所中学的实验室里，通过两道狭缝的光依然不依不饶地显示出明暗相间的干涉条纹来，不容置疑地向世人表明它的波动性。菲涅尔的论文虽然已经在图书馆里蒙上了灰尘，但任何人只要有兴趣，仍然可以重复他的试验，来确认泊松亮斑的存在。麦克斯韦芳华绝代的方程组仍然在每天给出预言，而电磁波也仍然温顺地按照那个优美的预言以每秒30万公里的速度行动，既没有快一点，也没有慢一点。
战局很快就陷入僵持，双方都屯兵于自己得心应手的阵地之内，谁也无力去占领对方的地盘。光子一陷入干涉的沼泽，便显得笨拙而无法自拔；光波一进入光电的丛林，也变得迷茫而不知所措。粒子还是波？在人类文明达到高峰的20世纪，却对宇宙中最古老的现象束手无策。
微粒和波动即将爆发的总决战终于结束了。现在，这两支军队相互对垒，大家僵持不下而势均力敌。
于是，一种调和折中的观点就自然而然产生了。光既有粒子的一面，也有波动的一面，美其名曰：波粒两象性。
到本世纪二十年代，光子理论可以说完全确立了。更详细一点说，它认为各种辐射都是E=hv
光子总是以光速运动着。一个光子具有一定的动量，这动量和光的波长有关。波长为λ的辐射，它的光子的动量是
p=h/λ
牛顿的的微粒说虽然复活了，但微粒已改头换面。光子已不再是牛顿所设想的经典粒子，而是具有全新品质的光子。光子除了在集中性这一点上和经典粒子相似外，其他都与粒子不一样，倒是和波一样。特别是，光子的能量不再能写成1/2mvv，而动量也不再能写成mv，而是竟然和标志波动特点的频率或波长用普朗克常数联系起来，而是hv 和h/λ。奥妙呀，奥妙！但这毕竟是现代科学的真实！
在对辐射本质的认识上，能说波动说完全正确吗？不能。它虽然在衍射、干涉等光的传播现象上被证明无疑是正确的，但在光电效应等现象上却无能为力。粒子说，即使是换了新貌的微粒说——光子论，是完全正确的吗？也不是。它只能在那么光和其他物质相互作用的领域，如光电效应等，被证明是正确的。它对光的传播规律又无能为力，而且光子本身还要用频率和波长这种“波动量”来说明。波动说，光子论又正确，又能不完全正确，各自适用于一定的领域。
我们不禁要问：怎么把它们统一起来呢？辐射的真空图像到底是什么样的呢？
按经典电磁理论，辐射是一种波，波在空间各处有一定的振幅，各处振幅的大小决定各处的辐射的能量的大小。按光子理论，辐射由一个个光子组成，一个光子具有集中的能量，空间各处的辐射的能量由各处的光子数目决定。波的振幅和光子的数目有可能联系起来吗？答案竟然是肯定的！
让我们从光源S发出的光通过双缝S1、S2后，在屏P上的照相底片上形成明暗条纹。我们用光子图像来说明这个现象。条纹中亮处，光的能量大，一定是落在此处的光子多；暗处光的能量小，一定是落在此处的光子少。如果光源S很强，一下子穿过S1和S2的光子的数目很多，它们过双缝后就按一定规律有集中有分散地落到屏上形成明暗条纹。
如果用极微弱的光源S作实验，这光源隔一会儿一个、隔一会儿一个地向S1和S2发射
光子，每个光子通过S1或S2后落到屏上使照相底片感光。经过较短的时间，当通过双缝的光子数没有多少时，取下底片观察，发现底片上的感光并不显示明显的规律性。这说明每个光子到底落在休何处是不确定的。如果经过相当长的时间，使得累计有很大数量的光子通过双缝，再取下底片观察，则看到标准的双缝干涉图样。这又说明，只要数量足够多，它们作为集体落到屏上的位置就显示出了规律性，有些地方要落得多些，有些地方要落得少些，或者根本落不上。也就是说，对于单个光子，它通过双缝后，虽然落到屏上的位置不确定，但并不是完全不确定，而是落在某些区域的可能性大，落在另一些区域的可能性小，而落在各处的可能性的大小又是一定的。
可能性的大小在数学上叫做“几率”。可能性大就是几率大。一个光子落到屏上某处的可能性的大小就用光子到达该处的几率表示。这样，双缝图样就可以这样说明：一个光子通过双缝后落到屏上各处的几率各有一定的不同的数值。明暗条纹的分布实际上显示了电子落到各处的几率的大小。这就是光子理论对双缝干涉条纹的解释。
按波动说来理解，明暗条纹是由光的强弱不同形成的，而光的强弱又由波的振幅决定。振幅大的地方光就强，为亮区；振幅小的地方，光就弱，为暗区。明暗条纹的分布实际上显示了各处波的振幅的大小。
把上述两种解释结合起来，我们可以用这样一个观点来理解波的意义。对光子的运动来说，它遵守波的规律。但这并不是说，光子是边扭摆边前进的。波也不表示什么实在的东西在波浪式地运动。波在空间各处振幅的大小，不再象经典理论那样直接决定波在该处的能量的大小，而是决定着一个光子到达该处的几率。用这种观点来理解波的意义时，就把波叫几率波。
用几率波概念也可以说明辐射的能量的分布。在振幅大的地方，光子到达的几率大。如果是大量的光子分布在空间，则几率大的地方光子数就多。每个光子都具有hv的能量，光子数多的地方辐射的能量当然也就大了。这里我们又得到振幅大、能量就大的结论，不过是通过几率概念而间接地得出的。
光子不再是经典的微粒，几率波也不再是经典的波。光子及其几率波都是现代物理学的新概念。
现在，我们就可以把光的二象性的现代图像简要说明如下：
1． 辐射是由一个个光子组成的，每个光子都有集中的能量和动量。辐射和其他物质交换能量和动量时，就以这种集中的形象出现。
2． 光子总是以光速运动着。它的运动遵守波动的规律。
3． 各种光子的能量和动量决定于它的波的频率或波长，而光子到达空间各处的几率决定于它的波在各该处的振幅。
人们常说的光的波粒二象性，简单来说就是上面几点具体内容。
【阅读与欣赏17】
与诺贝尔奖相关的其他大奖
诺贝尔奖所享有的特别崇高的声望给它的颁奖者们带来了沉重的压力。如果有一些等级渐进的奖项会稍好，诺贝尔奖就不必承担那种分水岭式的效果了。还有很多其他的国际科学奖项，的奖金也很多，但是没有一个能够在声望上接近诺贝尔奖。这里我们介绍几个跟诺贝尔奖相关的奖项。
克拉福德奖(Crafoord Prize)在瑞典是仅次于诺贝尔奖的最重要的科学奖项，奖金价值是诺贝尔奖的一半，涵盖的领域是诺贝尔奖没有涉及的。它每年秋天由瑞典国王在颁奖典礼上颁发，没有像诺贝 尔奖那样的节日气氛。克拉福德基金会是1980年建立的，由安娜格里塔•克拉福德(Anna-Greta Crafoord)和霍尔格•克拉福德( Holger Crafoord)对瑞典皇家科学院的捐赠而来。该奖项是国际性的，每年颁发，最多可以由三个获奖者分享。该奖项向下列领域轮流颁发：数学；地球科学；生物科学；天文学。另外，也可以颁给关于类风湿性关节炎的研究，但是这必须有个特殊的委员会来证明该领域中勺科学进步的确值得颁奖。克拉福德奖在生物科学方面与诺贝尔奖的生理学医学奖有显著的重叠。
以色列总统主持沃尔夫化学奖、数学奖、医学奖、物理学奖和艺术奖每年的颁奖典礼。颁奖典礼在耶路撒冷国会大厦的夏加尔大厅举行，参加的有几百人。沃尔夫奖(Wolf Prizes)是从1978年开始由里卡尔•沃尔夫(Ricardo Wolf)和弗朗西斯卡•沃尔夫( Francisca Wolf)创办颁发的，首邀请世界上相关领域的研究机构或者院系的首脑、之前沃尔夫奖得主，以及沃尔夫基金会特别邀请的科学家或者艺术家对候选人进行提名。每个领域的授奖由三人组成的委员会决定，三名成员中一名来自北美，一名来自欧洲，还有一名来自以色列。这些委员都是由基金会的理事会挑选并且任命一年任期，其中一位成员保留到下一年。有些沃尔夫奖得主已经得过诺贝尔奖了。
由美国艾伯特•拉斯克(Albert Lasker)和玛丽•拉斯克(Mary Lasker)基金会颁发的拉斯克医学研究奖，似乎也与诺贝尔奖有关。虽然他们的奖金相对比较低，声望却很高。艾伯特•拉斯克是个广告商，一些人把他奖项特别的成功归因于他出色的专业能力。它每年颁发三个奖项：基础研究奖，临床研究奖，特殊成就奖。诺贝尔奖的生理学医学奖主要是针对基础研究的，很少颁发给临床研究，当然艾伯特•拉斯克基础医学研究奖和诺贝尔奖的获奖者有相当多的交叉。就像沃尔夫奖那样，得到拉斯克奖以后常常会再得到诺贝尔奖。人们也许猜测是否拉斯克奖的评奖委员会想要预见到诺贝尔奖的决定或者诺贝尔奖评奖委员会依赖于拉斯克奖的决定。此前获得拉斯克奖的科学家们会更多地获得诺贝尔化学奖而不是生理学医学
奖，这是由于远来诺贝尔化学奖在向生物化学方面转移。只有一次（1960年），一名获奖者得到拉斯克奖之后又获得了诺贝尔物理学奖，即1986年的诺贝尔物理学奖颁发给了鲁斯卡(Ernst Ruska)，由于他设计出了电子显微镜。对于1964-1996年的调查显示，只有五年的拉斯克奖没有颁发给未来的诺贝尔奖得主。另一方面，很少有诺贝尔奖得主后来又被颁发了拉斯克奖。有一次比如圣捷尔吉(Albert Szent-Gyorgyi，1937年生理学医学奖得主)，1954年接受了他关于肌肉研究的拉斯克奖，而他的肌肉研究工作与他已经获得诺贝尔奖的研究无关。还有，桑格（Frederick Sanger，1958年和1980年化学奖得主）在1979 年和吉尔伯特(Walter Gilbert，1980年化学奖得主)分享了一次拉斯克奖。桑格已经获得了一次诺贝尔奖，但是获得拉斯克奖是在他第二次获得诺贝尔奖之前。挑选拉斯克奖得主的机制与诺贝尔奖的制度是不同的。拉斯克奖拥有一个规模比较大的评奖委员会，委员都是各国的国际代表，由那些高度活跃的著名科学家短期担任一段时间。拉斯克奖更多是属于美国的而不是国际的，但是，即使只有美国科学那一卷，威望也很高。尽管人们认为它深深地受到国家利益的影响，但也有人反对说，国家利益在美国很少像在欧洲国家那样得到强调。在美国，地区利益或者个别学院的利益可能更重要。
诺贝尔奖的制度得到研究和仿效，也是它得到承认的一个肯定的标志。人们还创造出了一个本质上相反的诺贝尔奖。《不可能的研究年刊》杂志向个人颁发“搞笑诺贝尔奖”，获奖者的成就“不能或者不会再现”。搞笑诺贝尔奖每年都在马萨诸塞州的剑桥由真正的诺贝尔奖得主颁发出去。搞笑诺贝尔奖是由学术界颁发给学术界( for academics)的，而不是为了反对伪科学或者反科学学者们(against pseudo-science or anti-scientists)的。
第一个搞笑诺贝尔奖的化学奖颁发给了邦弗尼斯特( Jacques Benveniste)，因为他发现了水有记忆并因此能够传递分子信息。1998年，他再次获得了搞笑诺贝尔奖，理由是他发现上述分子信息能够通过电话线传播，从而可以允许通过E-mail传递家庭治疗。 1996年的搞笑诺贝尔物理学奖颁发给了英国阿斯顿大学的马修斯(Robert Matthews)，由于他对墨菲法则(Murphy's Law)的研究，特别是由于他论证了烤面包片更经常以有黄油的那面着地。1998年搞笑诺贝尔生理学医学奖颁发给了几个主管烟草公司的人，“由于他们不可动摇的发现，就像他们证实给美国国会看的那样，尼古丁不会让人上瘾。”
搞笑诺贝尔奖的特点在于，它的获奖者常常是杰出的科学家，他们已经因其他的研究赢得声望。例如，邦弗尼斯特由于和别人共同发现了所谓的使血小板活动的因子而享有声望。该因子是一种有效的生物磷脂，能够使血小板释放血清素，并且能够在很低的浓度下起作用。它还是一种在炎性和过敏情况下的主要的信号分子。这个发现也许值得获取真正的诺贝尔奖。
[楼主]  [70楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/12 21:31 
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二、德布罗意的物质波
作为量子力学的前奏，路易斯•德布罗意的物质波理论有着特殊的重要性。德布罗意是法国物理学家，原来学的是历史，对科学也很有兴趣。第一次世界大战期间，在军队服役，从事无线电工作。平时爱读科学著作，特别是彭加勒、洛仑兹和朗之万的著作。后来对普朗克、爱因斯坦和玻尔的工作发生了兴趣，乃转而研究物理学。退伍后跟随朗之万攻读物理学博士学位。他的兄长莫里斯•德布罗意是一位研究X射线的专家，路易斯曾随莫里斯一道研究X射线，两人经常讨论有关的理论问题。莫里斯曾在1911年第一届索尔威会议上担任秘书，负责整理文件。这次会议的主题是关于辐射和量子论。会议文件对路易斯有很大启发，莫里斯和另一位X射线专家W.布拉格联系密切。布拉格曾主张过X射线的粒子性。这个观点对莫里斯很有影响，所以他经常跟弟弟讨论波和粒子的关系。这些条件促使德布罗意深入思考波粒二象性的问题。
1923年9月-10月间，德布罗意连续在《法国科学院通报》上发表了三篇有关波和量子的论文。第一篇题目是《辐射——波与量子》，提出实物粒子也有波粒二象性，认为与运动粒子相应的还有一正弦波，两者总保持相同的位相。后来他把这种假想的非物质波称为相波。他考虑一个静质量为m。的运动粒子的相对论效应，把相应的内在能量m。C2视为一种频率为v。的简单周期性现象。他把相波概念应用到以闭合轨道绕核运动的电子，推出了玻尔量子化条件。在第三篇题为《量子气体运动理论以及费马原理》的论文中，他进一步提出，“只有满足位相波谐振，才是稳定的轨道。”在第二年的博士论文中，他更明确地写下了：“谐振条件是l=nλ，即电子轨道的周长是位相波波长的整数倍。”
在第二篇题为《光学——光量子、衍射和干涉》的论文中，德布罗意提出如下设想：“在一定情形中，任一运动质点能够被衍射。穿过一个相当小的开孔的电子群会表现出衍射现象。正是在这一方面，有可能寻得我们观点的实验验证。”
在这里要说明两点：第一点，德布罗意并没有明确提出物质波这一概念，他只是用位相波或相波的概念，认为这是一种假想的非物质波。可是究竟是一种什么波呢？在他的博士论文结尾处，他特别声明：“我特意将相波和周期现象说得比较含糊，就象光量子的定义一样，可以说只是一种解释，因此最好将这一理论看成是物理内容尚未说清楚的一种表达方式，而不能看成是最后定论的学说。”物质波是在薛定谔方程建立以后，，在诠释波函数的物理意义时才由薛定谔提出的。第二点，德布罗意并没有明确提出波长λ和动量p之间的关系式：λ= h/p（h即Planck常数），只是后来人们发觉这一关系在他的论文中已经隐含了，就把这一关系称为德布罗意公式。
德布罗意一直在思考这样一个问题，就是如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念，以符合观测到的现实。原本，这个条件是强加在电子上面的量子化模式：电子的轨道是不连续的。可是，为什么必须如此呢？在这个问题上，玻尔只是态度强硬地作了硬性规定，而没有解释理由。在他的威名震慑下，电子虽然乖乖听话，但总有点不那么心甘情愿的感觉。德布罗意想，是时候把电子解放出来，让它们自己做主了。
20世纪初的法国，很少有科学家投入到量子领域的研究中，但老布里渊（他的儿子小布里渊也是一位物理名家）是一个例外。1919年到1922年，布里渊发表了一系列关于玻尔原子的论文，试图解释只存在分立的定态轨道这样一个事实。提出一种能解释玻尔定态轨道原子模型的理论。他设想原子核周围的“以太”会因电子的运动激发一种波，这种波互相干涉，在绝大部分的地方抵消掉了，因此电子不能出现在那里。只有在电子轨道半径适当时才能形成环绕原子核的驻波，因而轨道半径是量子化的。这一见解被德布罗意吸收了，他把以太的概念去掉，把以太的波动性直接赋予电子本身，对原子理论进行深入探讨。
法国物理学家布里渊在1919-1922年间发表过一系列论文，
德布罗意读过布里渊的文章后，若有所思：干涉抵消的说法是可能的，但“以太”就不令人信服了。我们可敬的老以太，37年前的迈克尔逊莫雷实验已经宣判了它的死刑，而爱因斯坦则在19年的缓刑期后亲手处决了它，现在又有什么理由让它再次借尸还魂呢？导致玻尔轨道的原因，必定直接埋藏在电子内部，而不用导入什么以太之类的多余概念。问题 是，我们必须对电子本身的性质再一次进行认真的审视，莫非，电子背后还隐藏着一些无人知晓的秘密？
德布罗意想到了爱因斯坦和他的相对论。他开始这样地推论：根据爱因斯坦那著名的方程，如果电子有质量m，那么它一定有一个内禀的能量E=mc2。而量子基本方程是，E=hv，于是，对应这个能量，电子一定会具有一个内禀的频率。这个频率的计算很简单，因为mC2=E=hv，所以v=mC2／h。
这样一来，电子就有一个内在频率。那么频率是什么呢？它是某种振动的周期。那么我们又得出结论，电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢？德布罗意借助相对论，开始了他的运算，结果发现……当电子以速度v。前进时，必定伴随着一个速度为c2／v。的波…… 请注意：电子在前进时，本身总是伴随着一个波。细心的读者可能要发出疑问，因为他们发现这个波的速度C2 /v。将比光速还快上许多，但是这不是一个问题。德布罗意证明，这种波不能携带实际的能量和信息。因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说，没有一种能量信号的传递能超过光速，对德布罗意的波，他是睁一只眼闭一只眼的。
德布罗意的 “波”？可是我们头先明明在讨论电子的问题，怎么突然从电子里冒出了一个波呢？我们并没有引入所谓的“以太”啊，只有电子，这个波又是从哪里出来的呢？难道说，电子本身其实就是一个波？
电子居然是一个波？！这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些反叛的年轻人面前，只能摇头兴叹，连话都说不出来了。德布罗意把位相波或相波的概念的证明作为他的博士论文提交了上去，得到了答辩委员会的高度评价，认为很有独创精神，但并不是所有的人都相信他。“证据，我们需要证据。”在博士答辩中，所有的人都在异口同声地说，“如果电子是一个波，那么就让我们看到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看，把干涉图纹放在我们的眼前。”德布罗意有礼貌地回敬道：“是的，先生们，我会给你们看到证据的。我预言，电子在通过一个小孔或者晶体的时候，会像光波那样，产生一个可观测的衍射现象。”
当时，在他兄长的实验室中有一位实验物理学家道威利尔（Dauvillier)曾试图用阴极射线管做这样的实验，试了一试，没有成功，就放弃了。后来分析，可能是电子的速度不够大，当作靶子的云母晶体吸收了空中游离的电荷，如果实验者认真做下去，肯定会做出结果来的。
德布罗意并未能说服所有的评委们，虽然他凭借出色的答辩最终获得了博士学位，但人们仍然倾向于认为相波只是一个方便的理沦假设，而非物理事实。德布罗意的论文发表后，当时并没有多大反应。后来引起人们注意是由于爱因斯坦的支持。朗之万曾将德布罗意的论文寄了一份给爱因斯坦，爱因斯坦看到后非常高兴。他没有想到，自己创立的有关光的波粒二象性观念，在德布罗意手里发展成如此丰富的内容，竟扩展到了运动粒子。当时爱因斯坦正在撰写有关量子统计的论文，于是就在其中加了一段介绍德布罗意工作的内容。他写道：“一个物质粒子或物质粒子系可以怎样用一个波场相对应，德布罗意先生已在一篇很值得注意的论文中指出了。” 并称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一惊，这才开始全面关注德布罗意的工作。
事实上，德布罗意的博士学位当然不是侥幸得来的，恰恰相反，这也许是颁发过的含金量最高的学位之一。德布罗意是有史以来第一个仅凭借博士论文就直接获取科学的最高荣誉——诺贝尔奖的例子，而他的精彩预言也将和他本人一样在物理史上流芳百世。因为仅仅两年之后，奇妙的事情就发生了。
【阅读与欣赏18】
诺贝尔奖得主的幼儿园
卢瑟福本人是一位伟大的物理学家，这是毋庸置疑的。但他同时更是一位伟大的物理导师，他以敏锐的眼光去发现人们的天才，又以伟大的人格去关怀他们，把他们的潜力挖掘出来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们，后来绝大多数都出落得非常出色，其中更包括为数众多的科学大师们。
我们熟悉的尼尔斯•玻尔，20世纪最伟大的物理学家之一，1922年诺贝尔物理奖得主，量子论的奠基人和象征。他在曼彻斯特跟随过卢瑟福。
保罗•狄拉克(Paul Dirac)，量子论的创始人之一，同样伟大的科学家，1933年诺贝尔物理奖得主。他的主要成就都是在剑桥卡文迪许实验室做出的（那时卢瑟福接替了退休的J．J．汤姆逊成为这个实验室的主任）。
狄拉克获奖的时候才31岁，他对卢瑟福说他不想领这个奖，因为他讨厌在公众中
的名声。卢瑟福劝道，如果不领奖的话，那么这个名声可就更响了。
中子的发现者，詹姆斯•查德威克，(James Chadwick)在曼彻斯特花了两年时间在卢瑟福的实验室里工作。他于1935年获得诺贝尔物理奖。
布莱克特(Patrick M．S．Blackett)在一战后辞去了海军上尉的职务，进入剑桥跟随卢瑟福学习物理。他后来改进了威尔逊云室，并在宇宙线和核物理方面做出了巨大的贡献，为
此获得了1948年的诺贝尔物理奖。
1932年，沃尔顿(E.T．S Walton)和考克劳夫特(John Cockcroft)在卢瑟福的卡文迪许实验室里建造了强大的加速器，并以此来研究原子核的内部结构。这两位卢瑟福的弟子在1951年分享了诺贝尔物理奖。
这个名单可以继续开下去，一直到长得令人无法忍受为止：英国人索迪( Frederick Soddy)，1921年诺贝尔化学奖。匈牙利人赫维西(George von Hevesy)，1943年诺贝尔化学奖。德国人哈恩(Otto Hahn)，1944年诺贝尔化学奖。英国人鲍威尔( Cecil Frank Powell)，1950年诺贝尔物理奖。美国人贝特(Hans Bethe)，1967年诺贝尔物理奖。苏联人卡皮查(P．L．Kapitsa)，1978年诺贝尔化学奖。
除去一些稍微疏远一点的场合，卢瑟福一生至少培养了十位诺贝尔奖得主（还不算他自己本人）。当然，在他的学生中还有一些没有得到诺贝尔奖，但同样出色的名字，比如汉斯•盖革（Hans Geiger，他后来以发明了盖革计数器而著名）、亨利•莫塞莱（Henry Moseley，一个被誉为有着无限天才的年轻人，可惜死在了第一次世界大战的战场上）、恩内斯特•马斯登( Ernest Marsden,他和盖单一起做了α粒子散射实验，后来被封为爵士)……
卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最大面值--100元上面，作为国家对他最崇高的敬意和纪念。
[楼主]  [71楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/13 06:57 
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三、物质波的实验验证
上一次讲到，德布罗意曾设想，晶体对电子束的衍射实验，有可能观察到电子束的波动性。人们希望能够实现这一预见。耐人寻味的是，正在这个时候，有两个令人迷惑不解的实验结果也在等待理论上作出正确的解释。这两个实验就是下面要讲到的冉绍尔的电子一原子碰撞实验和戴维森的电子散射实验。
1913年，德国物理学家冉绍尔发展了一种研究电子运动的实验方法，人称冉绍尔圆环法。用这种方法可以高度精确地确定慢电子的速度和能量。粒子间相互碰撞的有效截面概念就是冉绍尔首先提出来的。第一次世界大战后，冉绍尔继续用他的圆环法进行慢速电子与各种气体原子弹性碰撞的实验研究。1920年，他在题为：《气体分子对慢电子的截面》一文中报道了他发现氩气有特殊行为。
冉绍尔在腔室中分别充以各种不同的气体，例如氢、氦、氮和氩。他经过多次测量，发现一般气体的截面“随电子速度减小均趋于常值，唯独氩的截面变得特别小”。由氩的这一反常行为，冉绍尔得出的结论是：“在这个现象中人们观察到最慢的电子对氩原子是自由渗透的。”
冉绍尔综合多人实验结果而作出的惰性气体Xe、Kr、Ar对电子的散射截面随电子速度变化的曲线，横坐标是与电子速度成正比的加速电压平方根值，纵坐标是散射截面Q。三种惰性气体的曲线具有大体相同的形状。约在电子能量为l0eV时，Q达极大值，而后开始下降；当电子能量逐渐减小到leV左右时，Q又出现极小值；能量再减小，Q值再度上升。事实确凿地证明，低能电子与原子的弹性碰撞是无法用经典理论解释的。这就是当年令人不解的冉绍尔效应。
戴维森的电子散射实验比冉绍尔的电子碰撞实验更早得到奇特的结果。戴维森是美国西部电气公司工程部（即后来的贝尔电话实验室）的研究员，从事热电子发射和二次电子发射的研究。1921年，他和助手孔斯曼在用电子束轰击镍靶时，发现从镍靶反射回来的二次电子有奇异的角度分布，其分布曲线出现了两个极大值。戴维森没有放过这一现象，反复试验，并撰文在1921年的《科学》杂志上进行了讨论。他当时的看法是认为极大值的出现可能是电子壳层的象征，这一研究也许可以找到探测原子结构的又一途径。
这件事引起了德国著名物理学家玻恩(M. Born)的注意，他让一名叫洪德(后来是著名光谱学家)的研究生，根据戴维森的电子壳层假设重新计算电子散射曲线的极大极小值。在一次讨论班上洪德作了汇报，引起另一名研究生埃尔萨塞的兴趣。埃尔萨塞的思想特别活跃，非常关心物理学各个领域的新进展，当他得知爱因斯坦和玻色(Bose)新近发表了量子统计理论，就想找到爱因斯坦的文章来阅读。爱因斯坦在文章中特别提到了德布罗意的物质波假说，使埃尔萨塞获得很大启发。不久，埃尔萨塞又读到了德布罗意给玻恩寄来的论文。他的思想突然产生了一个飞跃，会不会戴维森的极大极小值，就是电子波动性造成的？
他迅即按德布罗意公式用计算尺估算了最大值所需的电子能量，发现数量级正确。几个星期之后，他写了一篇通讯给德文《自然科学》杂志，题为《关于自由电子的量子力学的说明》。在这篇短文中，他特别提到用波动性的假说不但可以解释戴维森和孔斯曼的实验，还可以解释冉绍尔效应。
戴维森从1921年起就没有间断电子散射实验，一直在研究电子轰击镍靶时出现的反常行为。他仍沿着电子壳层的方向进行研究，没有注意埃尔萨塞的论文。1925年，一次偶然的事故使他的工作获得了戏剧性的进展。有一天，他的助手革末正准备给实验用的管子加热去气，真空系统的炭阱瓶突然破裂了，空气冲进了真空系统，镍靶严重氧化。戴维森决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热，给阴极去气。经过两个月的折腾，又重新开始了正式试验。在这中间，奇迹出现了。1925年5月初，结果还和1921年所得差不多，可是5月中曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐的峰值。他们立即采取措行，将管子切开看看里面发生了什么变化。经公司一位显微镜专家的帮助，发现镍靶在修复的过程中发生了变化，原来磨得极光的镍表面，现在看来构成了一排大约十块明显的结晶面。他们断定散射曲线反常的原因就在于原子重新排列成晶体阵列。
这一结论促使戴维森和革末修改他们的实验计划。既然小的晶面排列很乱，无法进行系统的研究，他们就作了一块大的单晶镍，并切取一特定方向来做实验。他们事前并不熟悉这方面的工作，所以前后花了近一年的时间，才准备好新的镍靶和管子。有趣的是，他们为熟悉晶体结构做了很多X射线衍射实验，拍摄了很多X射线衍射照片，可就是没有将X射线衍射和他们正从事的电子衍射联系起来。他们设计了很精巧的实验装置，镍靶可沿入射束的轴线转360。，电子散射后的收集器也可以取不同角度，显然他们的目标已从探索原子结构，转向探索晶体结构。1926年继续做电子散射实验，然而结果并不理想，总得不到偶然事件之后的那种曲线。
这时正值英国科学促进会在牛津开会。戴维森参加了会议。在1926年8月10日的会议上，他听到了著名的德国物理学家玻恩讲到，“戴维森和康斯曼……从金属表面反射的实验”是德布罗意波动理论所预言的电子衍射的“证据”。戴维森没有想到自己三年前的实验竟有这样重要的意义。
会议之后，戴维森找到玻恩和其他一些著名的物理学家，让他们看新近得到的单晶散射曲线，跟他们进行了热烈的讨论。玻恩建议戴维森仔细研究薛定谔有关波动力学的论文。这次讨论对戴维森的工作有决定性的影响。回到纽约后，他重新制定了研究方案。有了明确的探索目标，工作进展相当迅速。这时，戴维森已经自觉接受波动理论的指导，有效地发挥自己的技术专长。
戴维森和革末的实验装置极其精巧，整套装置仅长5英寸，高2英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达10-6帕。散射电子用一双层的法拉第筒（叫电子收集器）收集，送到电流计测量。收集器内外两层之间用石英绝缘，加有反向龟压，以阻止经过非弹性碰撞的电子进入收集器，收集器可沿轨道转动，
仔细备制的样品是从晶体生产的单晶镍切割下来，经过研磨、腐蚀，取(111)面正对电子束，这是由于镍是面心型晶体，(111)面是这类晶体点阵最为密集的方向。晶体安装在沿入射束方向的轴上，可以随意改变方位。
散射电流取决于四个因素：轰击电流、方位、散射角和轰击电压。已知散射电流与轰击电流之间有简单的正比关系，实验主要考察散射电流跟后面三项的关系。他们做了大量的测试工作。
他们综合几十组曲线，肯定这是电子束打到镍晶体发生的衍射现象。于是，他们进一步做定量比较。然而，不同加速电压下，电子束的最大值所在的散射角，总与德布罗意公式计算的结果相差一些。他们发现，如果理论值乘0.7，与电子衍射角基本相符。
他们的论文发表在《自然》杂志1927年4月16日的一期上。这篇论文立即引起了人们的注意。不久依卡尔特指出。理论和实验之间的偏差可能是由于电子在晶体中受到折射。戴维森继续实验，发现随着轰击电压增加，偏差越来越小。戴维森和革末在1928年4月发表这些曲线，表明电子束反射后的强度随波长改变的关系。由曲线图可见，随着波长变短，也即加速电压增大，偏差越来越小。根据戴维森的数据，贝特推算出金属表面存在内电势，对于镍，内电势约为15伏。如果考虑这一因素，理论值和实验值就吻合一致了。至此，戴维森完全证实了电子衍射的存在，为德布罗意的物质波假说提供了重要证据。
如果说戴维森发现电子衍射走的是一条曲折的道路，那末，G.P．汤姆生就是走了一条直路。他是电子的发现者J．J．汤姆生的独生子，从小接受到良好的科学教育，在父亲的指导下做气体放电等方面的研究工作。1922年，30岁的G.P．汤姆生当了阿伯登大学教授，继续做他父亲一直从事的正射线的研究，实验设备主要是电子枪和真空系统。他很欣赏1924年德布罗意的论文，并于1925年向《哲学杂志》投过一篇论文，试图参加有关物质波的讨论。1926年在牛津召开的英国科学促进会他也参加了，不过当时没有见到戴维森。是玻恩的报告引起他对德布罗意物质波假说的进一步兴趣，促使他按照埃尔萨塞的方案去探讨电子波存在的可能性。他的实验室有优越的条件可以进行电子散射实验。果然当他把正射线的散射实验装置作些改造，把感应圈的极性反接，在电子束所经途中加一赛璐珞薄膜作为靶子，让电子束射向感光底片，不久就得到了边缘模糊的晕环照片。这就是最早的电子衍射花纹。
G。P。汤姆生的电子衍射实验的特点是：电子束经高达上万伏的电压加速，能量相当于10—40keV，电子有可能穿透固体薄箔，直接产生衍射花纹，不必象戴维森的低能电子衍射实验那样，要靠反射的方法逐点进行观测，而且衍射物质也不必用单晶材料，可以用多晶体代替。因为多晶体是由大量随机取向的微小晶体组成，沿各种方向的平面都有可能满足布拉格条件，所以可以从各个方向同时观察到衍射，衍射花纹必将组成一个个同心圆环，和X射线德拜粉末法所得衍射图形类似。
物质波理论不仅得到电子束实验的证实，还可以从分子束甚至中子束获得验证。
1930年，分子束方法的创始人斯特恩和他的合作者用氢分子和氦原子证实普通原子和分子也具有波动性，成功的关键是他们做成了极其灵敏的气压计，可用于检测分子束。原子和分子是中性的，无法用电场加速，只能从平衡态的热分布中选择某一范围速度内的部分粒子，所以能量非常低，一般只有百分之几电子伏特，相当于波长为1埃。
氦原子束或氢分子束经准直缝投向氟化锂(LiF)单晶，散射后被检测器（即气压计）接收。检测器可以绕轴旋转测不同方位的粒子数。当方位角φ=0时，反射束与入射束处于同一平面，强度最大；改变φ角，强度锐减；当φ=11度时，就出现了第一衍射峰的曲线。
1931-1933年，斯特恩等人在分子束所经的途中加了一道速度选择器，实验结果大为改善。速度选择器是由两只同轴齿轮组成，轮上沿辐向各刻有400多个轮齿，如图9-17。齿轮的转速可以调节，不同的转速选择不同速度的分子（实际上是速度间隔为v→v+Δv的分子）自由地穿过轮齿，到达LiF晶体。用这个方法，斯特恩证明氦原子束经LiF晶体衍射所得结果与德布罗意关系一致，实验误差不超过1-2%。这项精采实验有很深远的意义。
自由电子具有波动性可能还比较容易被人们接受，因为电子本身就是一种难以捉摸的微观粒子，波动性也许就是它的某种特性。当证明氢分子和氦原子一类的中性物质同样也具有波动性时，就不能不使人们确信波粒二象性是物质的普遍属性了。
另一项值得提到的是核粒子的波动性，其中尤以中子衍射的研究最有价值。中子是1932年发现的，1936年就有人观测到中子的衍射现象。不过那时中子束是从最原始的中子源即镭铍源获得的。
40年代以后，各种反应堆发展起来了，有可能获得较强的中子束。这时，中子衍射不但又一次提供了物质波的实验证据，而且被利用于探测物质结构，成了材料科学中的一项重要实验技术。
许多的证据都和德布罗意的预言吻合得天衣无缝。现在没什么好怀疑的了，我们可以完全相信，电子，千真万确，无可争辩，板上钉钉，绝对是一种波！
1937年，G.P．汤姆生和戴维森一起，由于电子衍射方面的工作共获诺贝尔物理奖。

【阅读与欣赏19】
父子诺贝尔奖
俗话说，虎父无犬子，大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩。J ．J．汤姆逊的儿子G．P．汤姆逊推翻了老爸电子是粒子的观点，证明电子的波动性，同样获得诺贝尔奖。这样的世袭科学豪门，似乎还不是绝无仅有。
居里夫人和她的丈夫皮埃尔•居里于1903年分享诺贝尔奖（居里夫人在1911年又得了一个化学奖）。他们的女儿约里奥，居里(Irene Joliotf-Curie)也在1935年和她丈夫一起分享了诺贝尔化学奖。居里夫人的另一个女婿，美国外交家Henry R．Labouisse，在1965年代表联合国儿童基金会(UNICEF)获得了诺贝尔和平奖。
1915年，享利•布拉格（William Henry Bragg）和劳伦斯•布拉格(William Lawrence Bragg)父子因为利用X射线对晶体结构做出了突出贡献，分享了诺贝尔物理奖金。劳伦斯得奖时年仅25岁，是有史以来最年轻的诺贝尔物理奖得主。
我们大名鼎鼎的尼尔斯•玻尔获得了1922年的诺贝尔物理奖。他的第四个儿子，埃格•玻尔( Aage Bohr)于1975年在同样的领域获奖。尼尔斯•玻尔的父亲也是一位著名的生理学家，任教于哥本哈根大学，曾被两次提名为诺贝尔医学和生理学奖得主，可惜没有成功。
卡尔•塞班（Karl Siegbahn）和凯•塞班(Kai Siegbahn)父子分别于1924和1981年获得诺贝尔物理奖。
[楼主]  [72楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/13 14:23 
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四、波粒两象性与物质波
电子是个波？这是什么意思？不要忘记我们的波动和微粒两支军队，它们一直在苦苦对抗，僵持不下。1923年，德布罗意在求出他的相波之前，正好是康普顿用光子说解释了康普顿效应，从而带领微粒大举反攻后不久。倒霉的微粒不得不因此放弃了全面进攻，因为它们突然发现，在电子这个大后方，居然出现了波动的奸细！这真叫做后院起火了。
“电子居然是个波！”这个爆炸性新闻很快就传遍了波动和微粒双方各自的阵营。刚刚还在康普顿战役中焦头烂额的波动一方这下扬眉吐气，终于可以狠狠地嘲笑一下死对头微粒。《波动日报》发表社论，宣称自己取得了决定性的胜利。它的首版套红标题气势磅礴： “微粒的反叛势力终将遭遇到他们应有的可耻结局——电子的下场就是明证。”光子的反击，在波动的眼中突然变得不值一提了，连电子这个老大哥都能搞定，还怕你小小的光子？波动的领导人甚至在各地发表了极具煽动性的演讲，不单再次声称自己在电磁领域拥有绝对的合法主权，更进一步要求统治原子和电子，乃至整个物理学。“既然德布罗意已经证明了，所有的物质其实都是物质波（即相波），微粒伪政权又有什么资格盘踞在不属于它的土地上？一切所谓的‘粒子’，都只是波的假象，而微粒学说只有一个归宿——历史的垃圾桶！”
不过这次，波动的乐观态度未免太一厢情愿，它高兴得过早了。微粒方面的宣传舆论工具也没闲着，《微粒新闻》的记者采访了德布罗意，结果德布罗意说，当今的辐射物理被分成粒子和波两种观点，这两种观点应当以某种方式统一，而不是始终地尖锐对立——这不利于理论的发展前景。他甚至以一种和事佬的恣态提到，自己和哥哥从来都把X射线看成一种粒子与波的混合体。对于微粒来说，讲和的提议自然是无法接受的，但至少能让它松一口气的是，德布罗意没有明确地偏向波动一方，这就给它的反击留下了余地。“啊哈，”微粒的将军们嘲弄地反唇相讥道，“看哪，波动在光的问题上败得狼狈不堪，现在狗急跳墙，开始胡话连篇了。电子是个波？多可笑的论调！难道宇宙万物不都是由原子核和电子所组成的吗？这么说来，桌子也是波，椅子也是波，地球也是波，你和我都是波？啊，我的上帝，可怜的波动到底知不知道它自己在说些什么？”
“德布罗意事变”将第三次波粒战争推向了一个高潮。电子，乃至整个物质世界现在也被拉进有关光本性的这场战争，这使得战争全面地被升级。事实上，波动这次对电子的攻击只有更加激发了粒子们的同仇敌忾之心。现在，光子、电子、α粒子、还有更多的基本粒子，他们都决定联合起来，为了“大粒子王国”的神圣保卫战而并肩奋斗。这场波粒战争，已经远远超出了光的范围，整个物理体系如今都陷于这个争论中，从而形成了一次名副其实的世界大战。现在的问题，已经不再仅仅是光到底是粒子还是波，现在的问题，是电子到底是粒子还是波，你和我到底是粒子还是波，这整个物质世界到底是粒子还是波。
波动和微粒，这两个对手的恩怨纠缠，在整整三个世纪中犬牙交错，宿命般地铺展开来，终于演变为一场决定物理学命运的大决战。
【阅读与欣赏20】
深钻型和采掘型与诺贝尔奖
恩斯特把科学家分为两类，深钻型( drilling type)和采掘型(digging type)。深钻型，整个科学生涯中都在追求同一个课题，或许做出也或许没做出重要的发现。采掘型，不断地更换课题，在幸运情况下，做出了一个或者几个重要的发现。其中的不同，不完全是研究策略的不同，还有当事人个性的不同。 使用恩斯特的术语，普鲁西纳是深钻型的，而韦斯曼是采掘型的。普鲁西纳的全部事业都以朊粒课题为基础。他引入了朊粒这个名字，如果这不是他最大的冒险的话，也是他最大的冒险之一。这使他早期就把自己押宝在唯朊粒的假说上面。而另一方面，这个假说则永远与他有了关联。
问题来了，深钻型和采掘型哪一种更有可能赢得诺贝尔奖呢？两者都有可能。就像奖项本身那样，至少理论上来说，由于一个发现比一生的表现更重要，深钻型在某个特定的领域可能更有机会做出突破性的事情。另一方面，把所有的鸡蛋都放在一个篮子里，风险会更大。采掘型从一个领域移向另一个领域增加了做出发现的可能性。偶然地，即使缺乏特别惊人的发现，某人也可能因为众多的发现而获奖。克卢格就是采掘型的一个例子，他1982年的诺贝尔化学奖是“因其发展了晶体电子显微术，测定生物学上重要的核酸一蛋白质复合体的结构”。这与对佩鲁茨和肯德鲁1962年获奖的更加明确的颁奖辞形成鲜明的对比：“因为他们研究球状蛋白质的结构”，而且颁奖辞中分得很清楚，肌红蛋白是肯德鲁研究的，血红蛋白是佩鲁茨研究的。佩鲁茨是深钻型的典范。在某人的建议下，1936年他选择了研究血红蛋白结构的问题，并且在整个研究生涯都钻研这个问题，在他年90岁的时候还不停歇。甚至佩鲁茨于1962年参加斯德哥尔摩的诺贝尔奖庆典时，实验室中还收集了更多更好的x射线 数据，其研究计划还都是为改善测定血红蛋白的结构而设计的。
大多数诺贝尔奖得主都在他们的后半生才获得诺贝尔奖，尽管他们的发现通常是——虽然不总是——在年轻时期做出的。一个罕见的例外是威廉•亨利•布拉格(William Henry Bragg，1915年物理学奖得主)，他相当晚的时候才开始从事研究。在剑桥就读以后，他在澳大利亚的阿德莱德获得了一个数学和物理学的教职。他在42岁的时候才开始做研究，他的研究是在一次为准备关于气体电离作用的讲座期间开始的，并且把研究结果写信告诉了卢瑟福(1908年化学奖得主)。5年后，他当选为皇家学会会员，并且在利兹大学得到一个物理学的教职。他的儿子在剑桥学习，1912年从父亲那里了解到一个激动人心的消息：在慕尼黑完成了对晶体的x射线衍射实验。于是这位年轻的研究生跟后来者(the latecomer)父亲开始了x射线晶体学的研究。
普朗克(Max Planck，1918年物理学奖得主)搞出量子理论，可能是20世纪物理学最具有革命性的理论，那是1900年，他42岁。他此前的活动并没有表明他有一天可能做出这么大的突破。这个理论一开始并没有很快地传播开来，直到1919年他才因为这个理论被授予1918年的诺贝尔奖。
佩德森(1987年化学奖得主)从来没做过博士研究，但是在特拉华州威尔明顿的杜邦公司作为副研究员展开了一番成功的科研生涯。当他着手开始研究为他赢得1987年诺贝尔化学奖的课题的时候，他57岁。在几次偶然的实验中，他制出一些有机分子，从而为用无机盐合成络合物做好了准备。顺便提一句，还有其他少数诺贝尔奖得主也没有士学位，例如埃利昂（1988年生理学医学奖得主）和布莱克（1988年生理学医学奖得主）。这一点烦恼了埃利昂一生，但是布莱克显然并不在意。
在对1948年诺贝尔物理学奖的提名中，J•D•贝尔纳为了说明布莱克特(P．M．S．Blackett)的成就，附了一份很长的详细说明。尽管他清楚这样一个事实，即，个人品性与获奖并不那么紧密相关，他还是指出他敬仰和尊敬布莱克特的科学能力，并且称他为继卢瑟福之后的剑桥卡文迪什实验室的一位杰出人物。根据贝尔纳的说法，在活着的实验物理学家当中，布莱克特是最伟大的之一，尽管他没有幸运地做出什么引人注目的发现。这有冒双重危险的可能，因为伟大并非诺贝尔奖考虑的东西，相反，伟大的发现才是。贝尔纳补充说，他的被提名者的性格和能力可与过去那些获奖的了不起的人同辉。贝尔纳的这种说法也是有缺陷的，但是显然贝尔纳对情况知道得更清楚，因为布莱克特最终的确获得了1948年的诺贝尔物理学奖。
1947年，尤里（Harold Urey，1934年化学奖得主）准备了一份详细的对可能获得诺贝尔奖的化学科学领域的分析。他提出一个问题，即他再次获得诺贝尔奖是否可取，并且对原子弹的研究工作进行了回顾，提到了费米(E. Fermi)、齐拉(Szilard)和哈恩。在这三个人当中，哈恩和费米都得过诺贝尔奖了，尽管费米得奖是因为其他工作。在关于原子弹的工作上，是他，而不是别人，推动关于链式反应的研究而得出了成功的结论，尽管最初是齐拉萌生这个想法并且申请了专利。尤里认为，一般地看，抛开他自己不谈，给一个人颁发两次诺贝尔奖，不是一个好主意，但是这一点对费米应该例外。二线的工作应该得到诺贝尔奖的考虑，根据尤里的说法，钚的发现和分离应该获奖。对于这项工作，他提议西格（1951年化奖得主）和约瑟夫•肯尼迪(Joseph Kennedy)获奖，并且指出与西博格相比，肯尼迪的工作所得到的公众关注少得多了。另一奖项可能应该颁发给分离铀同位素的工作，但是尤里对此提出警告，指出原子弹课题的某些部分与其他部分相比，已经获得了太多的强调，他建议等两年再考虑这些工作是否该获奖。在1947年4月接连的两封信中，“对于从原子弹课题中可能涌现出的获得诺贝尔奖的工作，尤里都提出了下面强有力的两个观点。一点是不应该对仍在保密的工作颁奖。另一点是与原子能相关的工作应该在其和平应用兴起的时候再授奖，这才与诺贝尔的《遗嘱》一致。那时，哈恩（1944年化学奖得主）已经因核裂变的研究获诺贝尔奖了。该奖项于1945年11月宣布，仅仅在广岛和长崎投放原子弹几个月之后。 哈恩得知他获奖消息的时候，正与其他几个著名的德国科学家——“希特勒铀俱乐部”的成员——一起被关押在英格兰。
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五、海森堡与他的矩阵力学
维纳•卡尔•海森堡著名的德国理论物理学家，是量子论的创始人之一。他于1901年12月5日出生在德国维尔茨堡的一个高级知识分子家庭。当时，他的父亲是一名已获得大学讲师资格的中学教师和希腊语博士，并且还是德国研究拜占庭（即中世纪和现代希腊语研究）语言学唯一的教授。他的母亲是一位娴静好客、热情大方、温顺体贴并且受过一定教育的普通女性。父亲对事业的执著追求、对教育子女的强烈责任感和当时德国社会赋予男性的权威统治地位，决定了他对海森堡的成长提出了严格的要求和较高的标准。父亲在事业上的造诣和威严，母亲在生活上的关怀和诱导，使海森堡从小生活在一种具有较高学术修养和文化层次的家庭氛围之中。在当时的德国，知识分子属于社会的上层阶级，优越的社会地位、高素养的家族熏陶为海森堡今后的成长，不论是在经济和教育方面，还是在兴趣的培养方面以及自我修养的追求中，都提供了有利因素和成功的契机。
海森堡的科学生涯始终荡漾在原子以内的微观世界里。他一生经历了两次世界大战，两次面对了德国的惨败局面。他26岁就成为德国当时最年轻的理论物理学教授，并充满活力地领导了莱比锡理论物理研究所。他30岁获得了诺贝尔物理学奖，并成为因理论物理学的杰山贡献而荣获此项大奖的首批理论物理学家之一。他一生追求整体和谐的理想境界，追求真、善、美的人生哲理。
他拥有令人难以置信的科学才华，是一位深刻的思想家。海森堡的生活与工作始终是以理论物理学的研究为轴线而展开的。少年时代，他对数学及古典音乐和哲学的兴趣为日后开阔物理学研究视野打下了坚实的基础。青年时代，他主要穿梭或跨越在两个截然不同的世界里：其一，他喜欢自然，追求刺激和冒险活动的快乐世界与音乐作品中描写的轻松自如的浪漫空间；其二，他喜欢富有挑战性的抽象而深奥的量子世界。一边是精神放松的自由世界，另一边是智力探索的理性世界。海森堡始终在这两种世界中体味着某种平衡和互补，这也是他一生的生活格调。以海森堡摘取1932年诺贝尔物理学奖的桂冠为标志，德国社会进入了恐怖的纳粹统治的第三帝国时期。战争年代，海森堡的生活和工作陷入了科学、政治与道德相冲突的两难境地，结束了过去单纯的科学研究生活，承受着社会的道德重担。
海森堡不仅是一位著名的理论物理学家，而且还是一位哲人和科学家。虽然他不是为了专门阐述哲学思想来研究物理学，而是为了更好地表达物理思想，为了在更广泛的范围内宣传和阐明量子论的哥本哈根精神，但是他也必须对一些基本概念和哲学范畴进行重新理解。早在20世纪30年代，海森堡的哲学见解就曾引起维也纳学派的高度重视。逻辑实证主义的主要代表人物之一石里克就曾经吸取了海森堡的操作分析定义概念的新思路，试图为建立在经验基础之上的理论构造一个逻辑一致的哲学模型。他是从经验出发来改造传统哲学的思辨风范，以能否对应于一组经验陈述作为判别理论命题的基本标准，从而为本世纪40年代逻辑实证主义的兴起奠定了基础。
到了晚年，海森堡对物理学之外的一般哲学问题产生了浓厚的兴趣，对自笛卡儿以来哲学观念的发展和量子论的新形势进行了比较和研究，从语言的视角对现代物理学中的因果性和实在性等概念发表了独到的见解，从而启迪了一代哲学家的思维方式的转变，深化了某些哲学问题的讨论。海森堡在经历了第二次世界大战之后，以亲身体验对科学家的责任、科学家自然观的变化以及现代物理学与社会发展之间的内在关系等问题进行了系统的思考，并提出了许多颇有启发性和有价值的独特见解。
海森堡最重要的科学贡献是创建了原子核的构成理论，提出了测不准关系和粒子反应的S-矩阵理论。其中，量子力学中的测不准关系被誉为是物理学中最直截了当地影响人类的宇宙观，甚至影响到人类掌握自己命运的能力的看法。量子理论的完善创造了谈论原子世界的专门语言，带来了物理学史上的第三次重大技术革命，使人类文明的进程迈入电子技术和信息的时代。同时，以量子论的理论思想和方法体系为基础，促进了一系列学科群的进一步发展，使传统的物理学、化学、生物学等学科界限在量子的水平上消失了。
鉴于量子论的这种重要地位，在20世纪20年代末和30年代初，学术界渴求理解和掌握量子论的基本原理的热情出现了前所未有的高涨局面。与此同时，一方面曾经为创立量子论作出主要贡献的三个研究中心即德国的慕尼黑大学、哥廷根大学和丹麦的哥本哈根大学成为各国物理学研究者一心向往的研究中心。海森堡在那里学习、工作过，受到了多位名师的悉心指导，他后来曾说：“在索末菲那里学了物理，玻恩那里学了数学，玻尔那里学了哲学。”1920年他考入慕尼黑大学，师从索末菲攻读理论物理学，第一学期就在解释反常塞曼效应时首先引入了半量子数，第二学期结合听《液体力学》课程，写出了有关涡流的论文，深得其师赏识。另一方面，量子论的主要缔造者们而拥有了赴世界各所著名入学参加应邀学术演讲的良机。作为始终参与并创造了量子论思想体系的海森堡，很快成为世界物理学界的知名人士，并成为在广泛范围内普及和宣传哥本哈根量子论思想的一位名师。正是在这种国际背景之下，海森堡于1929年3月应邀在美国、日本经中国到印度进行了长达八个月的演讲旅行。这一次的演讲机会使他有时间重新审定和总结量子论的基本原理，为矩阵力学形式的量子力学的完成奠定了基础。
海森堡1925年7月创建矩阵力学，1927年提出测不准关系。1927年任莱比锡大学理论物理学教授，1941年任柏林大学物理学教授和威廉皇家物理研究所所长。他因创立量子力学而荣获1932年诺贝尔物理学奖。1976年2月1日他在慕尼黑的家中逝世。
海森堡原是索末菲的学生。1922年6月格丁根大学的玻恩等邀请玻尔作系列演讲，索末菲应邀参加，海森堡亦随同前往。在一次演讲后的讨论中，年方21岁的他勇敢地站起来对玻尔的观点提出质询，并与之进行辩论。此时玻尔表现出了一代宗师的博大胸怀，并未因年轻人的直言而感不快，相反还约海森堡当日下午一同散步，以便继续讨论，这次散步中的长谈对海森堡的启发很大，他认为这是他科学上成长的起点。玻尔对这位年轻的学者印象深刻，邀请他和泡利在适当的时候到哥本哈根去作研究。1922年海森堡就去了，开始了他们之间的长期合作。1924年海森堡又到哥本哈根跟玻尔和克拉末斯合作研究光的色散理论。1922-1926年他跟随玻恩和玻尔学习和工作，1923年考取慕尼黑大学的博士学位，不幸的是他考得很不理想，勉强以及格成绩通过，但玻恩非常赏识海森堡的才华，没有采取一次考试定终身、以分取人的做法，仍然留用他作为自己的助手。
在矩阵力学的建立中海森堡于1925年首先取得突破性成果，后来由海森堡、玻恩和约尔丹共同完成。
在研究中，海森堡认识到，不仅描写电子运动的偶极振幅的傅里叶分量的绝对值平方决定相应辐射的强度，而且振幅本身的位相也是有观察意义的。海森堡由这里出发，假设电子运动的偶极和多极电矩辐射的经典公式在量子理论中仍然有效。然后运用玻尔的对应原理，用定态能量差决定的跃迁频率来改写经典理论中电矩的傅里叶展开式。谱线频率和谱线强度的振幅都是可观察量。这样，海森堡就不再需要电子轨道等经典概念，代之以频率和振幅的
二维数集。矩阵力学可以认为是玻尔原子理论的自然发展，海森堡对此进行了细致的分析，他认为，理论必须建立在实验中可观察量的基础上，“量子论用来计算像氢原子的能量这类可观察量的成形规则，从那种把电子的位置和运行周期这类原则上显然是不可观察的量之间的关系作为基本元素的理论基础看来，应受到严厉的批判”。他“相信应该不考虑原子里有电子轨道的问题，而应该只用和谱线强度相联系的频率和振幅来处理，作为轨道的十全十美的代替。这两种量人们能直接观测，正合乎拉坡特所说：“试图解开原子之谜，物理学家必须只考虑可观测的数量”。他同时认为，玻尔的对应原理——经典物理学规律和量子物理学规律间存在一种有启发价值的形式类比，是一条重要的指导原则，但并不是用对应原理去猜测特定量子理论问题的解，而是用它来求得新理论的数学表述体系，“力图创立一种与经典力学形式体系尽可能密切对应的量子力学形式体系”。
1925年7月海森堡写出了《关于运动学和力学关系的量子论新释》，在文中他按照经典力学中用振幅和频率表示坐标的方法，把力学量作傅里叶展开，然后根据对应原理把经典频率转译为量子频率，这样就实现了他的研究目标：由可观察的谱线频率和振幅的二维数集来代替经典的电子轨道，因而奠定了矩阵力学的基础。
海森堡的上述工作是在1925年5月底因枯草热病到北海的赫尔兰岛疗养时完成的，开始他对自己的工作也没有把握，他把文稿提交给玻恩，请他决定有无发表的价值和进一步修改的可能。此时的海森堡虽然有了新思想，找到了新方法，但还未掌握相应的数学工具，因而无法推进他的理论。说来令人惊讶，矩阵力学的创立者当初竞不知矩阵为何物，甚至还在为自己提出的不对易的乘法规则而坐卧不宁。他坦率地承认：“xy不等于yx这一事实，当时对我来说是很讨厌的。我认为在整个方案中这是惟一的困难，否则我将非常快活。”玻恩开始也难以理解海森堡的乘法规则，经过几天的冥思苦想，他想起这正是大学时学过的矩阵的乘法运算规则，从而认出海森堡的数集就是矩阵元。他认识到了海森堡论文的重要性，立即推荐到《物理纪事》予以发表。当时海森堡已到英国剑桥访问去了，玻恩即刻着手运用矩阵方法为海森堡的理论建立严密的数学基础。一次偶然的机会，玻恩遇见了年轻的数学家约尔丹，请求合作。约尔丹正是这方面的内行，欣然应允。1925年9月，两人联名发表了《论量子力学》一文，给矩阵力学以严格的数学表述，不仅把坐标q用矩阵表示，而且进一步把动量p也用矩阵表示，从量子化条件出发，运用对应原理，得出了p和q的对易关系。接着他们又与海森堡合作，在年底以三人的名义发表了《关于量子力学Ⅱ》，把以前的结果推广到多自由度和有简并的情况，系统地论述了本征值问题、定态微扰和含时间的定态微扰，导出了动量和角动量守恒定律，以及强度公式和选择定则，还讨论了塞曼效应等问题，从而奠定了量子力学的基础。全面阐述了矩阵力学的原理与方法，宣告新的量子力学诞生了。
不言而喻，矩阵力学中的矩阵是以可观察的谱线频率和振幅的二维数集来代替经典的电子轨道，海森堡的数集就是矩阵元。这个矩阵元是离散的，不连续的，所以它是有利于粒子说而不利于波动说。
【阅读与欣赏21】
诺贝尔奖获得者发现时的心情
发现是一种独特的体验，又如此充满诱惑，所以科学家们通常都有立刻分享发现时快乐的冲动。当然，突破并不常常在某个可预知的时刻到来，但还是有可能确定的。科学史上最非凡时刻之一是，巴斯德第一次观察到同种物质的两种小的晶体，它们是彼此的镜像。他从实验室冲到大厅，拥抱他遇到的第一个人，解释说：“我刚才做出一个伟大的发现……我太高兴了，我浑身发抖，不能把眼睛固定在分光计上。”“当巴斯德向老毕奥(Jean Baptiste Biot)-旋光性的发现者——演示他的实验时，毕奥说，“我亲爱的孩子，我整个一生都那么热爱科学，而你的发现动人心魄。”
穆利斯第一次做出他的聚合酶链反应工作是在1983年12月16日的晚上，在塞特斯公司，他记得当时的情况是这样的：我很高兴，而实验室里没有其他的人。只有他专利律师阿吕安(AI Halluein)]在旁边，我必须告诉别人我做出了该项发现，那就是告诉他。阿吕安是个南方人，他是我的一个朋友，他立刻意识到这将成为他申请专利中所遇到的最有意思的东西。”
在确定光合作用反应中心结构的过程中，戴森霍弗（1988年化学奖得主）在他的电脑屏幕上构建模型。随着模型的浮现，他经历了整个课题中最激动人心的时刻。当他注意到在巨大的体系中完全的对称性的时候，巅峰来到了。那时他正坐在一间黑屋子里，操作机器。在做出发现的那一刻他的第一反应是点燃一支香烟，尽管在此之前他已经戒烟一段时间了。他只能做类似抽烟这样的事情才能宣泄他的激动。事实证明这是个糟糕的举动，因为后来他就很难再戒烟了。他的第二个举动是给他的合作研究者米歇尔（1988年化学奖得主）打电话，并且告诉了他整件事。戴森霍弗说，有一个像他这样的同事真好，他会在许多方面弥补我专业技术上的不足，在这项工作中，我们可以给对方许多教益。这是一种完全信任的关系。一般合作成功的故事为人所知以知以后，总是有人试图宣布自己拥有所有的荣誉。在我们之间没有发生这种情况，我非常高兴，没有发生这种情况，因为它会毁了一切
圣捷尔吉在他的肌肉研究中，做出了一个新发现，在肌动蛋白和肌球蛋白的复合物中抽取的纤维加入ATP时会引起收缩，就像肌纤维那样。那时他已经是诺贝尔奖得主了，却还是在他新发现的领域中保持着刚开始时的巨大兴趣：“第一次看到它们收缩，重新再现生命最古老的微小象征之一——运动，这或许是我一生中最激动人心的时刻。”
当克罗托（1996年化学奖得主）和他的同事们制出了HC7N分子，并且记录下了它的光谱后，克罗托1977年去了在阿尔贡金帕克的加拿大天文台，试图在星际空间探测到它。多年以后，甚至在富勒烯发现之后，他仍然认为当HC7N从空间出现在屏幕上的时候是他一生中最激动和最畅快的时刻。
沉默寡言的狄拉克（1933年物理学奖得主）是个例外。一次费恩曼（1965年物理学奖得主）问他，当他建狄拉克方程时有什么感觉。狄拉克的回答是，“妙。”就结束了谈话。
双料的诺贝尔物理学奖得主巴丁（1956年、1972年物理学奖得主）是个非常安静谦和的人。他们在贝尔实验室发现晶体管的那天，他晚上回家告诉妻子，“我们今天发现了些东西。”刚刚做出第二次获奖发现的时候，一位同事记得在伊利诺伊大学物理教学楼的门厅里遇到巴丁。那位同事 感到巴丁要说什么，但是过了一段时间他才说：“喏，我想我们解释了超导性。”
桑格将科学中的成功归因于对该工作感兴趣。“研究让你感兴趣的东西。大多数满足来自于探索的乐趣，做其他人以前没有做过的事情。对我来说这比获奖更令人兴奋，虽然得奖也很好，而且有助于一个人的事业。”这里，还有盖达塞克（1976年生理学医学奖得主）艺术化的描述：“我常常在科学中玩耍。我从不认为那是工作。我对科学不认真，我觉得那是一个玩笑。”塞格雷（1959年物理学奖得主）将斯德哥尔摩之行与做出发现进行了对比：“获奖很好，但是做出发现太令人激动了。”
对尼伦伯格(1968年生理学医学奖得主)来说，破解遗传密码是一次很大的体验。他问了自己一个问题，细菌的遗传密码和大象以及哺乳动物的是一样的吗？他们准备了转移RNA，并且做了所有的实验，发现密码是相同的。密码根本上是普遍通用的。尼伦伯格非常熟悉并且理解进化论和达尔文，但他们研究的是不同层次的问题。他发现向窗外望去，看见树和松鼠，并且知道这些生物的遗传密码是一样的，或者本质上是一样的，就像自身的遗传密码一样，这是一种非常有力的哲学概念。认识到宇宙的这种统一性对他产生了深刻的影响，这种影响在他的整个生涯中都没有衰退。
[楼主]  [74楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/13 20:04 
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六、薛定谔的波函数
在海森堡等人创建矩阵力学的同时，薛定谔正沿着另一条途径为创立波动力学而孤军奋斗。奥地利理论物理学家薛定谔1887年8月12日出生于维也纳，其父是一油布工厂主，生意相当不错。但他更加爱好自然科学，发表过一系列植物学论文，是薛定谔童年时的“朋友、老师以及不倦的谈话伴侣”。薛定谔11岁时入大学预科学习，他兴趣广泛，喜欢数学和物理，也欣赏逻辑严谨的古代语言和优美的德国诗歌，但不太喜欢作为当时主课的拉丁语和希腊语，讨厌死记那些历史史实和年代。1906-1910年他在维也纳大学物理系学习，在此期间曾深入研究过连续介质物理学中的本征值问题，这对他以后创立波动力学有重大影响。他于1901年获博士学位，次年在该大学第二物理研究所工作。第一次世界大战期间，他服役于一个炮兵要塞，经常抽时间研究理论物理学。1920年他移居耶拿，担任维恩实验室的助手。1921年他受聘为苏黎世大学的数学物理学教授，这是爱因斯坦和冯•劳厄曾经担任过的职务，波动力学就是在这一期间创建的。1927年他接替普朗克，任柏林大学理论物理学教授，与普朗克建立了深厚的友谊。
1933年11月薛定谔出于对纳粹政权迫害杰出科学家的倒行逆施的愤慨，移居英国牛津，同年与狄拉克分享了诺贝尔物理学奖。
1936年思乡之情使他回到奥地利的格拉茨，不到两年，奥地利被德国吞并，他又陷入困境。1939年他流亡到爱尔兰，在都柏林高级研究院从事理论物理学研究，在此期间他还进行了科学哲学和生物物理学的研究，发表了《生命是什么》一书，试图用量子力学等来解释生命的本性，引进了遗传密码等概念，成为生物物理学的先驱。1956年他回到奥地利，被聘为维也纳大学的理论物理学教授，奥地利政府给了他以极大的荣誉，设立了以他的名字命名的国家奖金，并把第一次奖金授予他本人。1961年1月4日他在阿尔卑巴赫山村病逝。
薛定谔学术成就中的代表作，主要是波动力学论文集。此外还有量子力学的物理解释、广义相对论、时空结构、统计热力学、几率理论、统一场沦、介子场和非线性电动力学等150多篇论文。
薛定谔的波动力学是在德布罗意理论的基础上建立起来的，他过去一直致力于统计力学方面的研究，他注意到了爱因斯坦1925年2月发表的《单原子理想气体的量子理论（二）》，爱因斯坦在文中以称赞的口吻提到了德布罗意的工作，这使薛定谔受到很大影响，他在1926年4月23日致爱因斯坦的信中写道：“假如不是因为你的气体简并论文的第二篇文章把德布罗意思想置于我的面前，如果单靠我个人，很难想象波动力学会建立起来，甚至有可能永远出不来。”1925年“怀着极大的兴趣拜读了德布罗意的独创性论文，并且终于掌握了它”。当时德拜主持了一个由苏黎世大学和苏黎世理工学院人员参加的定期学术讨论会，薛定谔被指定报告德布罗意的工作，他作了清晰又漂亮的说明。在他报告之后，德拜评论道：讨论波动而没有一个波动方程，太幼稚了。薛定谔受到触动，下定决心要找到它。
薛定谔尝试把德布罗意关于自由粒子的波推广到束缚粒子的情况，导出了一个满足相对论要求的波动方程，他把它应用到氢原子中的电子上，发现与实验结果不吻合，这使他极为失望地放弃了它。现在知道这个方程基本上是正确的，只是没有考虑电子的自旋，而电子自旋的概念当时才刚刚提出，薛定谔还不知晓。经过短暂的中断，他重新回到这个问题的研究上，略去了相对论效应，终于得出正确的结果。
1926年薛定谔连续发表了总题为《量子化是本征值问题》的4篇论文。其第一篇，旨在以一种自然的方式建立起处理原子物理现象的基本方程——薛定谔波动方程，并求解氢原子的相应方程，从而得出分立的玻尔能级。也就是说，这种“自然的方式”有着双重的任务，即以易于为物理学家们所接受的形式建立起量子力学中的基本方程和无须像玻尔量子论中那样，把量子化条件或“整数”概念作为特设性假设专门引入，而是由方程边界条件的限定，从方程的求解中自然得出。对于其中的第一项，薛定谔是从经典力学中最基本的哈密顿一雅可比原理出发，通过函数代换并运用变分原理而得出的；而第二项任务则由代换后的函数ψ在整个坐标空间对于所说的二次形式的积分是稳态的，即ψ是由处处实在的、单值的、有限的、二阶连续可导的这边界条件所实现。在极坐标中运用分离变数法求解氢原子的薛定谔方程并代入边界条件，可以得出：当E>O时，方程处处有单值有限的连续解，即能量有连续谱；当E<O时，仅满足整数条件的能量才有解，即能量满足分立谱，其数值与玻尔能级相符。由此，薛定谔认为“它揭示出了真正本质性的东西”。在我看来，真正本质性的东西在于“整数”假设无须再神秘地进入量子规则，而通过进一步回溯问题，从而发现“整数性”植根于某个空间函数的有限性和单值性。
尽管在这篇论文中采用的物理学家们所熟悉的数学形式在求解氢原子能级时也获得了成功，但沿用哈密顿一雅可比原理只是一种中性的形式，不足以说明为什么要建立波动方程，其物理意义也不清楚。因此，第二篇论文中，薛定谔采用哈密顿光学-力学相似来推导其波动方程，以更符合物理学家的直觉并突出这种波动方式的物理意义。正如薛定谔在本书卷首的“摘要”中开宗明义地说，“哈密顿力学与光学的相似是对于几何光学的相似，因为对应于位形空间中的表征点的路径的光线，只有在几何光学中才有严格的定义。一旦路径的尺度比之于波长并不很大时，光学图像的波动修正就导致了对系统路径概念的放弃。路径概念仅当它比之于波长很大时才得以保留，此时的经典力学是作为一种近似；而对‘微观力学’运动而言，力学基本方程的无用就如同几何光学用于处理衍射问题时一样。类似于后一种情形，一个位形空间的波动方程必须取代力学基本方程。首先，这一方程表述为关于时间的纯正弦周期振动，它也可以由‘哈密顿变分原理’推导得出。它包含一个对应于宏观力学中能量的‘本征值参量’E，对单个时间正弦振动而言，它等于频率乘以普朗克作用量子h。一般而言，波动或振动方程辅之以它们的一阶导数在整个位形空间是单值、有限和连续的条件是无解的，除了某些特定的E值之外，这些值即‘本征值’。这些值构成了‘本征值谱’，经常既包括连续部分，也包括分立部分。它们或者等同于已为量子理论所说明的‘能级’，或者以一种为实验证实的方式不同于已有的量子理论。”正是在这种理论背景下，薛定谔用处理空间中的波动系统的方法应对微观力学系统，求出其波速并代人一般的波动方程同样得出了薛定谔方程，并进而代人不同的能量形式求解出线性谐振子、定轴和自由转动、双原子分子等特例的波动方程。
第三篇论文，薛定谔把他的新理论推广到“直接可解”问题之外的适用性和对相近条件可获得的近似解，讨论的是一类计算更为复杂但在原子物理学中相当普遍的现象，即求解定态微扰情形中波动方程的解及其本征值。在本篇论文中，他借助立足于本征值和本征函数所拥有的连续性性质的微扰方法，详细说明了与时间无关的微扰理论，尤其是对在简并情况中微扰使能级分裂、简并部分并消除的斯塔克效应的说明，其计算方法与现今量子力学教科书已几乎一致。许多年以后，薛定谔称斯塔效应的计算为“波动力学最早的定量成就”。
第四篇论文，薛定谔首先把前面讨论的方程从保守系推广到非保守系，导出了他所谓的“真正的波动方程”，即与时间有关的薛定谔方程。它描写的是在包含了时间的势场V中，粒子状态随时间的变化。然后，他把微扰理论推广到明显含时的微扰以说明色散现象。在本篇的最后，薛定谔致力于波函数的物理解释。他把波函数理解为描述了实在的物理过程即其电动力学解释，得出电流密度J的公式。并得到熟悉的连续方程。
在这四篇系列论文中，薛定谔还发表了两篇有关波动力学的文章，即《从微观物理学到宏观物理学的连续转换》，尝试用一群本征振动代表一个粒子作为其波动力学的物理图像。而在《论海森伯、玻恩和约当的量子力学与薛定谔的量子力学之间的关系》中，他通过算符表示法和用本征函数构造矩阵元的办法，从数学上证明了波动力学与矩阵力学的形式等价，海森堡的矩阵可以由薛定谔本征函数构成，反之亦然。另外，还讨论了康普顿效应、能量一动量定理和能量转换等问题。
1933年，诺贝尔奖委员会在将物理学奖颁给薛定谔时的理由是“由于新型原子理论的发现和应用”，而这个新型理论指的正是他的波动力学。在波动力学问世以前，关于原子力学的研究正处于一个困难的时期。1913年，玻尔提出的原子结构理论借助于量子化轨道和稳态假设解释了部分观察现象，但缺乏概念自治，因而它仅适用于氢原子能级等少数实验现象。1925年，海森伯、玻恩和约尔丹等人从原则上可观测量出发，为寻求其之间关系的一般表式而提出的矩阵力学在求解非谐振子情形中得出了正确的频率和转换几率，但也面临着缺乏明确的物理图像、数学计算复杂、适用情形有限等困难。正是在此时，薛定谔在德布罗意的物质波概念的启发下，借助于光学-力学相似，把经典力学处理原子现象时遇到的困难理解为对几何光学面对波动现象时的类似，进而建立起波动方程，把核外轨道电子或分立的能级解为波动方程的本征值，由此求解了多种原子物理学现象。波动力学方法由于物理图像清晰，所用数学形式为人们所熟悉，推导自然并能普遍说明多种现象而受到了广泛的好评和观迎。普朗克称自己以“充满兴趣和振奋的心情沉浸在对这篇具有划时代意义著作的研究中”，“为展现在面前的美而高兴”，认为“薛定谔方程奠定了近代量子力学的基础，就像牛顿、拉格斯朗日和哈密顿创立的方程在经典力学中所起的作用一样”。爱因斯坦说：“我相信您关于量子条件的公式取得了决定性的进展”。而作为薛定谔的老朋友，同样是诺贝尔物理学奖获得者的玻恩在悼念薛定谔时说：“由于量子世界中大量物理问题都要用到量子力学基本方程和波函数描述，他的名字是物理学出版物中出现得最多的。我们中谁没有把薛定谔方程或薛定谔函数写过无数次呢？大概以后几代人也将这么做，并清晰地记住他的名字。”的确，时至今日，我们的量子力学教材中对于一些量子力学问题的解决方案，与薛定谔在这几篇论文中所用方法仍然是大同小异。由此，量子力学史家和量子力学哲学家雅默评论说：“薛定谔的光辉论文无疑是科学史上最有影响的贡献之一。它深化了我们对原子物理现象的理解，成为用数学求解原子物理、固体物理及某种程度上核物理问题的便利基础，最终打开了新的思路。事实上，非相对论性量子力学以后的发展在很大程度上仅仅是薛定谔工作上的加工和运用。”
不言而喻，波动力学中的波函数是采用哈密顿光学-力学相似性而推导出来波动方程。它在数学上是德布罗意波的补充。这个波函数的的确确是波动的和连续的，它既有数学上的简单，又有物理图象的明确。所以它是有利于波动说而不利于粒子说的。
【阅读与欣赏22】
薛定谔的女朋友 曹天元
2001年11月，剧作家马休• 韦尔斯的新作《薛定谔的女朋友》在旧金山著名的Fort Mason Center首演。这出喜剧以1926年薛定谔在阿罗萨那位神秘女友的陪伴下创立波动力学这一历史为背景，探讨了爱情、性，还有量子物理的关系，受到了评论家的普遍好评。2003年初，这个剧本搬到东岸演出，同样受到欢迎。近年来形成了一股以科学人物和科学史为题材的话剧创作风气，除了这出《薛定谔的女朋友》之外，恐怕更有名的就是那个东尼奖得主，米高•弗雷恩的《哥本哈根》了。
不过，要数清薛定谔到底有几个女朋友，还当真是一件难事。这位物理大师的道德观显然和常人有着一定的距离，他的古怪行为一直为人们所排斥。1912年，他差点为了喜欢的一个女孩而放弃学术，改行经营自己的家庭公司（当时在大学教书不怎么赚钱），到他遇上安妮玛丽之前，薛定谔总共爱过四个年轻女孩，而且主要是一种精神上的恋爱关系。对此，薛定谔的主要传记作者之一，摩尔辩解说，不能把它简单地看成一种放纵行为。
如果以上都还算正常，婚后的薛定谔就有点不拘礼法的狂放味道了。他和安妮的婚姻之路从来不曾安定和谐，两人终生也没有孩子。而在外拈花惹草的事，薛定谔恐怕没有少做，他对太太也不隐瞒这一点。安妮，反过来，也和薛定谔最好的朋友之一，赫尔曼•威尔保持着暧昧的关系（威尔自己的老婆却又迷上了另一个人，真是天昏地暗）。两人讨论过离婚，但安妮的天主教信仰和昂贵的手续费事实上阻止了这件事的发生。《薛定谔的女朋友》一剧中调笑说：“到底是波一粒子的二象性难一点呢，还是老婆一情人的二象性更难？”
薛定谔，按照某种流行的说法，属于那种“多情种子”。他邀请别人来做他的助手，其实却是看上了他的老婆。这个女人后来为他生了一个女儿，令人惊奇的是，安妮却十分乐意地照顾这个婴儿。薛定谔和这两个女子公开同居，事实上过着一种一妻一妾的生活（这个妾还是别人的合法妻子），这过于惊世骇俗，结果在牛津和普林斯顿都站不住脚，只好走人。他的风流史还可以开出一长串，其中有女学生、演员、等，留下了若干私生子。但薛定谔却不是单纯的欲望的发泄，他的内心有着强烈的罗曼蒂克式的冲动，按照段正淳的说法，和每个女子在一起时，却都是死心塌地，恨不得把心掏出来，为之谱写了大量的情诗。我希望大家不要认为我过于八卦，事实上对情史的分析是薛定谔研究中的重要内容，它有助于我们理解这位科学家极为复杂的内在心理和带有个人色彩的独特性格。
最最叫人惊讶的是，这样一个薛定谔的婚姻后来却几乎得到了完美的结局。尽管经历了种种风浪，穿越重重险滩，他和安妮却最终白头到老，真正像在誓言中所说的那样：执子之手，与子偕老。在薛定谔生命的最后时期，两人早已达成了谅解，安妮说：“在过去41年里的喜怒哀乐把我们紧紧结合在一起，这最后几年我们也不想分开了。”薛定谔临终时，安妮守在他的床前握住他的手，薛定谔说：“现在我又拥有了你，一切又都好起来了。”
薛定谔死后葬在阿尔巴赫小山村，他的墓地不久就被皑皑白雪所覆盖。四年后，安妮玛丽•薛定谔也停止了呼吸。
[楼主]  [75楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/14 00:41 
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七、波粒联姻生怪胎
回顾一下量子论在发展过程中所经历的两条迥异的道路是饶有趣味的。第一种办法的思路是直接从观测到的原子谱线出发，引入矩阵的数学工具，用这种奇异的方块去建立起整个新力学的大厦来。它强调观测到的分立性、跳跃性，同时又坚持以数学为唯一导向，不为日常生活的直观经验所迷惑。但是，如果追究根本的话，它所强调的光谱线及其非连续性的一面，始终可以看到微粒势力那隐约的身影。这个理论的核心人物自然是海森堡、波恩、约尔丹，而他们背后的精神力量，那位幕后的“教皇”，则无疑是哥本哈根的那位伟大的尼尔斯•玻尔。这些关系密切的科学家们集中资源和火力，组成一个坚强的战斗集体，在短时间内取得突破，从而建立起矩阵力学这一壮观的堡垒来。
而沿着另一条道路前进的人们在组织上显然松散许多。大致说来，这是以德布罗意的理论为切入点，以薛定谔为主将的一个派别。而在波动力学的创建过程中起到关键的指导作用的爱因斯坦，则是他们背后的精神领袖。但是这个理论的观点也是很明确的：它强调电子作为波的连续性一面，以波动方程来描述它的行为。它热情地拥抱直观的解释，试图恢复经典力学那种形象化的优良传统，有一种强烈的复古倾向，但革命情绪不如对手那样高涨。打个不太恰当的比方，矩阵方面提倡彻底的激进的改革，摒弃旧理论的直观性，以数学为唯一基础，是革命的左派。而波动方面相对保守，它强调继承性和古典观念，重视理论的形象化和物理意义，是革命的右派。这两派的大战将交织在之后量子论发展的每一步中，从而为人类的整个自然哲学带来极为深远的影响。
海森堡和薛定谔互相对对方的理论表达出毫不掩饰的厌恶。他们各自认定，自己的那套方法才是唯一正确的。这是自然的现象，因为矩阵力学和波动力学看上去是那样的不同，而两人的性格又都以好胜和骄傲闻名。当衰败的玻尔理论退出历史舞台，留下一个权力真空的时候，无疑每个人都想占有有那一份无上的光荣。不过到了l926年4月份，这种对峙至少在表面上有了缓和，薛定谔、泡利、约尔丹当时都各自证明了，两种力学在数学上来说是完全等价的！事实上，我们追寻它们各自的家族史，发现它们都是从经典的哈密顿函数而来，只不过一个是从粒子的运动方程出发，一个是从波动方程出发罢了。而光学和运动学，早就已经在哈密顿本人的努力下被联系在了一起，这当真叫做“本是同根生”了。很快人们已经知道，从矩阵出发，可以推导出波动函数的表达形式来，而反过来，从波函数也可以导出我们的矩阵。1930年，狄拉克出版了那本经典的量子力学教材，两种力学被完美地统一起来，作为一个理论的不同表达形式出现在读者面前。
但是，如果谁以为从此就天下太平，万事大吉，那可就大错特错了。虽然两种体系在形式上已经归于统一，但从内心深处的意识形态来说，它们之间的分歧却越来越大，很快就形成了不可逾越的鸿沟。数学上的一致并不能阻止人们对它进行不同的诠释，就矩阵方面来说，它的本意是粒子性和不连续性。而波动方面却始终在谈论波动性和连续性。波粒战争甚至到达了最高潮，双方分别找到了各自可以依赖的新政府，并把这场战争再次升级到对整个物理规律的解释这一层次上去。
一方面，薛定谔肯定地说：“波，只有波才是唯一的实在。” “不管是电子也好，光子也好，或者任何粒子也好，都只是波动表面的泡沫。它们本质上都是波，都可以用波动方程来表达基本的运动方式。”
“绝对不敢苟同。”海森堡反驳道，“物理世界的基本现象是离散性，或者说不连续性。大量的实验事实证明了这一点：从原子的光谱到康普顿的实验，从光电现象到原子中电子在能级间的跳跃，都无可辩驳地显示出大自然是不连续的。你那波动方程当然在数学上是一个可喜的成就，但我们必须认识到，我们不能按照传统的那种方式去认识它——它不是那个意思。”
“恰恰相反。”薛定谔说，“它就是那个意思。波函数Ψ在各个方向上都是连续的，它可以看成是某种振动。事实上，我们必须把电子想象成一种驻波的本征振动，所谓电子的‘跃迁’，只不过是它振动方式的改变而已。没有什么‘轨道’，也没有什么‘能级’，只有波。”
“哈哈。”海森堡嘲笑说，“你恐怕对你自己的Ψ是个什么东西都没有搞懂吧？它只是在某个虚拟的空间里虚拟出来的函数，而你硬要把它想象成一种实在的波。事实上，我们绝不能被日常的形象化的东西所误导，再怎么说，电子作为经典粒子的行为你是不能否认的。”
“没错。”薛定谔还是不肯示弱，“我不否认它的确展示出类似质点的行为。但是，就像一个椰子一样，如果你敲开它那粒子的坚硬的外壳，你会发现那里面还是波动的柔软的汁水。电子无疑是由正弦波组成的，但这种波在各个尺度上伸展都不大，可以看成一个‘波包’。当这种波包作为一个整体前进时，它看起来就像是一个粒子。可是，本质上，它还是波，粒子只不过是波的一种衍生物而已。”
结果这两人谁也无法说服对方。1926年7月，薛定谔应邀到慕尼黑大学讲授他的新力学，海森堡就坐在下面，他站起来激烈地批评薛定谔的解释，结果悲哀地发现在场的听众都对他持有反对态度。早些时候，玻尔原来的助手克喇默斯接受了乌特勒支大学的聘书而离开哥本哈根，于是海森堡成了这个位置的继任者——现在他可以如梦想的那样在玻尔的身边工作了。玻尔也对薛定谔那种回归经典传统的理论观感到不安，为了解决这个问题，他邀请薛定谔到哥本哈根进行一次学术访间，争取在交流中达成某种一致意见。
9月底，薛定谔抵达哥本哈根，玻尔到火车站去接他。争论从那一刻便已经展开，日日夜夜，无休无止，一直到薛定谔最终离开哥本哈根为止。海森堡后来栩栩如生地回忆了这次碰面，他说，虽然平日里玻尔是那样一个和蔼可亲的人，但一旦他卷入这种物理争论，他看起来就像一个偏执的宗教狂热者，绝不肯妥协一步。争论当然是物理上的问题，但在很大程度上已经变成了哲学之争。薛定谔就是不能相信，一种“无法想象”的理论有什么实际意义。而玻尔则坚持认为，图像化的概念是不可能用在量子过程中的，它无法用日常语言来描述。他们激烈地从白天吵到晚上，最后薛定谔筋疲力尽，他很快病倒了，不得不躺到床上，由玻尔的妻子玛格丽特来照顾。即使这样，玻尔仍然不依不饶，他冲进病房，站在薛定谔的床头继续与之辩论。当然，一切都是徒劳，谁也没有被对方说服。薛定谔最后甚至来了句很著名的话：“假如我们还是摆脱不了这些该死的量子跃迁的话，我宁愿从来没有涉足过什么量子力学。”玻尔对此意味深长地回敬道：“还好，你已经涉足了，我们为此都感到很高兴……”
物理学界的空气已变得非常火热。经典理论已经倒塌了，现在矩阵力学和波动力学两座大厦拔地而起，它们之间以某种天桥互相联系，从理论上说要算是一体。可是，这两座大厦的地基却仍然互不关联，这使得表面上的亲善未免有那么一些口是心非的味道。而且，波动和微粒，这两个三百年来的宿敌还在苦苦交战，不肯从自己的领土上后退一步。双方都依旧宣称自己对于光、电，还有种种物理现象拥有一切主权，而对手是非法武装势力，是反政府组织。现在薛定谔加入波动的阵营，他甚至为波动提供了一部完整的宪法，也就是他的波动方程。在薛定谔看来，波动代表了从惠更斯、杨一直到麦克斯韦的旧日帝国的光荣，而这种贵族的传统必须在新的国家得到保留和发扬。薛定谔相信，波动这一简明形象的概念将再次统治物理世界，从而把一切都归结到一个统一的图像里去。
不幸的是，薛定谔猜错了。波动方面很快就要发现，他们的宪法原来有着更为深长的意味。其实，天下为公，哪一方也不能独占，双方必须和谈，然后组成一个联合政府来进行统治。它还披露了更为惊人的秘密：双方原来在血缘上有着密不可分的关系。最后，它预言在这种联合统治下，物理学将会变得极为不同：更为奇妙，更为神秘，更为繁荣。
另一方面，当海森堡完成了他的不确定性原理后，他迅即写信给泡利和远在挪威的玻尔，把自己的想法告诉他们。收到海森堡的信后，玻尔立即从挪威动身返回哥本哈根，准备就这个问题和海森堡展开深入的探讨。海森堡可能以为，这样伟大的一个发现必定能打动玻尔的心，让他同意自己对于量子力学的一贯想法。可是，他也大大地错了。
在挪威，玻尔于滑雪之余好好地思考了一下波粒问题，新想法逐渐在他脑中定型了。当他看到海森堡的论文，他自然而然地用这种想法去证实整个结论。他问海森堡，这种不确定性是从粒子的本性而来，还是从波的本性导出的呢？海森堡一愣，他压根就没考虑过什么波。当然是粒子，由于光子击中了电子而造成了位置和动量的不确定，这不是明摆的吗？
玻尔很严肃地摇头，他拿海森堡想象的那个巨型显微镜开刀，证明在很大程度上不确定性不单单出自不连续的粒子性，更是出自波动性。我们在前面讨论过德布罗意波长公式 λ=h/mv，mv就是动量p，所以p=h/λ，对于每一个动量p来说，总是有一个波长的概念伴随着它。对于E—t关系来说，E=hv，依然有频率v这一波动概念在里面。海森堡对此一口拒绝，要让他接受波动性可不是一件容易的事情。对海森堡的顽固玻尔显然开始不耐烦了，他明确地对海森堡说：“你的显微镜实验是不对的。”这把海森堡给气哭了。两人大吵一场，克莱恩当然帮着玻尔，这使得哥本哈根内部的气氛闹得非常尖锐。从物理问题出发，后来几乎变成了私人误会，以致海森堡不得不把写给泡利的信要回去以做出澄清。最后，泡利本人亲自跑去丹麦，这才最后平息了事件的余波。
对海森堡来说不幸的是，在显微镜问题上的确是他错了。海森堡大概一生来患有某种“显微镜恐惧症”，一碰到显微镜就犯晕。当年，他在博士论文答辩里就搞不清最基本的显微镜分辨度问题，差点没拿到学位。这次玻尔也终于让他意识到，不确定性确实是建立在波和粒子的双重基础上的，它其实是电子在波和粒子间的一种摇摆：对于波的属性了解得越多，关于粒子的属性就了解得越少。海森堡最后终于接受了玻尔的批评，给他的论文加了一个附注，声明不确定性其实同时建筑在连续性和不连续性两者之上，并感谢玻尔指出了这一点。
玻尔也在这场争论中有所收获，他发现不确定原理的普遍意义原来比他想象中的要大。他本以为，这只是一个局部的原理，但现在他领悟到这个原理是量子论中最核心的基石之一。在给爱因斯坦的信中，玻尔称赞了海森堡的理论，说他“用一种极为漂亮的手法”显示了不确定如何被应用在量子论中。复活节长假后，双方各退一步，局面终于海阔天空起来。海 森堡写给泡利的信中又恢复了良好的心情，说是“又可以单纯地讨论物理问题，忘记别的一切”了。的确，兄弟阋于墙，也要外御其侮，哥本哈根派现在又团结得像一块坚石了，他们很快就要共同面对更大的挑战，并把哥本哈根这个名字深深镌刻在物理学的光辉历史上。
不过，话又说回来。波动性，微粒性，从我们史话的一开始，这两个词已经深深困扰我们，一直到现在。好吧，不确定性同时建立在波动性和微粒性上?……可这不是白说吗？我们的耐心是有限的，不如打开天窗说亮话吧，这个该死的电子到底是个粒子还是波呢？
粒子还是波，真是令人感慨万千的话题啊。这是一出三百年来的传奇故事，其中悲欢起落，穿插着物理史上最伟大的那些名字：牛顿、胡克、惠更斯、杨、菲涅尔、傅科、麦克斯韦、赫兹、汤姆逊、爱因斯坦、康普顿、德布罗意……恩恩怨怨，谁又能说得明白？我们处在一种进退维谷的境地中，一方面双缝实验和麦氏理论毫不含糊地揭示出光的波动性，另一方面光电效应和康普顿效应又同样清晰地表明它是粒子。就电子来说，玻尔的跃迁、原子里的光谱、海森堡的矩阵都强调了它不连续的一面，似乎粒子占了上风，但薛定谔的方程却又大肆渲染它的连续性，甚至把波动的标签都贴到了它脸上。
怎么看，电子都没法不是个粒子；怎么看，电子都没法不是个波。这该如何是好呢？那么，电子不可能不是个粒子，它也不可能不是波。那剩下的，唯一的可能性就是……它既是个粒子，同时又是个波！
可是，等等，这太过分了吧？完全没法叫人接受。什么叫“既是个粒子，同时又是波”？这两种图像分明是互相排斥的呀。一个人可能既是男的，又是女的吗？这种说法难道不自相矛盾吗？
不过，要相信玻尔，因为玻尔就是这样想的。毫无疑问，一个电子必须由粒子和波两种角度去做出诠释，任何单方面的描述都是不完全的。只有粒子和波两种概念有机结合起来，电子才成为一个有血有肉的电子，才真正成为一种完备的图像。没有粒子性的电子是盲目的，没有波动性的电子是跛足的。
这还是不能让我们信服啊，既是粒子又是波？难以想象，难道电子像一个幽灵，在粒子的周围同时散发出一种奇怪的波，使得它本身成为这两种状态的叠加？谁曾经亲眼目睹这种噩梦般的场景吗？出来作个证？
“不，你理解得不对。”玻尔摇头说，“任何时候我们观察电子，它当然一只能表现出一种属性，要么是粒子要么是波。声称看到粒子——波混合叠加的人要么是老花眼，要么是纯粹在胡说八道。但是，作为电子这个整体概念来说，它却表现出一种波一粒的二象性来，它可以展现出粒子的一面，也可以展现出波的一面，这完全取决于我们如何去观察它。我们想看到一个粒子？那好，让它打到荧光屏上变成一个小点。看，粒子！我们想看到一个波？也行，让它通过双缝组成干涉图样。看，波！”
奇怪，似乎有哪里不对，却说不出来……好吧，电子有时候变成电子的模样，有时候变成波的模样，嗯，不错的变脸把戏。可是，撕下它的面具，它本来的真身究竟是个什么呢？
“这就是关键！这就是你我的分歧所在了。”玻尔意味深长地说，“电子的‘真身’？或者换几个词，电子的原型？电子的本来面目？电子的终极理念？这些都是毫无意义的单词，对于我们来说，唯一知道的只是每次我们看到的电子是什么。我们看到电子呈现出粒子性，又看到电子呈现出波动性，那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我一点都不关心电子‘本来’是什么，我觉得那是没有意义的。事实上我也不关心大自然‘本来’是什么，我只关心我们能够‘观测’到大自然是什么。电子又是个粒子又是个波，但每次我们观察它，它只展现出其中的一面，这里的关键是我们‘如何’观察它，而不是它‘究竟’是什么。”
这就是玻尔的“互补原理”，波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中。互补原理连同波恩的概率解释、海森堡的不确定性，三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心，至今仍然深刻地影响着我们对于整个宇宙的终极认识。
于是，波动和粒子就成了一家人。或者说，波动是新郎，粒子是新娘，在互补原理这个媒人的撮和之下，波动和粒子终于联姻结婚了，生下了波粒两象性这个怪胎！
三百年硝烟散尽，波和粒子以这样一种奇怪的方式达成了妥协：两者原来是不可分割的一个整体。就像漫画中教皇善与恶的两面，虽然在每个确定的时刻，只有一面能够体现出来，但它们确实集中在一个人的身上。
波动和粒子是一对吵架夫妻，它们如此苦苦争斗，却原来是演出了一场物理学中的针尖对麦芒故事，这教人拍案惊奇，唏嘘不已。
“第三次波粒战争”便以这样一种戏剧化的方式落下帷幕。而量子世界的这种奇妙结合，就是大名鼎鼎的“波粒两象性”。

波动和粒子真的是这样的吗？不是这样的！还有不有什么地方人们没有考虑周全呢？回答是肯定的！波粒两象性有不有更好的物理解释呢？有！有！！有！！！要知详情，请听下文分解。
【阅读与欣赏23】
该获诺贝尔奖而未获奖者的懊悔
诺贝尔奖是科学家的荣耀，是对科学家科研成就的肯定。但是也有一些科学家虽然做出了杰出的成就，却未能获得诺贝尔奖，这其中的原因是各种各样的。
奥托•哈恩是德国杰出的科学家。他在同位素和放射学研究方面曾做出过巨大的贡献，但是他却未能因此而贝尔奖。
1902年，哈恩从含有大量天然钍的铀矿中，发现了一种新的“射钍”的物质，这实际上就是放射性钍的同位素。1905年，哈恩在卢瑟福的研究所工作，在研究中他又发现了“射铊”和“射锕”，这实际上就是放射性铊和锕的同位素。他又协助卢瑟福对射铊和射锕的α辐射进行了精确的测定。接着，1906年，他在柏林费希尔的实验室工作时，又发现了镭的同位素。1909年，他同梅特涅合作，又发现了钋的同位素“镭C”。几年时间里哈恩屡屡有重大发现，并测定了一系列重元素的放射性同位索，在同位素研究和放射化学领域，他的成果累累，遥遥领先于同行。
然而，哈恩整天忙于实验、观测、记录，他从来也没有从理论上思考和总结他的实验、观测和记录的意义。他尽管有很多发现和测定，但是他却不知道要从这些发现、实验和测定中找出客观世界的规律性。他只知不疲倦地做实际工作。实际工作是基础工作，对于科学研究者必不可少，但是这些研究工作的目的决不是为实验而实验，最终必须要说明实验、测定和发现的价值何在，意义何在。可惜哈恩没有做到这一步。而他的同行却在他实验的基础上，进行了理论上的探索。1901年，英国化学家索迪通过对放射性元素原子序数的研究，找出了它们的规律，提出了一个新的化学术语“同位素”。两年后，索迪又与德国化学家法加斯提出了放射性元素的“位移法则”，从而系统地阐明了同位素的概念和它们之间相互转化的规律。结果在1921年，诺贝尔的化学奖就授给了索迪，而却与哈恩无缘。虽然科学研究最终目的不在于获不获诺贝尔奖，但是哈恩做了那么多年的实验和观测，九十九步都走了，只差一步没有走，而这一步又是那么关键的一步——理论的升华。这又是多么令人遗憾啊！
同样的遗憾也曾落在约里奥和伊伦身上。约里奥和伊伦是著名科学家居里夫人的女婿和长女。他们也是物理学家和化学家，曾以发现人工放射物而获1935年的诺贝尔化学奖，但在此前他们本有获得诺贝尔物理奖的良机和条件，但是他们却没有抓住机遇。
1920年，英国著名原子物理学家卢瑟福(1871～1937年)曾经预言，在原子内可能有一种质量与质子差不多的中性粒子存在。他对此预言曾在法国进行了一次科学演讲，约里奥夫妇认为当时卢瑟福的演讲只是科普性的，没有多少学术价值，就没有去听，从而丧失了获得这一科学预言的良机。1928年，德国物理学家玻特和贝克在实验中获得一种透性很强的辐射，他们认为这种神秘的射线是一种电磁波，没有再加以深入的研究。1932年，约里奥
夫妇用放射性钋所产生的α射线轰击铍、锂等元素，也发现了穿透性强的辐射，他们比玻特和贝克进一步证明了这种射线不是电磁波。但这种辐射究竟是什么，他们却没有加以说明，只是如实公布了他们的实验结果，继而他们又没有进行深入的探讨。如果他们了解卢瑟福的预言，便有可能做进一步的深入探讨，会给他们的新发现以理论上的说明。然而由于他们没能打开新的思路，又没能掌握前人的科学预见，他们明明已经有了重要的发现，却因为不能说明这种发现的性质、实质，也是走到九十九步，在只差一步时便停了下来，从而失去了一次因重大发现而获得诺贝尔奖的机遇。
就在约里奥夫妇公布他们实验结果的1个月以后，卢瑟福的助手，英国物理学家查德威克终于对玻特、贝克和约瑟福的实验结果有了一个科学的解释。他指出了铍放射出来的不是电磁波，而是不带电的中子。因发现了原子中的中子，查德威克则获得了1935年的诺贝尔物理奖。查德威克是侥幸吗？约里奥夫妇是大意吗？或许他们的偶然都是必然的结果。在科学研究中只有细心如发，追根问底的人才可能有新的发现。
约里奥夫妇失去了中子发现权，毕竟是由于人工放射性的发现还是获得了诺贝尔奖。在人工放射性的发现历程上，美国物理学家劳伦斯(1901～1958年)却因失之交臂而懊悔终生。
在1930年，劳伦斯便制成了世界上第一台回旋加速器。回旋加速器可以产生强放射源同位素，它的放射强度可以是天然性放射源的几千倍。约里奥夫妇在当时试图揭开原子核的秘密，他们所使用的仍是天然放射源，他们用α粒子作炮弹去轰击靶核，发现了当停止轰击时，还可测到放射性。他们用化学分析测知用α粒子轰击铝核，所得到的新元素是自然界不存在的磷的不稳定的同位素，它很快放出电子进行β衰变，形成元素硅。他们反复试验，结果相同，他们知道自己有了一个重大发现，这就表明人工可以产生放射性同位素。这种放射性同位素再继续放射出某种粒子而衰变为另一种稳定元素，这就是“人工放射性”。这种发现立即轰动了物理界。劳伦斯闻讯后，自责用自己的回旋加速器为什么没有发现“人工放射性”。他多方寻找原因，原来他把回旋加速器与作为核辐射探测器的盖革计数器共用了一个开关。一个开关的闭合操作方便，但当加速器停止工作后，虽然有新的发射性同位素继续放射射线，但计数器因开关闭合却也停止了工作。他改变了开关再进行轰击碳核的实验，在加速器停止工作后，果然在计数器上测出了放射线。他是多么懊悔哟，本来是应该自己发现人工放射性的，却失之交臂。但是仔细想一下，劳伦斯也不应有遗憾，因为当初他如果想到有人工放射牲的可能，他就不会那样安置开关，正因为他没有想到，所以他自然就落他人之后一步。
[楼主]  [76楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/14 00:43 
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创新篇
第一章 新以太观
一、波粒存在的种种问题
古人云：“以铜为镜，可以正衣冠；以史为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。”也就是说，用铜做镜子,可以整理好一个人的穿戴；用历史作为镜子,可以知道历史上的兴盛衰亡，用别人作自己的镜子,可以知道自己每一天的得失。为了知道历史上波粒说的兴盛衰亡，我概略地描写了波粒三百年的历史。
温故而知新。以上的波粒史话，不是我写的，也不是我的观点，只不过是我汇编的。是我分别从英特网和几十本相关的史实资料中下载和摘录，再进行剪辑加工，按照历史的顺序和正统的观点把它们串在一起，反映三百多年来波粒争论的全过程：首先，在牛顿光环的宠罩下，粒子说以绝对优势压倒波动说；其次，经过惠更斯、托马斯•扬、菲涅尔、傅科、麦克斯韦、赫兹等人艰苦卓绝的斗争，波动说反过来把粒子说打倒在地，奄奄一息；再次，在普朗克、爱因斯坦、康普顿等人的探索中粒子说又死灰复燃；最后由德布罗意、玻尔、海森堡与薛定谔无可奈何地达成波粒两象性的君子协议。
从现在起我们开始进入创新篇，将要揭开历史崭新的一页。在这里主要是我个人——中国一个普通民科——40多年来的不断探索的结果。在创新篇中，所有的观点都是个人独创的。除了引用一些试验结果外，都是原创的，吃别人嚼过的馍没有味道。
从那里讲起呢？噢，对了，就从波粒存在的种种问题说起吧！因为发现问题比解决问题更重要。
（一）、粒子说存在的问题
1、黑布问题
如果光是粒子的话，那么光为什么不能通过既漏水又漏气的薄薄黑布，却能通过不漏气不漏水的厚厚玻璃呢？
2、质量问题
如果光是粒子的话，粒子又是有质量的。黑体在连续不断地接受光粒子时，它的质量就会增加。但结果是：黑体的质量永远也不会增加。为什么？有粒子的运动，但无质量的迁移？
3、寿命问题
量子论告诉我们，光的行径犹如一颗颗的微粒，每一粒子带着一定的能量，并且用光的速度在飞行着，这些微粒碰到了其它物体，便会产生能量或动量的变化。这就是光的微粒的图象。我们知道，在空气中飞行的子弹速度会越来越慢，那么，在宇宙中飞行几百亿年的光子速度为什么丝毫不变？光子有不有新陈代谢和一定的寿命？
4、加速问题
当光从一种媒质进入另一种媒质时，速度会突变，为什么光子的速度在同一种媒质里保持不变，而在两种媒质的界面上发生突变呢？光子从光密媒介进入光疏媒介时，光子的运动会加速。光子从光疏媒介进入光密媒介时，光子的运动又会减速。由牛顿力学可知，此时光子一定会到力的作用，那么，在两种媒质的介面上，是谁对光子施力呢？
5、纵波问题
我们知道，气体和液体等流体内只能传播纵波。例如声波就是一种纵波。如果光的行径犹如一颗颗用光的速度在飞行着的微粒，光波应是纵波，因为光子的运动方向与其传播方向一致。光子可以看成一种流体，因此，光子不可能传播横波。但光是的确是一种横波， 丝毫没有一点纵波的成分。如果让光通过一个很小的狭缝，则变成完全偏振光，其振动方向和狭缝方向一致的光能通过，其它振动方向的光不能通过，这一试验可用二个偏振片完成。这说明光是横波，丝毫没有一点纵波的成分。为什么是这样的呢？
6、单光子干涉实验问题
1909年泰勒曾做了一个很奇特的实验。他先在强光下拍摄了一根细针的衍射像，然后减弱光束的强度，延长曝光时间，有一次达三个月之久。当他把光束衰减到只有一个光子进入仪器时，所得到的衍射像与强光短时拍摄的完全相同。泰勒的实验表明，干涉与衍射，并不象人们通常认为的那样，是多个光子同时存在并相互作用而产生的。相反，单个的光子也能产生干涉与衍射。此后，他又作了单光子的双缝干涉试验，结果相同。单光子干涉试验给光的粒子说提出了这样一个致命的问题：设想当弱光束打在双缝上实现单光子干涉时，一个光子怎么能“部分”地穿过一个缝，同时又“部分”地穿过另一个缝，然后自己的一部分和自己的另一部分发生干涉呢？泰勒的试验向人们提出了一个老问题，这就是如何认识光的本质，这的确是长久以来一直没有弄清楚的问题。
7、独立光束干涉试验问题
激光出现以后，曼德尔等人进行了独立光束干涉试验。他们用两只脉冲式红宝石激光器作为两个独立的光源。为了保证条纹的可见度，采用了光电符合技术以消除各种频率漂移使信号产生的干扰。结果获得了条纹可见度为15%的干涉图样。经过改进，完成了高度减弱的两束独立激光之间的干涉。这一试验中，高度减弱的两束独立激光每一束中一次只能有一个光子入射。也就是说，当一束激光发出一个光子时，另一束激光发光子的几率仅有万分之一。独立光束干涉试验给光的粒子说带来一个致命的问题。因为独立光束的 “单光子干涉”发生的是双光干涉，当第一个激光器发出的光束中仅有一个光子奔向控制器时，第二个激光器还未发出光子，第一个光子就已经与第二个尚未到来的光子发生了干涉效应。然而，当把一束激光关掉时，这种干涉就消失了。这就说明光子能预见与它干涉的光子即将到来，提前发生了作用，或者说光子能与 “虚无”发生作用。这是光的粒子说中令人无法接受的致命问题。
8、偏振片问题
取两个相同的偏振片，光是能够通过其中一个的。但是将两个偏振片重迭起来，并转动其中一个偏振片，就会有一个位置，光完全不能通过两个重迭的偏振片。显然这也是光的粒子说所无法解释的。
9、光电效应问题
1963年Ready等人用激光作光电发射实验时，发现了与爱因斯坦方程偏离的奇异光电发射。1968年Teich 和Wolga用GaAs激光器发射的hn=1.48eV的光子照射逸出功为2.3eV的钠时，发现光电流与光强的平方成正比。按爱因斯坦方程，光子的频率处于钠的红限频率以下，不会有光电子发射，然而新现象却发生了，不但有光电子发射，而且光电流不是与光强成正比，而是与光强的平方成正比。于是，人们设想光子间进行了“合作”，两个光子同时被电子吸收得以跃过表面能垒，称为双光子光电发射。后来，进一步的实验表明，可以三个、多个、甚至40个光子同时被电子吸收而发射光电子，称为多光子光电发射。人们推断，n光子的光电发射过程的光电流似乎应与光强的n次方成正比。光电效应的粒子的解释就有如下困难：为什么某些激光不遵循爱因斯坦方程？为什么非激光光源不会产生多光子光电发射？
10、能量子存在问题
能量子和光量子是真实存在的吗？还是与以太的存在性等价呢？
11、干涉、衍射这是波动才特有的现象。光的粒子说能在粒子的什么地方加上一个频率或波长的特性？光的粒子说就有上述11个致命问题。
（二）、波动说存在的问题
1、以太问题
电磁波的传播是否也象机械波那样需要介质呢？人们曾设想电磁波的传播需要一种特殊的介质，这就是以太。在与以太相对静止的一个特殊参照系中电磁波的传播速度为c，因此这个特殊参照系是唯一的，我们将这个特殊参照系称为以太参照系。这是麦克斯韦方程组所需要的。
以太必须具有一些令人难以捉摸和不可思议的的性质，如没有质量、完全透明、非常刚性、对运动物体没有阻力等。因此“以太”具有极其矛盾的机械属性。当时，为了说明物体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多；为了说明为什么电磁波是横波，并以极大速度传播，又必须假定“以太”中能产生比任何固体都大的切变应力。同时，固体中激发出横波的同时也伴随着产生纵波，但是在“以太”中产生电磁波的同时却丝毫没有发现“以太”纵波。从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊——莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。人们认为，既然没有“以太风”，那当然也就没有“以太”了。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”。
2、弹性波问题
弹性介质中物质粒子间有弹性相互作用,当某处物质粒子离开平衡位置,即发生应变时,该粒子在弹性力的作用下发生振动,同时又引起周围粒子的应变和振动,这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”。电磁波是通过以太来传播的，以太具有弹性吗？电磁波是和机械波一样是弹性波吗？
3、连续问题
我们知道，波的图象一般是一条连续的曲线，如正弦曲线。人们通常把电磁波和光波也画成正弦曲线。人们认为波所具有的能量是连续的，电磁波当然也不例外。但普朗克的作用量子、能量元或者说能量子无疑说电磁波是不连续的，光是不连续的，它们的能量是一份一份发射出来的。这样说来，电磁波和光那里还是波？
4、光压问题
光压是射在物体上的光所产生的压力。彗星的尾巴背着太阳就是太阳的光压造成的。但是波动时物质的媒质只是在平衡位置振动，没有移动，为什么会产生压力呢？
（三）、波粒两象性存在的问题
1、波粒不相容问题
人们认识的粒子是一个个相对较小的物体，如石子、小球、弹丸等。这种粒子的概念，牛顿把它叫做“质点”。粒子的最明显的特点就是它的“集中性”、“可数性”、不连续性和无周期性。它的质量集中在一个相对较小的空间区域内，即粒子本身中。
波是大量粒子在某种媒质中传播着的运动，具有连续的广延性、非集中性和周期性，并且能发生衍射和干涉现象，两列波相遇重叠时各保持自己的原有的波形。例如，在音乐会上鼓乐齐鸣，它们所发的声波同时在大厅中传播。但是我们仍能十分清楚地区分哪是二胡、哪是笛子、哪是锣的声音。它们各保持自己的音色。这些特征使波和粒子明显地区别开来。而粒子不可能发生衍射或干涉现象。躲在掩体后面就能避免子弹的杀伤，因为飞行的子弹不会自行拐弯衍射。两个子弹在空中相撞时，原来各自的运动都会被破坏，绝不会发生什么又加强又减弱的干涉现象。
所以波和粒子是相互矛盾和不相容的，它们怎能融合在一起？
2、波粒嫁接问题
波粒的物理图象完全不是出自天然,而是人为的刻意的和强加的,留下了刀工斧凿的明显痕迹。就象把桃树和李树嫁接在一起，结出既不象桃也不象李的杂交果。在大自然中，只有分立的粒子和波，根本上没有波粒子这样的怪物。
爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。”显然，要提出问题，首先是能够发现问题。以敏锐的洞察力从复杂的物理世界中发现有价值的问题，是许多优秀物理学家独特的心理品质和艺术魅力，也是他们创立假说的前提条件。
问题我们已经提出来了，剩下的就是我们如何建立物理模型和解决这些问题了。
[楼主]  [77楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/14 18:21 
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论科学突破 赵树智
科学的历史是一部科学知识不断增长的历史，这种增长是通过继承和突破两种形式实现的。科学的继承，是科学知识增长的量变形式，它使人类的知识得以累积延续和储存，一代传给下一代。科学的突破，是科学知识增长的质变形式，它使科学知识的体系结构发生变革，从一种质态跃迁到另一种质态。继承和突破既相互区别又相互联系，继承是突破的基础，突破是继承的发展。没有继承，就没有突破；没有突破，继承也就失去生命力。一部科学史，实质上就是一部继承和突破交替、互补的历史。
纵观科学史，突破比继承更富有魅力，更引入注目。这是因为突破并非轻易发生，而每当发生突破，都会引起科学界乃至整个社会的巨大反响，都会改变科学的图景和社会生活的面貌。在科学的历史长程上，突破为科学的发展设置了一个个的转折点，树立了一个个通往新阶段的里程碑。在现代社会，科学技术是第一生产力，而每次科学突破都会给“第一生产力”赋予新的内容，增添新的动力。也正因为如此，科学的突破成为科学史上最为激动人心的事件，它们不仅为科学工作者所普遍关注，而且深深吸引着有志于科学事业的每一个人。
一、科学突破的类型
科学史上发生过各种各样的突破，为了全面了解科学突破的性质和由来，我们有必要把科学突破相对划分为若干个类型。按引发突破的知识载体，可把科学突破分为概念突破、原理突破、理论突破和方法突破四大类型。
概念是思维的结晶，也是知识的细胞。人类对世界的认识，首先是形成概念。任何科学概念都不是静止、僵化的，其内涵和外延都将随着科学认识的发展而变化。这种变化一般以两种方式进行：一是扩大原有概念的外延，二是改变原有概念的内涵。前者引起科学知识量的增长，后者将会导致科学知识质的变化，成为科学突破的生长点。
数学中的无理数、虚数、多元数、微分、积分、极限等概念；物理学中的原子核、电子、正电子、放射性、量子、物质波等概念；化学中的离子、化学键、活化能等概念；生物学中的细胞、染色体、基因等概念，都是引起科学知识发生质变的生长点。
原理是对所研究的某一类对象的本质和规律的表述，通常以定理、定律、法则、公式等形式出现。如果人们提出一个前所未有的原理，使一门学科的思想方法发生重大变化，那么，这个原理将导致科学发生突破。
数学中的代数基本定理、微积分基本公式；物理学中的牛顿运动三定律、万有引力定律、电磁感应定律、能量守恒和转化定律、互补原理、测不准关系、弱相互作用宇称不守恒定律；化学中的当量定律、质量守恒定律、元素周期律；生物学中的生物发生律、孟德尔遗传定律、互补配对定律等，都是导致科学突破的原理。
理论或学说是系统化了的知识体系，创立一门理论使一门学科的体系结构发生变革，是一种重大突破，甚至引起科学的革命。 数学中的解析几何学、微积分学、非欧几何学、集合论、模糊数学；物理学中的光量子论、狭义相对论、广义相对论、量子力学；化学中的氧化说、量子化学、电化学、光化学；地学中的大陆漂移说、板块构造说；生物学中的进化论、遗传学、分子生物学；天文学中的太阳中心说、星云说、宇宙膨胀说、射电天文学等，都是科学突破的产物。
科学方法是研究和解决问题的工具，它为人们认识事物的本质和规律提供有效的措旋、手段和途径。建立一种崭新的方法，对一门学科的发展产生重大影响，是一种科学突破。
数学中的公理化方法、存在性证明方法、微分法、积分法、微分方程解的定性分析法、定理机器证明方法；物理学中的思想实验、α粒子散射实验、电子衍射实验；化学中的原子量测定实验、同位素分离法、分子设计法；生物学中的米勒模拟实验、生物遗传物质X射线衍射分析法、基因重组法；地学中的遥感测定法；天文学中的射电探测法，都曾在相应学科引发出科学的突破。
二、科学突破的导因
任何一项科学突破都是在特定的科学和社会背景下发生的，引起科学突破的导因必然涉及到科学内部和外部环境诸多因素。
从社会环境看，生产力水平是科学发展的根本基础，一定社会的经济制度、政治制度和意识形态也影响着科学的发展。因此，一项科学突破在什么时代、哪个国家和民族发生，在很大程度上取决于这个时代的生产力发展水平，这个国家和民族的经济制度、政治制度和文化传统等社会因素。
18世纪，氧化说引起的化学革命，其外部导因是冶金和化学工业生产的发展，要求深入研究燃烧的本质问题，而传统的燃素说不能解释金属锻烧后灰渣比金属更重的事实，这就从客观上需要一种新的理论。当时的法国，正处于世界科学的中心，有着良好的文化传统，科学人才辈出，法国化学家拉瓦锡(A.L．Lavoisier 1743～1794)正是在旧理论不适应生产实践需要的社会背景下，建立了科学的燃烧理论——氧化学说，完成了化学中的一次革命。
从科学内部来看，科学突破的导因也是多方面的，不同的突破，其导因也不尽相同。但是，最基本、常见的导因可归结为二种：一是理论内部的疑难，二是理论与事实之间的矛盾。
理论内部的疑难，是科学理论自身矛盾运动的产物，也是科学发展相对独立性的表现。一门科学理论发展到一定成熟阶段，自身就会从中产生某些疑难或问题，要求人们给予解决。有些疑难或问
题，运用已有的概念、原理、理论和方法无法得到消除和解决，需要建立全新的概念、原理、理论和方法，由此引起科学的突破。
公元前3世纪，在欧几里得几何内部产生有名的“第五公设问题”。历代数学家运用传统的证明方法，一直没能解决这个问题，直到1 9世纪20年代非欧几何的创立，才真正解决这道历史难题。
理论和事实之间的矛盾也是经常发生的。在已有理论指导下，人们进行观察或实验，并力图运用已有理论去解释所观察到的事实或实验的结果。当已有理论能够圆满地解释观察到的事实或实验结果时，已有理论将得到丰富和发展，但不能引发科学突破。当观察到的事实和实验结果不能被已有理论解释时，就需要创立新的理论，由此会引发出科学的突破。
19世纪末，X射线、放射性元素和电子等微观客体的发现，打开了微观领域的大门。开始，物理学家们试图运用经典物理学理论来解释这些微观粒子运动规律，但全都遭到失败。微观粒子运动规律和经典物理学之间的尖锐矛盾，最终导致了量子论和量子力学的产生。类似的，燃素说解释不了燃烧的本质，由此产生氧化说；地心说解释不了天体运行规律，使太阳中心说的创立成为历史的必然。
理论和事实之间的矛盾，有时还表现为理论和理论之间的矛盾。面对同一现象，有时会同时并存两种甚至两种以上的理论，每种理论都能解释该现象的某些属性，又都有其解释不了的属性，于是理论和事实之间的矛盾就转化为理论和理论之间的竞争。这种竞争的结果，将会导致一种全新的理论来代替已有的理论。人们对光的本质的认识，就是典型的一例。
人们很早就开始探讨光的本质问题，到了17世纪，形成两种对立的学说：一种是微粒说，一种是波动说。这两种学说都能解释光的某些现象，又都有其解释不了的现象。微粒说能解释光的直线传播和反射，但不能解释光的衍射和绕射；波动说能解释光的反射、衍射和绕射，但不能解释光的直线传播。甚至对光的某些现象两者有着不同的结论，比如关于光在两种不同密度介质中的传播，微粒说认为光在密介质的传播速度大于在疏介质中的速度，而波动说却得到完全相反的结论。两种学说长期相争，时而微粒说占优势，时而波动说占优势。1905年，爱因斯坦(A. Einstein．1879～1955)提出光量子说，认为光既有微粒性又有波动性，具有波粒两象性，由此圆满地解释了光的各种现象。光量子说的创立，是物理学中的一次重大突破。（叶波认为：波粒两象性仍然有许多不尽人意的地方，还需要重大突破。）
三、科学突破需要科学革命精神和创造性思维
科学突破是在未知领域内进行探索的产物，它本质上是一种革命性和创造性的科学认识活动，这就要求科学工作者必须具有高度的科学革命精神和创造性思维，才能完成科学的某项突破。事实上，科学史上的每项重大突破，总是某些杰出科学家完成最关键或最后一步的。他们之所以能超过前人和同时代人，作出划时代的科学贡献，并不在于他们比别人的知识更加渊博，重要的在于他们富于科学革命精神和高度的创造性思维。
科学革命精神是科学工作者最宝贵的思想素质，它体现为：不受传统科学观念和理论的束缚，敢于向传统科学观念和理论挑战；不崇信权威和盲目从众，敢于走前人没走过的路；不畏惧挫折和失败，敢于在困境中求索；不害怕讽刺和打击，敢于在蒙难中坚持真理，等等。
集合论的创立者康托尔(G.F．I．Cantor，1845—1918)、非欧几何创立者罗巴切夫斯基（1792～1856)、相对论创立者爱因斯坦、氧化说创立者拉瓦锡、太阳中心说创立者哥白尼(N. Copernicus，1473～1543)、自由落体定律创立者伽利略(1564～1642)、大陆漂移说创立者魏格纳(A.L．Wegener，1880～1930)等人，无一不是敢于打破旧说，创立新说的科学革命勇士。
科学的本质在于创新，科学突破更体现为创立新的概念、原理、理论和方法，没有创造，也就无所谓突破。要创造，就要富有创造性思维。创造性思维表现为：善于摆脱逻辑思维的束缚，借助直觉洞察事物的本质和规律；善于打破思维定势，诱发灵感捕捉机遇；善于摈弃已有认识模式，运用想象构建新的事物；善于转换思路，对问题进行发散思维，特别是逆向思考；善于对事物进行联想和类比，从中启迪思想；善于在极不相同的事物之间寻求共同点，在极为相似的事物之间寻求不同点；善于在事物的多样性中寻求统一性；善于综合运用各种方法处理问题，等等。
19世纪，丹麦物理学家奥斯特(H.C．Oersted，1777～1851)偶然发现放在通电导线下面的磁针发生偏转，他凭借直觉断定电场周围有磁场，经过大量实验，终于揭示出电流的磁效应。英国物理学家法拉第(M. Faraday，1791～1867)受奥斯特工作的启示，对电和磁的关系进行反向思考，提出“转磁为电”问题，经过十多年努力，终于发现变化的磁场可以产生电流，由此提出电磁感应定律，为发电机和电动机的发明制造奠定了理论基础。法拉第本人还首次研制了一台电磁发电机，打开了人类社会由蒸汽动力时代通往电力时代的大门。足见法拉第创造性思维的重大作用。

[楼主]  [78楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/15 17:52 
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二、构建新以太的物理模型
电磁波或光的传播如果没有介质是不可想象的。因为麦克斯韦电磁波方程和其它波动方程的形式完全一样，既然其它的波都有介质，电磁波当然也有介质，这个介质就称之为以太。这也就是以太存在的切入点。
我们首先要解决的第一个问题是以太是固体呢？还是液体或气体？为了说明天体在“以太”中运动丝毫不受阻力，必须假定“以太”比任何气体还要轻得多和稀薄得多，所以以太是非常稀薄的流体。
我们要解决的第二个问题是以太能不能象空气那样被带作直线运动呢？也就是说以太对在其中运动的物体有不有粘滞阻力呢？让我们从雨行差和光行差现象来分析吧。
如果我们在一辆开动公共汽车里，下雨时雨点打在玻璃窗上的雨迹是从前向后斜的。为什么会是这样的呢？因为在汽车上看雨点有两种运动，一是垂直下落运动，二是汽车不能带动雨点，它和窗外景物一起有一个向后倒退的运动。这两种运动的合成的雨点当然是向后偏斜的。所以，在一个完全没有风的下雨天，人们由于走动就必须将伞稍微向前倾斜一定的角度才能将雨完全挡住，也就是这个道理。这种现象我们可以把它叫做雨行差。
如果雨滴是从汽车的顶棚上掉下的，这种雨滴是被汽车所带动，它就是垂直下落而不向后偏斜了。
光行差的形成与雨行差是类似的，光行差现象是由布拉德雷发现的。牛顿力学的成功使越来越多的人接受哥白尼的日心体系，但令人烦恼的是，日心地动学说所必然导致的恒星周年视差总也没有被观测到，有些著名的观测天文学家如老卡西尼，直到1712年临死都不同意哥白尼的学说，原因也是未观测到恒星周年视差。大名鼎鼎的天文学家第谷也是这样。因此整个18世纪，观测天文学都在致力于发现这个至关重大的视差。尽管这种努力到了19世纪上半叶才成功，但在探索的过程中却获得了光行差重大发现，这要归功于布拉得雷。
布拉德雷（1693—1762年）出生于英国格洛斯特郡的舍博恩，早年就读于牛津大学，布拉得雷的舅父榜特是舍伯恩修道院的院长，长于天文，布拉得雷跟随观测，对天文学产生了非常浓厚的兴趣，进而深入钻研，并于1715年和1718年发表了两篇天文学论文，从而声名大震。由于其卓越的数学才能深受牛顿和哈雷赏识，1718年被选为英国皇家学会会员。1721年任牛津大学天文学教授。
布拉德雷的早期理想也是观测恒星周年视差。按照哥白尼的日心体系，地球每年绕太阳一周公转，地球上的观察者必定可以看到较近的恒星相对于较远的恒星背景有一个周期性的位移，位移的方向与地球轨道的向径相平行。1725年，布拉德雷利用一台212英尺长的望远镜确实发现了恒星位移。观测结果表明，通过格林威治天顶的天龙座γ星每年有约20弧秒的微小周期性位移。但奇怪的是，该位移的方向并不像预想的那样与地球轨道向径平行，而是垂直，相差90度。
布拉德雷很久想不通这是怎么一回事。到了1728年，有一天他在泰晤士河上划船，发现船上飘着的旗帜飘动的方向不仅取决于风向，还取决于船前进的方向，这启发他解开了那奇怪的位移之谜。
道理其实很简单，在一个完全没有风的下雨天，人们由于走动就必须将伞稍微向前倾斜一定的角度才能将雨完全挡住，这个角度只取决于雨的下落速度和人的步行速度。人走得越快，雨伞就必须向前倾斜得越厉害。
光的情况与此极为相似。光从天顶以速度c射到地球上，同时地球以30公里/秒的速度绕太阳运转。地球上望远镜就像雨伞一样，必须朝地球前进的方向略微倾斜，才能使光线笔直地落到透镜上。望远镜这个略微的倾斜导致了一年之中恒星的视位移，而位移的方向恰好与地球轨道的径向垂直。布拉得雷把这个20弧秒的小小的倾角称为“光行差”。其实把地球比作汽车，把光比作雨点，光行差也就是雨行差了。
由于汽车不能带动雨点才能产生雨行差，所以只有地球不能带动光才能产生光行差。而光又是在以太中传播的，可推得地球也不能带动以太。当然啦，火车呀，汽车呀什么的就更不能带动光或以太了。
根据光行差的大小，布拉德雷可以重新计算光速。上个世纪时，丹麦天文学家罗伊默曾经依据木卫食推算过光速，这次布拉德雷可以得出更准确的数值。结果表明罗伊默的光速值基本上是对的。光行差的发现不仅证明了地球是运动的，而且也提供了测量光速的另一种方法。
布拉德雷虽然没有发现恒星周年视差，但证明地球在运动的目的已经达到。由于恒星出人意料地遥远，恒星周年视差还得等一百年才被发现。
为了观测光行差，布拉德雷系统细致地给整个星空定位，在这一过程中，他还发现恒星的赤纬除光行差外还有一处微小的变化。这显然是地球自转轴有微小的周期性移动所致，他称之为地球的章动。1732年，他提出章动的原因是月球对地球各处引力不平衡造成地轴摆动。为了进一步研究章动问题，布拉德雷将自己的恒星观测精确到了2弧秒，在这样的精度内还没有发现恒星周年视差，足见恒星是相当遥远的。1748年，布拉德雷公布了自己多年来对恒星的观测资料，系统分析了光行差和章动现象。为此皇家学会授予他柯普利奖章。
1733年，布拉德雷测量了木星的直径，发现比地球直径大得多；1742年，哈雷去世，布拉德雷被任命为格林威治天文台第三任台长。据说，当国王准备给他提高薪水时，他拒绝了这一好意，他害怕皇家天文学家的薪水太高必导致许多投机钻营者觊觎，反而使真正的天文学家得不到这一职位。
总之，从光行差现象的观测结果来看，地球是从以太中穿行而丝毫不带动以太一起运动。为什么会是这样的呢？让我们从超流体说起吧。
当冷冻温度下降至2.2K时，液氦- 4中会突然出现一种十分奇怪的现象：一部分液体变得完全没有粘稠性，也失去了任何摩擦作用，这就是所谓的超流。
为什么是这样的呢？当液氦- 4在温度为2.2K以上时，液氦- 4与容器壁有摩擦力，当温度下降至2.2K时，部分液体变成了超流体而失去了任何摩擦作用，这是一个非常神奇有趣的性质。当液态He-4续降温时，在2.2K将发生一个相变，从He-I相突变成He-II相，这个He-II相就具有超流性。超流性指的什么呢？一旦液体进入超流相，其流动阻力突然降为零，而且可以从极细的管中快速穿过，最奇妙的一个性质是：它可以爬过烧杯壁流到外面去！
1938年，英国《自然》杂志同时发表了两篇文章，其中一篇是卡皮查在莫斯科写的，另一篇是艾伦(J．F．AⅡ。n)和米森纳(A. D. Misener)在剑桥写的。这两篇文章都描述了液氦的粘滞性测量实验。他们所用的方法与前人不同：让液氦通过很细的毛细管或两块平板之间的窄缝，测量它的摩擦力。所得到的结果是相同的：液体氦在流过毛细管或两块平板之间的窄缝时，几乎没有粘滞性。更令人惊奇的是，毛细管管径越细或平板间窄缝越小，液体氦通过得越快，即阻力越小。卡皮查给这个新现象起了个名字叫“超流动性”。超流的意思是指流体的内摩擦力（粘性）在低于λ点（比热最高点）温度时，趋于消失。在超流态，不但粘滞性异常低，而且热导率异常高。
液氦- 4在温度为2.2K以上时是有粘滞作用的普通流体，在温度为2.2K以下时则是没有粘滞作用的超流体。所谓的液氦- 4超流体，其实是氦- 4的温度在下降至2.2K时，其分子的作用范围大降低，分子体积也大大减小，分子之间的碰撞也必然随之减小，粘滞作用就自然而然地趋于消失。
同样的道理，以太的分子比超流液氦- 4的分子要小得多，因此以太也是超流体，以太理所当然地就不被物体带动了。许多网友为以太的带动问题争得不亦乐乎，这里就彻底地解决了这一问题。
由此可见，以太是超流体，这是与以前的以太不相同的，我们把它称之为新以太。
请注意，超流体液氦- 4 虽然不能被带作平动，但能被带作转动，这样就可以解释sagnac效应；同时，自由的新以太不能被带作平动，但被介质所束缚的新以太却能被带作平动。这样就可以解释斐索流水试验。上述这些内容还会详细介绍。
新以太还有许多与旧以太不同的性质，我们以后再慢慢论述。
[楼主]  [79楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/16 19:14 
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思维和创造性思维
周明星

（一）、什么是思维
1、思维的含义
我们经常见到刮风下雨，由于这些自然现象直接作用于感官，在我们的头脑中就形成了关于这些现象的感知觉。进而，我们的头脑对吹气、扇扇子、玻璃窗上结水珠、水管子“出汗”、壶盖上滴下水珠等现象也形成了感知觉，这就促使我们思考了：现象各异，若把它们联在一起，有没有共同的地方呢？思考的结果发现：它们都是空气对流的表现或水蒸气遇冷液化的结果。
这种发现说明，人的认识已经深入到事物的内里并把握了它们之间的因果关系，也就是认识上升到思维阶段。在认识过程中，思维实现着从现象到本质、从感性到理性的转化，使人达到对客观事物的理性认识，从而构成了人类认识的高级阶段。
思维是人脑对外界事物概括的间接反映，是认识的高级阶段，即理性认识阶段。它反映事物的本质和内部规律性。
2、思维的特点
思维具有两个特点，即概括性和间接性。
（1）、思维的概括性
思维的概括性，包含两层意思。
①思维能揭示一类事物所特有的共性并能把它们归结在一起，从而认识该类事物性质及其与它类事物的关系。
比如，凭借思维，人可以把外形、品种不同的但都能结出苹果的树木，归为一类，称之为“苹果树”；依此下去，把所有能结果子的树归为“果树”；，把能结果子和不能结果子的树木，依据它们都有根、茎、叶等共性合为一类叫做“树”；把树、草、地衣、青苔等归为一类，称之为“植物”；把“植物”和“动物”归结为生物；把生物和非生物（无机物）归结为自然界；把自然界和人类社会归结为客观世界；最后，把客观世界和主观世界（精神）归结为整个世界；
②思维能从部分事物相互联系的事实中，揭示普遍的或必然的联系。并将其推广到同类的现象中去。
比如，凭借思维，人们可以认识存在于植物、动物、人类之间的生态平衡关系；可以认识当今地缘结构与古地质时代的地壳漂移的关系；可以认识脉搏、体温、生物电、血液成分等的变化与人类健康状况的关系；等等。这种概括，促使人们认识外界事物的内在规律性，为人类的生存和发展服务。
（2）、思维的间接性
思维的间接性就是思维对感官所不能直接把握的或不在眼前的事物，借助于某些媒介物与头脑加工来进行反映。
思维的概括性和间接性是相互联系的。人们首先在感知觉提供的感性材料的基础上，概括出事物的本质、特性和规律性联系。接着，凭借这些概括性反映，对不在眼前的或感知觉没有能力直接把握的事物进行间接的推断，从而达到更为深入的认识。
（二）什么是创造性思维
1、创造性思维的含义
所谓创造性思维就是大脑皮层区域不断地恢复联系和形成联系的过程，它是以感知、记忆、思考、联想、理解等力为基础，以综合性、探索性和求新性为特征的心智活动。通俗地说，创造性思维乃是多种思维形式（包括种类和类型），特别是形象思维与辩证思维的高度结合。创造性思维使人能突破思维定势（即思考问题时的一种比较固定的想法）思考问题，从新的思路去寻找解决问题的方法，思维具有导演的灵活性。为了理解这一定义，必须注意如下几点：
（1）、创造性思维既包括各种类的思维，也包括各类型的思维。思维种类是以思维的本质属性为标准来划分的，一般都把它分为动作思维、形象思维、形式思维和辩证思维四种。思维类型是以某种思维或某种思维方式在某人生活中占主导地位或绝对优势为标准来划分的，这样可以有许多不同的类型，如形象思维型、抽象思维型、分析思维型、综合思维型、求同思维型、求异思维型、创造思维型及再造思维型等。如此可看出创造性思维的复杂性，并可成为分析创造性思维的成分。如果把思维种类与思维类型混淆起来，就会妨碍我们对创造性思维问题的思考。
（2）、创造性思维是复杂的高级思维过程，但它不是脱离任何其他思维的另一种特殊的思维。
（3）、创造性思维是多种思维有机结合的产物，而绝不是多种思维机械相加的结果。
（4）、创造性思维固然有它独有的活动规律，但它也必须遵循其他思维活动的规律。
2、创造性思维的主要特征
（1）、积极的求异性
创造性思维是一种求异思维。这个特征贯穿于整个创造性活动的始终。它往往表现为对司空见惯的现象和已有的权威性理论持怀疑的、分析的和批判的态度而不是轻信和盲从。求异思维在质与量、深度与广度上要求集中性思维与发散性思维辩证统一。集中性思维是发散性思维的出发点与归宿；发散性思维以集中性思维为中心，扩及各个方向，通过不断的思想反馈，集中到解决问题的最佳方案上来。因此，高度的集中和灵活的发散有机结合，是创造性思维活动的必备品质。
（2）、敏锐的洞察力
观察是知觉和思维相互渗透的复杂的认识活动。在观察过程中，不断地将观察到的事物与已有的知识或假设联系起来思考，把事物之间的相似性、特异性和复杂现象进行比较，发现事物之间的必然联系。因此，进行创造性思维必须具有敏锐的观察力。
科学家之所以能够从特异现象中发现新的必然联系，是因为事物在运动、变化和相互作用的过程中出现的特异性和偶然性往往反映了事物间多种必然性的交叉。
（3）、创造性的想象
创造性思维自始至终伴随着创造性想象。它不断地改造旧表象，创造新表象，赋予抽象思维以独特的形式。诚然，想象难免带上种种主观臆测、虚假和错误的成分，但它却是
由感性认识上升到理性认识必不可缺的环节。如牛顿看到苹果落地后产生了丰富的想象：苹果为什么会落下来呢？在山顶上把一颗炮弹平射击出，炮弹发射速度的大小与落下的距
离成正比。假如发射速度相当大，炮弹就可能不落在地球上，而绕着地球飞转，像月亮一样。月亮又为什么不飞离地球呢？看来一定是它和地球之间存在着一种互相吸引的力量。牛顿正是运用了创造性的想象，填补了从苹果到万有引力之间的空间，从而总结出了万有引力定律。
（4）、独特的知识结构
一切科学的新进展都是建立在已有知识的基础上的，而创造性思维的成果又意味着对已有知识的突破和创新。因"此进行创造性思维和掌握知识有着密切的关系。一般来说，一个人掌握的知识越多越有利于创新，但知识与创造力又不是绝对成正比例的。因为创造为构成因素很多，不只需要知识为其提供确定的内容，也需要知识上升为思维因素与智力因素。否则知识就会成为死板的、凝固的、束缚创造力的东西。一般说来，良好的知识结构包括扎实的基础知识、精深的专业知识、广泛的邻近科学知识以及关于科学技术发展新成就的新知识。
（5）、活跃的灵感
灵感是一种综合性的突发心理现象，是人脑中最优越的功能。是加工处理信息的最佳心理状态。例如，看到鸟在空中飞，就会想到造飞机；看到鱼在水中游，就会想到造船。
（三）、良好创造性思维素质的标志
人的素质，一般是指人的思想素质、思维素质、知识品质和行为品质。对人进行素质教育，就是使这些优良品质在人的个体身上素质化和机能化，使之成为个人所具有的东西，成为“把人引到深处的东西”。创造性思维是十分重要的，良好的创造性思维素质一般具有以下几个标志：
1、积极探索、自强不息的精神
对学习来说，尤其要有积极探索、自强不息的精神。这种精神的获得，首先要明确探索的目的，正确认识其意义，把探索与为祖国争光、国家前途和富强、建设社会主义结合起来。
2、不甘落后、竞争向上的决心
在学习上暂时有困难，在前进的道路上暂时落后的情况是肯定会有的。我们应该认识到，学习上的困难是暂时的，一定能克服，虽然一时落后但不甘心落后，就不会永远是学习的弱者！要在思想上战胜落后。
3、勤于思索、善于思索的习惯
勤于思索、善于思索是人的思维素质的主要表现。思维正确，意味着能如实地认识客观世界，揭示客观世界的规律，能接受和形成科学的世界观和方法论。我们要勤于思
索、善于思索，并养成习惯。学习有了这种习惯，就有下面三个突出表现：
（1）、能用推理思想叙述知识发生过程；
（2）、能用迁移思想学习前后连贯的新知识；
（3）、能有根据有条理地思考问题。
4、强烈的内驱力，自觉填补知识空白
人的学习实质上是不断完善自己。人有很多的知识空缺，人在成长过程中，会逐渐形成一种内驱力促使自己不断去学习，以填补认识空缺，形成一种爱学习的内驱力。内驱力越强，学习就越有劲。对问题能自觉强烈地不断探求并最终求得完满的解决，这是具有强烈的思维内驱力的表现。
5、形成合理灵活的计算方法和解题思路在解题和计算时，应根据具体情况，选用简便解法或算法，合理、灵活地进行计算，以利于培养思维的敏捷性和灵活性。在课堂学习中，认真进行扎实、合理、灵活和多变的思维训练，就能形成合理灵活的计算方法和解题思路。
 [80楼]  作者:刘武青  发表时间: 2009/04/16 21:58 
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支持写下去

※※※※※※
刘武青
[楼主]  [81楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/17 16:05 
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谢谢武青老庚！

三、以太对光呈固体
前已述及：从十九世纪末到二十世纪初，人们深刻地研究了“以太”和物体运动的关系后得出这样的结论：从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从斐索流水试验的结果来看，物体是部分带动“以太”；但是从人们精心设计的迈克尔逊——莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动。于是迈克尔逊——莫雷试验的零结果无情地否定了“以太风”。人们认为，既然没有“以太风”，那当然也就没有“以太”了。虽经当时杰出的物理大师们绞尽脑汁，仍然无法解决这一矛盾。最后只好依依不舍而又无可奈何地抛弃了“以太”。
既然新旧以太都是地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”，那么新旧以太不是都要被迈克尔逊——莫雷试验的零结果所否定的吗？新以太又有什么意义呢？其实不然，这是因为新以太有一个新的特性的缘故。这个新特性就是以太对光呈固体。
说来话长。人们总是这样认为，物质可分为固体、液体和气体。固体就是固体，液体就是液体，气体就是气体。它们永远是不会变化的。这是人们的“常识”。但是这一“常识”只是在一定的条件下成立。也就是只对运动不快不慢的“通常”情况下才成立，在运极慢或极快时可能是不成立的。比方说，人们一定会认为冰是固体。冰川虽都是些巨大的固体冰块, 但却像个站不稳的巨人．在重力作用下, 由高向低缓慢流动,阿加西斯把它比作缓缓流动的河流，或者是冰川。冰川的流动速度一般每昼夜在１ 米以上。快的能达到每昼夜２０米。目前创下流速最高记录的是北美洲北部阿拉斯加的黑激流冰川。１９３６年１０月它的流动速度竟达到每天６０米。我国流动最快的冰川是念青唐古拉山北段的阿扎冰川, 年流速约３００米。人们通过对冰川的研究发现，经过漫长的历史时期，冰川也可一泻几千公里呢！固体的冰川在漫长的时期中实际上是一种流体。所以说冰是固体的说法对于运动极慢的以漫长的历史时期为单位来计量当然是不对的！
无独有偶，同一种介质水对低频的声波呈流体，但对高频的超声波却呈固体。请看科技日报2006年12月18日有一篇报导：
通常情况下，声音在水中的传播速度为1450米/秒，但20年前人们惊奇地发现，当声波频率达到几个T（T是国际单位词头，表示10的12次方）赫兹时，这一频率下的超声波在水中的传播速度竟是上述的2倍多。多年来，科研人员试图通过建立各种模型来揭示这一问题的本质，但都未获得成功。不久前，意大利物理学家通过实验最终以高弹性介质理论成功地解释了这一现象，解决了困扰物理学20年的难题。该项研究成果发表在近期的《物理学评论快报》上。
目前，科学家用两种理论来解释超声波在水中的高速传播。第一种是高弹性介质理论。该理论认为，超声波的频率越高，水的弹性越高并更难移动，成为一种高弹性介质，超声波在这种介质中的扩散就像在固体中传播一样，而声音在固体中的传播要比在液体中快得多。
第二种理论认为，水是由极轻的氢离子与极重的氧离子交织组成的二元介质，在两个重量相差很大的二元介质中，经常存在一种特殊形式的超声波，该超声波的传播只在氢原子网中进行。由于该理论在二元气介质和金属合金介质中都得到了验证，因而认为超声波在水中的高速传播的现象适合这一理论。
虽然上述两理论对超声波在水中高速传播现象的解释相一致，但在解释超声波由正常传播到高速传播的过渡方面却完全不同。意大利物理学家的实验成功解释了这一现象。
进行这样的实验非常困难，因为，目前科学家还没有研制出能产生实验所需高频超声波的设备。为此，研究人员利用间接的方法来测量超声波的速度。在实验中，研究人员用中子流或者X射线辐射水。它们与水分子发生作用，在微小区域产生高速振动，同时发生能量与频率的传递。根据能量与频率这两个数据就可以间接计算出声音的传播速度。
在研究光波与紫外光子的散射过程中，研究人员观测了频率从1G（G也是国际单位词头，表示10的9次方）赫到100G赫范围内声音的传播，首次得到了该频段声音传播速度的资料。实验准确表明，在逐渐增大频率(或者降低温度)的情况下，声音的传播速度也逐渐偏离『正常』速度，开始增大。将实验数据与上述两个理论对比后，研究人员认为，高弹性介质理论是正确的，二元理论则不成立，从而在实验上成功解释了超声波在水中的高速传播现象。
也就是说，意大利物理学家已证明的超声波高弹性介质理论认为，超声波的频率越高，水的弹性越高并更难移动，成为一种高弹性介质，超声波在这种介质中的扩散就像在固体中传播一样，声音在固体中的传播要比在液体中快得多。
为什么是这样的呢？这是由于介质对它所传播的波是呈现固体还是流体与波对介质的作用速度有关，流体介质对波是呈现流体还是固体，主要是决定于波与介质的作用时间长短，速度较慢的波对介质的作用时间较长，介质对波呈流体。速度很快的波对介质的作用时间很短，介质还没有来得及流动，波已经传播过去了，介质对波当然就呈固体了。这种情况有些象用耳机去听高音频率的无线电等幅信号，因为无线电等幅信号的频率太高，耳机中膜片因惯性大，一个方向的力没有来得及使它振动，马上就受到一个大小相同方向相反的力，耳机膜片就象一块固体一样根本不会振动。
我们可以这样来类比：把光比作超声波，把以太比作水，水对频率达几个T赫芝的超声波呈固体，以太对频率达几千个T赫芝以上的光呈固体。
由于介质对它所传播的波呈现固体还是流体与波的频率和速度都有关，对于水中的超声波而言，由于速度慢，频率成为很关键的；但对于以太中的电磁波而言，由于速度极快，频率就成为无所谓的了。
总之，地球绕日运动速度较慢，周期特长，频率特小，以太对地球呈很稀薄的流体，但光的速度特快，频率特高，所以以太对光呈固体。
以太对光呈固体的性质是非常重要的，它可以对迈克尔逊——莫雷试验的零结果进行新的解释，从而不会产生光行差现象与迈克尔逊——莫雷试验的结果的任何矛盾而否定以太。这些，我们下次再作详细论述。


[楼主]  [82楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/18 17:18 
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警觉•洞察•远见——物理学家建立假说的艺术
物理学家建立假说，以解释已知、预测未来，这类似于生活中的猜谜，因而人们通常又把假说称为猜想。猜谜是有技巧的，平庸的猜谜者只能肤浅地理解谜面，表面化地看问题，所得结论总是与真正的谜底相去甚远。而高明的猜谜者则能很快地抓住问题的本质，迅速在谜面和谜底之间建立起实质性的联系，从而准确无误地揭开谜底。物理学家面对的是大自然这个变幻莫测的制谜高手，所要揭开的是扑朔迷离的物理之谜。长期以来，一代代物理学家不屈不挠，逐渐探索出一套建立假说的基本方法，而一些伟大的、天才的物理学家，更是把这些基本方法创造性地应用到实践之中，使其达到了艺术的审美高度，闪耀出艺术的光辉。
我们说物理学家建立假说具有一定的艺术性，那是由于他们在实践中表现出了独特的创造个性和思维风格，巧妙而机智地透过现象发现本质。考察物理学家建立假说的过程，其艺术性主要表现在敏于发现问题、善于解决矛盾、敢于突破旧理论、勇于接受新观点等方面。
1．敏于发现问题
爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。”显然，要提出问题，首先是能够发现问题。以敏锐的洞察力从复杂的物理世界中发现有价值的问题，是许多优秀物理学家独特的心理品质和艺术魅力，也是他们建立假说的前提条件。
其一，于“司空见惯”中捕捉问题。虽然我们每天所面对的大自然中的现象是丰富多彩的，但却并不能引起我们的惊异，这是因为这些现象对我们来说太熟悉了。一切都是应该如此，一切都是那么正常，还需要再去思考和设问吗？认为熟悉的就是已经认识的，是人类思维方式的一大缺点。事实上，我们对许多十分熟悉的事物和现象的了解是相当肤浅的。而优秀的物理学家总能在最不是问题的地方发现问题、提出问题，进而建立假说、解决问题。
白天黑夜，昼夜交替，这是人们最熟悉不过的天文现象，连小孩也知道。但是，1721年，英国著名天文学家哈雷却提出了令人发笑的问题：“夜色为什么是黑的？”他认为这是一个值得研究的问题，并不像人们所认为的那么简单。1744年，端典天文学家斯诺再次提出同样的问题，并提出自己的解释。到了1823年，德国天文学家奥尔伯斯又一次提出这个问题。奥尔伯斯为了计算天空背景的亮度，在当时的宇宙观理论框架下提出了4条假设：①空间是无限的，恒星在不同程度上均匀分布于其中；②时间是无穷尽地流逝的，无论在多么遥远的过去，宇宙空间都充满着恒星，而且平均来说，它们的光度没有什么变化；③光的传播规律在整个宇宙空间都是一样的，就像日光在我们的房间里传播的情形一样；④宇宙作为整体来说，没有大尺度的、系统的运动，即宇宙从大尺度来看是静态的。以这四条假说为基础，奥尔伯斯通过计算得出结论：无论在哪个方向上，从地球上看到的天空都应该是无限亮的，不但黑夜根本不存在，而且整个地球都会燃烧。显然，这是与事实明显不相符的。因为地球夜色的确是黑的，白天也没有无限明亮，地球更没有燃烧。由于推导和预言与事实明显矛盾，人们一时又无法确定问题的症结所在，故而将其称为“奥尔伯斯佯谬”。
“夜色为什么是黑的”这一看似简单的问题的提出，极大地推动了宇宙学的发展，成了宇宙学研究中的一个重大课题；甚至可以说100多年来，宇宙学的基础理论都是围绕这一课题展开的。对这一课题的研究导致了一系列宇宙模型的建立，最终促使现代宇宙学理论诞生。
其二，于“稍纵即逝”中捕捉问题。与我们司空见惯、习以为常的普遍现象相对的是那些难得一见的、稍纵即逝的特殊现象。由于这类现象产生的条件苛刻、出现的频率极低，所以人们对它们缺少应有的研究和认识。但是，这类现象往往携带着相当重要的物理信息，蕴含着极为深刻的物理内容。许多优秀的物理学家都善于抓住大自然的这一闪念．捕捉问题建立假说。作为解剖学教授的伽伐尼，抓住一个纯粹偶然的机会，发现当解剖刀尖碰到青蛙腿上暴露的神经时，蛙腿猛地抽动了一下。对电学十分感兴趣的伽伐尼没有放弃这一偶然的现象，而是立即把它与电流联系了起来。又经过一系列的相关实验，伽伐尼建立了“生物电”假说。尽管这一假说后来被证明是错误的，但伽伐尼关于蛙腿的收缩本质起因于电流的认识却是正确的，并且这一假说开创了电磁学研究的新局面，成为电磁学发展历史上的重要里程碑。
今天，我们知道不同金属的接触形成了电源，而蛙腿的抽动是由于电流作用于神经引起的。显然，这个现象需要几个条件都具备才有可能发生，机会是很少的。而作为这一现象的发现者，有的见怪不怪，引不起兴趣，任其从自己的鼻子底下溜走了；有的则可能虽然惊奇，但又仅止于掠奇，而不去深究其原因。而伽伐尼不仅重视了这种现象，并且变换条件做了一系列的实验，然后建立了自己的假说，对这一现象的原因作出自己的解释。
其三，于“出乎预料”中抓住问题。自然界中正在发生和将要发生的现象，许多是我们能够预料的，这些现象的产生条件、发展趋势和最终结果都可以按照人们的要求加以控制。但是，自然界里总有一些现象的发生超出了我们的预料，与人们的预期相径庭。正是这类现象扩大了人们的视野，加深了人们对大自然的认识，推动了科学的发展。当某个出乎预料的现象摆到人们面前的时候，许多人是茫然无措，甚至回避，更有人怀疑是自己的感觉出了问题，把本来正常的现象看做是不正常。而优秀的物理学家却能够从出乎预料的现象中抓住问题，揭示出现象的本质。
1908年，卢瑟福开始定量地研究放射现象。1909年5月的一天，盖革十分激动地对卢瑟福说：“我们已经能使一些粒子反向了……”这一现象完全出乎卢瑟福的预料，使其大为吃惊。正如卢瑟福自己写道：“这是我一生中从未碰到过的最难以置信的事，就好像你对准一张薄纸发射了一发15英寸的炮弹，它竞被弹了回来并且打在了你自己身上。”面对这一突如其来的现象，卢瑟福进行了异常冷静的深入思考，断定大角度散射一定是一次碰撞的结果，而要发生这种碰撞，原子必定有一个集中了所有正电荷和几乎所有质量的中心，即原子应该有核。这就从根本上否定了汤姆逊的原子模型，为提出了原子有核模型的假说打下基础。
2．善于解决矛盾
解决矛盾是物理学家建立假说的基本出发点。历史告诉我们，在物理学的发展历程中，哪个时期出现的矛盾越多，则那个时期物理学的发展就越迅速，而且矛盾越尖锐，越难以解决，越可能导致物理学的重大突破和变革。每当物理学的发展处于尖锐的矛盾或深重的危机之中时，总会有伟大的物理学家应运而出，以科学的假说解决矛盾，推动物理学的进展。
20世纪的前四分之一的时间，物理学获得两大突破：一是相对论的发现，另一是量子力学的建立。相对论在高速问题上发展了牛顿力学，量子力学则在微观问题上发展了牛顿力学。二者沿着各自的轨道向前发展，均获得了极其辉煌的成果。而如何将二者结合起来，是20年代末摆在物理学家面前的重大课题。1928年1月初，狄拉克得出后来以他的名字命名的“狄拉克方程”。这一方程把20世纪两大新兴的物理学分支——相对论和量子论紧密地结合了起来，使原先各自独立的重要事实统一了起来，使原先人为的假说和经验公式成为方程的必然推导结果，因此蕴含着极为深刻的物理意义。但是，这个方程也存在着一个十分明显的问题，这就是负能态解的出现。根据基本方程计算，允许电子的能量为负值，而且负值没有下限，这样，任何有正能量的电子都可以无止境地落入这个负能的“无底深渊”而无限地释放能量，也就是说，所有普通电子都无法存在了。这个结论显然是与事实相矛盾……
若要回避矛盾，只需像解方程中舍去负数解那样排除负能态即可，但这却要以损害方程的完美性为代价；而若要保持方程的完美和谐，就必须正视矛盾，承认不可思议的负能态的存在。狄拉克勇敢地选择了后者，提出了一种异乎寻常的假说。他认为，“真空”并不是一无所有，而是充满了负能量的电子，形成了一个负能电子的“海洋”。由于所有负能值都被占满，根据泡利不相容原理，正能量的电子不会落入负能电子的“海洋”。但是，如果负能态上真的填满着电子，只要有足够的能量传递给这些电子，它们就会跃迁到空着的正能态上。而负能态上因跑掉一个电子而留下一个空穴，这个空穴就相当于出现了一个电荷、磁矩与电子相反，质量、自旋及其他性质与电子一模一样的粒子。狄拉克称这种粒子为正电子，并进一步预言了正电子的种种性质以及正负电子对的产生和湮灭。狄拉克的假说以正电子的存在为核心，因为只有正电子真的存在，才能谈得上用它来消除“负能困难”，才能谈得上负能电子的“海洋”及其他推论。所以，这一假说又可称为“正电子假说”。
1932年，安德森发现了正电子，证实了狄拉克假说。正电子的发现轰动了物理学界。它不仅使困扰人们的“负能困难”得到了解决，而且是人们发现的第一个反粒子，开创了粒子物理研究的新领域，成为粒子物理学的重要里程碑；同时，也使人们看到大自然在电荷符号的分配上是对称的，使人们从一个崭新的角度体会大自然的对称、和谐之美。这一事例也告诉我们，许多看起来十分矛盾的现象，实际上蕴含着深刻的统一与完美。只看到矛盾，其实是只看到事物的表面，而回避矛盾、放弃矛盾，就不可能获取用矛盾包装的真理之果。只有正视矛盾，以独特的方式去揭示矛盾，才能使不可能成为可能，使难以置信成为令人信服。这正是伟大物理学家解决矛盾、建立假说的艺术魅力所在。
3．敢于突破旧理论
客观地说，任何理论都有一定的适用范围，即真理是相对的。但是，一个理论一旦确立并取得一定的成功之后，人们又总是热衷于追求其普遍性和永久性，希望某一理论能够永远正确地解释一切有关现象。而由于实际条件上的满足，在许多情况下，人们长期在某个理论客观上的适用范围内活动，使得人们可以容易地找出充分的例证来证实某一理论，而不发生例外。这就很自然地使人们认为某一理论是常胜的、永恒的。但是，随着科学的发展，人们的活动领域不断扩大，总会进行超出某理论适用范围的活动，从而产生与理论相悖的反例。面对新的事实，旧理论的维护者总是试图把它纳入原有的理论体系，而对事实作出面的、歪曲的解释，并对超出旧理论的解释加以指责和攻击。可见，突破旧理论是需要智慧和胆量的。
物理学的发展历史告诉我们，物理学的每一次重大进展，都是突破旧理论的结果，而伴随每一次的突破，都有几颗璀璨的明星跃升到物理学的上空。这些杰出的物理学家，在物理学发展的关键时刻，能够以高度的警觉洞察新事实的本质，发现旧理论的局限与不足，以无畏的气概，跳出旧理论的窠臼，建立科学的假说，给新事实以全新的解释，开辟新的领域，开拓新的世界。
守恒量和守恒定律是物理学中非常重要的概念，它使得看起来杂乱无章的自然变化呈现出简单与和谐，它能对运动的范围作出严格的限制。由守恒定律的前提出发，可以演绎出许多重要的结论。例如，从能量守恒定律出发，可以推知第一类永动机不可能。在物理学的发展中，人们发现了许多守恒定律，如能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷守恒等。1927年，美国物理学家维格纳在研究基本粒子的对称性时又提出了宇称守恒定律。宇称是指基本粒子的一种左右对称性，即粒子的运动规律与它的“镜像”粒子所满足的规律性是一致的。每种基本粒子都有自己的宇称值，宇称值又可分为正宇称和负宇称。按照宇称守恒定律，粒子相互作用形成新粒子时，反应式两边的宇称必须相等。这一定律在原子光谱分析、原子物理学、核物理学和粒子物理学的许多情况下获得应用和验证，使人们相信它是普遍成立的规律。
1954～1956年间，人们对最轻的奇异粒子衰变过程进行研究，对一种衰变成2个π介子的粒子称为θ介子，而对一种衰变成3个π介子的粒子称为r介子。精确的测量非常明确地显示出θ和c介子的质量、电荷和平均寿命等都相同。但是，对衰变结果的分析表明，当r介子衰变为3个π介子时，这3个π介子的总角动量为零，宇称为负；而当θ介子衰变为2个π介子时，如果2个π介子的角动量为零，则宇称只能为正。所以，从质量、电荷和平均寿命来看，θ与τ应该是同一种粒子；而就衰变行为看，如果宇称是守恒量，则θ与r应是截然不同的两种粒子。这就是旧理论无法圆满解释的“θ-τ之谜”。
问题出现以后，许多人受旧理论的束缚，不愿放弃宇称守恒观念，极力设法寻找θ粒子和τ粒子之间的不同，以证明它们是不同的粒子。但这些努力都失败了，物理学家们陷入迷惘之中，物理学的发展又一次处在了关键时刻。
1956年夏天，美籍华人杨振宁、李政道经过深入的研究和思考，突破旧的观念，提出弱相互作用中宇称不守恒的假说。他们在美国《物理评论》上发表了题为《弱相互作用中宇称守恒的问题》的文章。文章指出：虽然强相互作用中，宇称守恒的证据是强有力的，但在弱相互作用中，以往的实验对宇称是否守恒都不能给出肯定的回答；弱相互作用中，宇称也是守恒的，只是长期以来物理学家们一厢情愿而已。
杨振宁、李政道的假说提出后，绝大多数物理学家持否定态度，他们根本不相信宇称竟会不守恒。被公认为物理直觉异常敏锐、在量子物理发展中几乎是战无不胜的泡利对此更是激烈反对。他在给朋友的信中写道：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我愿出大价和人打赌……我看不出有任何这样的理由认为镜像对称会与相互作用的强弱有关。”泡利预言宇称守恒绝不会被破坏，他试图像以中徽子假说挽救能量守恒定律一样，试图再次挽救宇称守恒定律。
面对种种反对、怀疑、非难和指责，杨振宁和李政道没有退缩，他们提出用实验来检验假说究竟是否正确，并为此设计出了具体的实验方案。实验的重任由美籍华人物理学家吴健雄勇敢地承担了起来。1957年1月15日，哥伦比亚大学举行新闻发布会，著名物理学家拉比宣布吴健雄等人的实验明确无误地证实了在p衰变中宇称是不守恒的，这就无可辩驳地证实了杨振宁、李政道的假说。以后的许多实验都毫无例外地证明，在弱相互作用中字称是不守恒的。杨振宁、李政道的这一发现，极大地加深了人们对守恒定律的理解，有力地推动了粒子物理学的发展。
4．勇于接受新观点从杨振宁、李政道发现弱相互作用中宇称不守恒的过程可以看出，冲破旧的理论束缚、建立新的观点是何等的艰难。但是，科学的发展就是一个不断否定的过程。任何一种学科，如果总是死守原有的理论而无所突破，那么这种学科就失去了生命力。每一种理论不仅有一定的适用范围，而且有它的时效性；随着科学的发展，旧理论总要被新理论所包容和代替。
在物理学的发展过程中，一种新的观点在冲破旧理论的束缚被提出来后，总会受到保守势力的反对和围攻。但是，从另一方面我们也看到，这些新的观点也总会得到一些有远见的物理学家的赏识和支持；更有一些物理学家能够勇敢地接受新的观点，并对新观点进行修订补充和发展，使其尽快地由假说转化为理论。
1911年，卢瑟福根据实验数据提出了原子的有核模型。尽管这一模型被实验证明是正确的，但在理论上它却存在着不可克服的致命缺陷，这就是无法解释原子的稳定性问题。作为当时最伟大的物理学家之一的卢瑟福，自然知道自己假说的不足之处，但他能够果断地、义无反顾地提出了这一假说，这正体现了卢瑟福的勇气和胆略。
当卢瑟福的模型被普遍怀疑而备受冷遇的时候，玻尔已经敏锐地认定原子的有核模型是正确的，并勇敢地接受了卢瑟福的观点，决心解决卢瑟福模型所遇到的困难。1913年，玻尔先后在英国《哲学杂志》上发表了《论原子和分子结构》“三部曲”。在这三篇划时代的论文中，玻尔抛弃了麦克斯韦的电磁理论，大胆地吸收普朗克的量子观点，提出定态跃迁原子模型，解决了原子的稳定性问题，补充并发展了卢瑟福的模型。
玻尔理论提出了一个动态的原子结构模型，揭示了光谱线与原子结构的内在联系，指出分析光谱是研究原子内部结构的重要途径。玻尔理论的一个重要推论是非常精确地（精确度达万分之二）推出了多年令人不解的里德堡常数。但是，玻尔理论在公布之初，仍然受到大多数人的怀疑和反对。而卢瑟福和爱因斯坦等物理学家则对此十分重视和赞赏。在一次学术会议上，当有人介绍完玻尔理论后，持反对态度的劳厄直言不讳地说：“这完全是胡扯！麦克斯韦方程在一切情况下都是成立的。”当时在场的爱因斯坦听了劳厄的发言后，立即站起来发表意见：“你可注意！在它后面一定有点玩意的。我不相信里德堡常数绝对值的推导是完全靠运气。”劳厄和爱因斯坦当时都已是世界最有名气的物理学家，可见由玻尔理论而引发的争论是多么激烈。
玻尔理论的重大胜利之一是成功地解释了匹克林谱线系，这使胜负的天平开始向玻尔一边倾斜。1914年，当弗兰克和赫兹的实验为玻尔理论提供了最直接的实验验证时，玻尔理论取得了最终的胜利。
但是，玻尔理论也有严重的缺陷：第一，它只能计算氢原子和类氢原子的光谱，对于稍复杂一些的原子就显得无能为力了；第二，即使对于氢原子，也无法计算出光谱线的强度；第三，它既不是一贯的经典理论，也不是一贯的量子理论，而是用某些特殊的量子规则取代无效的经典理论而拼凑起来的，所以理论结构本身缺乏逻辑性。
1916年，爱因斯坦以玻尔的原子结构理论为基础，深入研究了分子的吸收和辐射的过程，发表了题为《关于辐射的量子理论》的论文。爱因斯坦考虑了在温度为T时与辐射平衡的气体，认为在分子和辐射场之间不断进行着的能量交换下维持着分子分立能态的稳定分布。论文中论述了辐射的两种形式：自发辐射和受激辐射，并且讨论了光子和分子之间的两种相互作用：能量交换和动量交换。前者是激光的理论基础，后者是康普顿效应的理论基础。
爱因斯坦的工作，概括了量子论第一阶段的成就；普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的研究成果结合为一个合乎逻辑的整体。由于统计思想贯穿于其中，从而为量子论下一阶段的发展指明了方向。
——摘自《物理发现的艺术》
[楼主]  [83楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/19 09:08 
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四、迈克尔逊——莫雷试验新释
根据光行差现象，地球以30公里/秒的速度在静止的以太中穿行。据此，在地球上就能感受到“以太风”。就象在汽车前进时，头伸出窗外有风一样。人们千方百计企图测出“以太风”，并以此来证实以太的存在。
1887年，迈克尔逊（A.A.Michelson）用他所发明的一种空前灵敏的仪器——迈克尔逊干涉仪来测量地球相对于以太的 “以太风”。为了容易明白历史上原本的观点，我们简单地来介绍迈克尔逊—莫雷实验。
假定在一个段宽度为D的平直河道上有两艘小船A和B，河水的流速为u，两船相对于水有相同的速率V。船A从一岸横渡到正对岸然后返回出发点；船B平行于河岸向下游驶过距离D然后返回出发点。由于水流对两船的影响不同，用简单的中学代数就可以计算出它们所需的时间是不同的。
迈克尔逊—莫雷实验的设计思想类似于上述船在流水中运动的思路。在他们的实验中，固定在实验室中的仪器装置仿佛是“河岸”，漂移着的“以太风”类似于“河流”，相对于以太以恒定速率传播的光波相当于“小船”。于是，相互垂直的两束光往返于同样距离所需的时间差异，就是“以太漂移”的表现。具体的实验装置是这样的：用一面半镀银的半透镜子G 形成两束相互垂直的光束，其中光束A沿垂直于以太风的路径射向镜子A，光束B则沿平行于以太风方向的路径射向镜子B。整个光学装置使两束光反射后回到同一观察屏上产生干涉现象。
我们知道，如果两束光的光程一样，或者相差波长的整数倍，它们在到达观察屏时就有相同的位相，干涉的结果是形成最亮的明亮视场。如果光程差不是波长的整数倍，则这两束光在屏上有不同的位相，干涉的结果是强度发生变化。在实际的实验中，镜A和B不是完全垂直的，结果在光束中相邻光线的光程差稍有不同，以致在观察屏上出现明暗相间的干涉条纹。如果仪器中随便哪一束光的光程相对于另一束光的光程发生变化，则整个光束产生相同的位相变化，于是在两束光叠加的范围内干涉条件产生一致的变化，在观察展屏上显示出干涉条纹整个地移动。
如果水平方向的路径和垂直方向的一样长，那么两束光的光程是不是一样呢？如果假定光速在以太中才是c，那就显然不是的。因为，正如A、B两艘小船一样，两艘小船对于河水走过不同的路程，两束光在以太中所走过的路程也是不一样的，即它们应有一定的光程差。这个光程差确定了一组条纹的位置。现在如果将整个仪器装置转过90 ，则两路径A和B相对于假设的以太来说，地位互相交换，相应的二者的光程差也交替变化，结果屏上的干涉条纹会在仪器转过90 时发生移动。实际计算表明，如果“以太风”的速度是地球公转速率的数量级的话，由此引起的干涉条纹移动，应该是完全能够观察到的。因而迈克尔逊和莫雷期待能够用实验直接证明以太风是否存在，从而证明以太也存在。
但迈克尔逊—莫雷实验的结果却使当时的每一个人都感到惊奇，因为在实验误差范围内竟然完全没有发现条纹移动！一个严重的问题发生了，既然以太风不存在，以太当然也就不存在了！
迈克尔逊为实验的失败感到泄气，没有继续做这个实验。但是，瑞利和开尔文却认识到这个实验的重要性，一再鼓励和催促他进一步做实验，洛仑兹还具体提出了改进实验的意见。1887年3月6日迈克尔逊给瑞利复信说：“你的来信又一次点燃了我的热情，并促使我立刻开始这项工作。”其实，他早已同化学家莫雷（Edward W.Morley，1838-1923）合作于1884到1885年重复了菲索的实验，获得了精确的结果；他们对仪器进行了改装，在1887年7月，完成了现在闻名世界的实验。莫雷当时已很有声望，在物理、数学和实验方面也很有素养。在原来实验的基础上，莫雷提出了很多改进意见。他们的主要改进是：考虑了地球的运动对垂直臂光线路径的影响；经过八次来回反射，使光路长达十一米；将仪器的光学部分安装在很重的大石板上，再把石板浮于水银面上，使它可绕中心轴自由转动。于是，实验的精确度大为提高，根据计算，估计可以测得0.4个条纹移动。
但是，他们通过四天的观测，得到的结果仍然是零。在1887年11月发表于“美国科学杂志”上的报告中他们写道：
“实际观测到的干涉条纹的位移肯定小于预期值的二十分之一，或许还小于四十分之一。”
他们对这一实验结果感到十分失望，原来打算在不同季节继续实验的想法也取消了。但他们却因这个实验创制了一个精密度达到四亿分之一的测长仪器，于是他们就运用这套仪器转向长度的测量工作。
这个实验后来由不同的人在不同的季节和不同的地点多次重复过，结果总是一样：没有检测到“以太风”的存在。
1887年迈克尔逊—莫雷实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的。按照菲涅耳的静止以太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公里的以太风。“但是，与该结论相抵触的事发生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动”，因为迈克尔逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实验的结果可以保证是可靠的”，“无论在实验的设想方面或实施方面，我无法看出任何缺陷”。于是，从光行差现象的观测结果来看，地球是从“以太”中穿行而丝毫不带动“以太”；而从迈克尔逊——莫雷试验的结果来看，则地球又完全带动“以太”和它一起运动，因为只有这样才能产生迈克尔逊——莫雷试验的零结果，这样一对尖锐的矛盾就产生了。
请注意，洛伦兹对实验结果提出这样的问题：“在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？”迈克尔逊—莫雷实验的设想方面真的无法看出任何缺陷吗？非也！下面就从另外一个没有人注意的以太的物理性质方面来剖析一下。
迈克尔逊—莫雷实验的原理是把以太比作水，以太风比作水流，其中的垂直臂相当于A船的路线，水平臂相当于B船的路线，而光就好比小船。这种观点的实质是小船在水中流动，光在以太中流动。于是以太对光呈流体。
我们知道，只有流水才能带动小船，如果是静水呢，船当然不会被水带动。特殊地，如果流水结了冰，再把小船换成在冰上行走的小车，情况就完全不同了。这时无论是沿着垂直河岸方向来回还是沿着平行河岸方向来回，只要距离一样，所花的时间也就一样，于是二者的时间差和路程差也就完全一样。如果以太风对光而言也冻结成了“冰”，把迈克尔逊—莫雷实验转动90度，光在二者路径上传播时间差和路程差也就完全一样，光的干涉条纹当然也就没有任何变化，此时光就不随以太而流动。
从光是横波能直接推出以太对光呈固体的结论。因为传播横波的介质一定要切变模量才行，只有固体才有切变模量，从而对光来说，传播横波的以太一定是固体。因为流体没有切变模量，所以流体不能传播横波只能传播纵波。“以太风”显然是流体，因此“以太风”中是不可能传播光的。
以太为什么对光呈固体？这是由于介质对它所传播的波是呈现固体还是流体与波对介质的作用速度有关，主要是决定于波与介质的作用时间长短，我们知道，波是由连续不断的正负波形组成的。速度较慢的波的一个波形对介质的作用时间较长，介质对波呈流体。而速度很快的波的一个波形对介质的作用时间很短，介质受力后还没有来得及流动，正的波形已经传播过去了，而负的波形则产生了一个对介质大小相同方向相反的力。同样地，负波形已经传播过去了，正波形又产生了一个对介质大小相同方向相反的力。所以波连续不断地对介质产生了快速变化的大小相同方向相反的力，只要快速变化的时间短到一定的程度，介质受力后因惯性来不及流动，介质就永远也不会流动，这时介质对波当然就呈固体了。光正是速度和频率都极高的波，所以以太对光呈固体。
有了以太对光呈固体这一物理特性，就会对迈克尔逊——莫雷实验有新的解释。
迈克尔逊—莫雷实验实际上是一幅这样的图景：太阳仿佛是“河岸”，漂移着的“以太风”类似于“河流”，地球相当于“小船”。地球在以太中漂移。如果身处地球，则地球上不停地刮着“以太风”。
但以太对光呈固体，对光而言， “以太风”就类似于“河流”冻结成冰，在以太中以恒定速率传播的光波则相当于冰上的“小车”。
冰上的小车不象小船那样随水流动， 上面的A、B小船时间差的计算不再适用于小车。显而易见，A、B两束光，相对于地球以光速c传播，在迈克尔逊—莫雷实验装置的水平和垂直臂上不再有任何时间差，因为这两束光通过迈克尔逊—莫雷实验装置的水平和垂直臂上的时间都是D/c，从而转动仪器90也不存在任何光程差，干涉条纹当然不会有任何移动。
试验的结果证明：光对以太的“以太风”不存在，因为以太对光呈固体。但以太对地球和人等宏观物体仍然是非常稀薄的流体。地球上的“以太风”仍然存在，只是用迈克尔逊——莫雷实验根本不能测出这种“以太风”。
于是，光行差现象和迈克尔逊——莫雷实验不再有任何矛盾，迈克尔逊——莫雷实验只不过证明了光对以太的“以太风”不存在，而不是证明地球上的“以太风”不存在。于是是以太也就不能被抛弃，以太还是光明正大的存在着。
迈克尔逊——莫雷实验本身没有任何问题，问题是它的设计原理不对，以太对光不是呈流体而是呈固体。这个实验弄巧成拙，反倒有些象红楼梦中所说的“机关算尽太聪明，反误了卿卿性命”。
[楼主]  [84楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/19 16:50 
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类比——通向创新的桥梁
每当理智缺乏可靠论证的思路时类比这个方法往往能指引我们前进
——康德

在物理学上往往因为看出了表面上互推不相关的现象之间有相互一致之点而加以类推，结果竟得到很重要的进展。
——爱因斯坦，英费尔德

大自然的事物由于千差万别而显得丰富多彩，千差万别的事物之间又由于有千丝万缕的联系而显得和谐有序。事物的差异性要求我们在认识和研究事物及其运动规律时，要区别对待，使其各得其所。事物之间的联系性或同一性，则使我们在认识和和研究中，能以已知的事物为基础由此及彼地认识新事物、拓宽新视野、开辟新领域。
事物之间存在的相似性，是事物之间最基本的联系形式之一。天上的行云与地上的流水是形态上的相似；同性电荷相斥、异性电荷相吸与同名磁极相斥、异名磁极相吸是相互作用方式上的相似；两物体之间的万有引力F=Gm1m2/r2与两电荷之间的作用力F=Kq1q2/r2是相互作用数量关系上的相似；行星绕着太阳转与电子绕着原子核转是运动形式和位量关系上的相似……如此等等的相似性，在许多看起来完全不同的事物之间建立起广泛的联系，为我们认识未知事物提供了重要的线索。
人类在认识自然的长期探索中，以事物之间的相似性为前提，创造了类比的推理方法。这一方法为人们在事物由已知的相似性寻求更广泛、更深刻、更本质的相似性架起了一座桥梁，对于人们认识新事物、发现新规律有重要的作用，是人们进行科学思维、开展科学研究的重要方法之一。
在物理学研究中，类比的方法有着广泛而重要的应用，许多重要物理规律的发现都是直接或间接地应用了类比方法的结果。许多著名的物理学家都是由于机智而创造性地应用了类比的方法，才取得了举世瞩目的成果。著名物理学家汤川秀树在回顾提出介子理论过程中应用了类比方法时说：“……由于探索到类似性和本质的不同点，就能飞跃到另一个新阶段。但在这时，类推或模型作为飞跃的跳台也起了很大作用。我自己提出介子理论的最初阶段，也是因为把当时熟知的电磁力作了类推，而抓住了当时还不十分清楚的核力的本质。在那时候，开始就预想到两者具有相似点的同时，也应该具有不同点。像这样类推的思考过程若能把过去熟知的东西作为线索，对于发现和理解与其类似而性质不同的新事物是很起作用的。”（这里所说的类推即指类比）汤川秀树和许多杰出物理学家的科学实践都证明，类比的方法对物理学的发现和发展起着重要的作用。
一类比的概念从人类认识发展的历史看，正是由类比所包含的归纳与演绎成分分化成了归纳和演绎这两种最为重要的科学推理方法，从而极大地促进了科学的进步。而归纳法和演绎法的完善，又反作用于类比法。一方面，在类比之前，由归纳和演绎得到的科学原理为类比提供可靠的基础。另一方面，在类比之后，可用归纳和演绎法对类比结论进行理论论证和实验检验。由此可见，一个科学的类比，既融合了某一课题以前的归纳和演绎，又导致了进
一步归纳和演绎的开始。

类比的两个基本特征

(1)创新性特征。类比是从特殊到特殊的推理方法，即依据于两个对象的已知相似性，试图把一个对象已知的特殊属性或规律推移到另一个对象上去，而获得后一对象的新知识。在物理学研究中，人们总要不断解决新问题，开辟新领域，形成新理论。而这些新东西通常都没有现成的原理可供使用，所以只有借助其他对象或其他领域的科学原理通过类比来达到目的。
在演绎、归纳、类比三种逻辑推理方法中，演绎法只要前提正确，结论就一定正确，所以它是一种必然性的推理。但是，演绎法得到的结论，并没有超出前提的范围，即不能得到一般性原理，因而演绎法创造性较小。归纳法可以从大量事实中概括出一般原理，是富有创造性的方法。与演绎法和归纳法比较，类比法最富创造性。因为类比法一般应用于科学研究的某个起点上，所以研究对象的范围内没有相应的一般原理，受到的约束较少。而通过类比可以提出种种可能的新原理，供人们去探索和检验。类比法可以在很大的范围内，把看起来差别很大的两个事物联系起，提出种种猜想，启发人们去发现新的原理或规律。
1932年，查德威克发现中子不久，海森堡就提出原子核是由质子和中子组成的。“质子一中子”理论可以圆满地解释原子的质量数和电荷数，并可以圆满地解释同位素及放射性现象，还可以解释核子的自旋，所以这一理论很快就得到了公认。但是，是什么力把中子和质子约束在10-13厘米的尺度之内呢？首先，它不是电磁力，这很容易知道，因为中子不带电。其次，它不是万有引力，因为这种力只在10 -13厘米的极短范围内有效，一超出这个范围就立即消失，而万有引力（也包括电磁力）却可以传到很遥远的地方。再次，这种力比已知的电磁力和万有引力都大得多。因为在有的核中含有上百个质子和中子，把它们束缚在一起的力是足够大的。物理学把这种特别的、在经典物理中没有研究过的新力叫做核力。
问题的提出，就是解决问题的开始，许多物理学家开始了关于核力本质的攻关。1934年，日本物理学家汤川秀树，在接受其他物理学家及自己的失败教训后，提出一个大胆的假设，认为核力是质子和中子之间在交换某种粒子时产生的一种相互作用力。通过计算，他得到这种传递核力的粒子的质量大约为电子质量的200倍，并且它可以三种形式出现，即电中性、带正电荷或负电荷，带电量的大小等于质子的电量。由于这种粒子的质量介于二电子和质子之间，所以称之为“介子”。
汤川秀树提出介子理论的基本思路，应用的是类比的推理方法。当时的物理学家们已经非常清楚电磁力是通过交换光子而产生的，光子是传递电磁力的粒子。例如，质子和质子、质子和电子、电子和电子之间的电力作用，都是如此。那么，质子和质子、质子和中子、中子和中子之间的核作用，也应该由某种粒子来传递，这种粒子就是介子。汤川秀树通过类比这座桥梁把电磁力这种人们已熟知的相互作用和人们还完全陌生的核力联系了起来，并建立了核力的基本理论，开辟了一个崭新的领域。
汤川秀树用类比法建立起来的介子理论究竟是否正确呢，这需要事实来检证。1947年，英国物理学家鲍威尔利用照相乳胶技术由粒子的径途探测带电粒子，在宇宙射线实验中发现了一种新的粒子，经测算其质量约为电子质量的273倍，称为π介子，并确认这就是汤川秀树所预言的传递核力的媒介粒子，从而证实了汤川秀树的理论。
后来，人们又在加速器中成功地找到了人工产生的π介子，并精确地测定了它的质量、寿命以及与各种不同物质的相互作用。π介子有正、负和中性三种，带电的π介子寿命为2. 6×10-8秒，中性π介子的质量为电子质量的264倍，寿命为0.8×10-16秒。这些都与汤川秀树的理论预言相同，从而进一步证实了汤川秀树的理论。
汤川秀树通过类比建立起来的介子理论，开辟了一个全新的研究领域，对粒子物理学的形成和发展，起着极为重要的历史作用。
（2)或然性特征。类比的推理方法是把一个对象所具有的属性过渡给另一个对象，而这种过渡所依据的条件，一是两个对象的属性有一定的相似性，二是假定一个对象属性之间的相互关系也适合于另一个对象。显然，这两个条件在逻辑上都是不严格的。因为根据两个对象已知的部分属性相似来推断它们其他属性也相似，或者根据一个对象中属性间的相互关系来推断另一个对象中的属性间也存在同样的相互关系，都缺乏足够的理由。自然界的同一性，决定了事物之间存在着各种各样的相似。当我们已经知道两个对象之间的几个相似点之后，下一个很可能又是相似点。但是，自然界中的事物又总是各具特色的，当我们认识了两个对象之间的几个相似点之后，接下来的也可能正好是个差异点。由此可见，通过类比所得到的结论带有或然性，这是类比的又一个基本特征。
在物理学发展历史中，光的本性的研究和争论是一个长期的而富有戏剧性的过程，这一过程也生动地反映了类比推理的或然性特征。1704年，牛顿在他的著作《光学》中，用比较的方法否定光的波动性进而建立微粒说。牛顿指出：“死水表面的波，在其部分被宽阔的障碍物所阻时它就沿着障碍物的边缘弯曲并在障碍物后面逐渐地自行散开而成为静水。传声的空气波、脉冲波或振动波显然也会弯曲，虽则没有水波那样多。因为一个钟或一个炮可以在隔断该发声物体视界的一座山之外听到，声音之通过曲管与通过直管一样快。但从来没有人认为光能曲行，也没有听说光能弯曲成影。”在这里，牛顿紧紧抓住光与声的差异性，否定了光与声相似的波动性。如果说牛顿的比较法也是一种类比的话，那么，牛顿的类比是以差异性为前提的。牛顿的时代，人们对光和声知识比较的基本上是差异性：

声：不能通过真空，媒质具体明显具有弯曲能力声速低，易测量，发声机理清楚

光：能通过真空，媒质神秘明显具有直进特点光速高，难测量，发光机理不清楚

所以，从差异性的前提出发，得到差异性的结论：声音是一种波，而光一定不是波。由此，牛顿得出结论：“难道光线不是发光物质放射出来的非常之小的物体吗？因为，这样一类物体可以直线通过均匀的媒质，而这正是光线不会弯曲成影的本质。”这就是微粒说的基本观点。从微粒说的观点出发，可以轻易地解释光的直进、反射等最常见的光学现象，并且能导出光的折射定律的数学表达式，从而构成了几何光学的基础。这些成功之处，加之牛顿的声望，光的微粒说自然占据了主导地位。但是，微粒说却也存在着难以克服的困难，如无法回答一个极其简单的问题：如果光是微粒波，那么在光束相交时，为什么不因为微粒的相互碰撞而发生光的散射呢？为什么微粒流仍然像没有发生碰撞一样而继续前进呢？
与光的微粒说相对立的是光的波动说，这一学说的理论基础是由惠更斯奠定的。有趣的是，惠更斯创立光的波动说，也是把光的传播同人们熟知的声音的传播作类比进行推理的。不同之处是惠更斯进行的类比，是以光与声的相似点为前提的。他说：“声音是借助看不见摸不着的空气向声源周围的整个空间传播的，这是一个空气粒子向下一个空气粒子逐步推进的一种运动。而因为这一运动的传播在各个方向是以相同的速度进行的，所以必定形成球面波，它们向外越传越远，最后达到我们的耳朵。现在，光无疑也是从发光体通过某种传递媒介物质的运动到达……像声音一样，它也一定是以球面波的形式来传播的；我们把它称为波，是因为它们类似于我们把石头仍进水中时所看到的水波，我们能看到水波好像在一圈圈逐渐向外传播开去，虽然水波的形成是由于其他原因，并且只在平面上形成……”惠更斯又说：“我们对声音在空气中传播所知道的一切，可能会导致我们理解光传播的方式。”1678年，惠更斯在《光论》一书中从光和声的相似性出发，提出光是一种在特殊的弹性物质中进行的弹性机械波，并详细阐述了波的传播原理，认为在波的传递过程中，每一质点的周围，都兴起了以该质点为中心的波。这一原理后来被称为“惠更斯原理”。从这一原理出发，可以导出反射定律和折射定律，并能满意地解释光在进入光密媒质时速度减小的现象。光的波动说后来经过T．杨和A．T．菲涅耳的研究，获得了巨大的成功，并逐渐占据了主导地位。
但是，波动说也有它自己的难题。无论是惠更斯的弹性机械波，还是后来菲涅耳的弹性横波，都需要传播光波的介质；否则，就无法解释遥远的太阳、星星是怎样把光传到我们地球的。惠更斯又一次以声和光的相似性为基础进行了类比，认为光的传播与声音以空气为介质传播相似，也是以一种特殊的物质为媒介传播的，这种特殊的物质就是“以太”。这样，继笛卡儿之后，惠更斯再次把以太作为一个重要的概念引进了物理学。而正是这个神秘的以太，使得几代物理学家都大伤脑筋。1887年7月，A．A，迈克尔逊和E．W．莫雷做了著名的寻找以太存在的实验，却得到了零结果。直到20世纪初，爱因斯坦建立狭义相对论后，以太概念才从物理学中被清除掉。到了量子力学建立以后，人们才惊奇地发现，原来光是既具有波动性，又具有粒子性。两种学说200多年的争论，此消彼长，各领风骚，原来都没有全面地理解光的本质。
由此可见，惠更斯以光与声的类比而创立的光波学说，一定程度上揭示了光的本性，发现了科学真理，但在解决光的传播问题而由进一步的类比提出的以太学说，则被历史证明是错误的。与此类似，牛顿从光与声的差异性出发对它们进行比较而创立的光的微粒说也在一定程度上揭示了光的本性，但牛顿由此而武断地否定光是一种波，这又是被历史证明是错误的。造成这种历史状况的原因是多方面的、复杂的，而当我们撇开其他因素不谈，仅从逻辑推理的角度考察，这正是类比的或然性带来的结果。
——摘自《物理发现的艺术》

在《波粒史话与创新》这本书中的创新篇里，大量地使用了类比来说明问题。例如作者也认为以太是存在的，但由于以太太小，很难捉摸，怎么把以太的性质弄得比较清楚一点呢？这里用到了两个类比：一是把以太类比为超流体，解决了以太为什么不能被带动和天体为什么在以太中不受阻力的问题。二是用水对低频声波呈流体，对频率很高的超声波呈固体的特性类比地说明了为什么以太对光呈固体，从而重新解释了迈克尔逊——莫雷试验的零结果，说明以太不能被迈克尔逊——莫雷试验否定的道理。
[楼主]  [85楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/20 17:23 
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五、以太与绝对静止参照系
一切波动方程都有一个以介质为静止的参照系，波的速度就是对这个参照系而言的。电磁波也不例外，它也有个以太静止参照系，光速也是针对以太静止参照系而言的。于是有人说，这个以太静止参照系不就是绝对静止参照系吗？可是绝对空间或绝对静止参照系是不存在的，那么以太静止参照系就违背了这一条。其实不然。自古以来，时空有抽象时空和具体时空，也就是有绝对时空和相对时空。例如牛顿的绝对和相对时空。
牛顿指出： “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地，与任何其它外界事物无关地流逝着。它可以名之为期间”。这就是牛顿的绝对时空观。
牛顿还指出：“相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。我们的感官通过绝对空间对其它物体的位置而确定它，并且通常把它当作不动的空间看待。如相对地球而言的地下、大气或天体等空间都是这样来确定的” ；“相对的、表观的和通常的时间，是期间的一种可感觉的、外部的，或者是精确的，或者是变化着的量度。人们通常就用这种量度，如小时、日、月、年，代表真正的时间。”这就是牛顿的相对时空观。
牛顿的绝对时空概念，只是牛顿对时空的一种数学抽象，这从“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，”可以十分明显地看出。其中‘数学’二字表明牛顿怕别人误解而特意指明绝对时间是一种数学的抽象。
牛顿的相对时空概念，是整个牛顿力学体系中的不可分割的组成部分。从牛顿力学的基本定律和概念出发，就一定要求有一个相对的实际可用的时空概念。物体的位置移动，就要求空间“空”；物体的静止，就要求空间保持相对的 “不动”；物体的匀速运动，就要求空间 “平直”、“均匀”；而且还要求时间相对的均匀，没有太明显的快慢节奏。反过来，只有相对时间和空间概念才能保证牛顿力学规律的有效性和可操作性。
绝对空间在哪里？牛顿曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方。他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间。从现今的观点来看，牛顿的宇宙的中心是不对的，因为宇宙没有中心。不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来。
奥地利物理学家马赫认为绝对空间毕竟是人为的抽象，经不起实践的检验和严密的审查。二百多年来，引起过不少人的怀疑和争议。马赫在他的《力学史评》中针对牛顿的绝对时间和绝对空间，驳斥道：“我们不应该忘记，世界上的一切事物都是互相联系、互相依赖的，我们本身和我们所有的思想也是自然界的一部分。”“绝对时间是一种无用的形而上学概念”，“它既无实践价值，也无科学价值，没有一个人能提出证据说明他知晓有关绝对时间的任何东西。”马赫还指出，绝对运动的概念也是站不住脚的。
1883年，马赫在《力学的科学》一书的第二章第6、7节《牛顿关于时间、空间和运动的观点》中写道：“没有必要在这里提出的回顾中来评论牛顿，说他的行动又一次与他所提出来的只研究实在的事实的意图相矛盾。”
“谁也没有资格预言有关绝对空间和绝对运动的事情，它们是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物。经验不可能产生它们。”
马赫对的绝对时空批判是没有道理的，可以说是攻其一点不计其余。绝对时空不存在就不能抽象吗？非也！如果没有抽象的点线面，你能使用直角坐标系吗？如果没有抽象的质点和惯性系，你就无法研究物理学！为什么你允许对点、线、面、质点和惯性系进行抽象，而不允许对时空进行抽象呢？同样地，虽然没有具体的最大的数，我们照样抽象也无穷大。而且用符号“∞”来表示它。
马赫对的绝对牛顿时空批判存在着以下问题。首先，牛顿很清楚绝对空间和绝对时间是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物。因为牛顿把书取名为《自然哲学之数学原理》，绝对空间和绝对时间当然也是数学抽象了。而且他直截了断地把绝对时间称为数学时间；其次，牛顿不仅有绝对空间和绝对时间的概念，而且也有相对空间和相对时间的概念。牛顿的相对空间和相对时间的概念和我们实际上的时间和空间的概念没有什么根本区别，很清楚，牛顿的相对时空是他时空观的一部分，是对绝对时空的量度。马赫为什么不提牛顿的相对时空呢？马赫用具体时空去否定抽象时空并不高明。
有人认为：绝对时空是纯粹思维的东西，是纯粹思维的产物，经验不可能产生它们，是这样的吗？不是！
因为人的眼睛所看到的物体的大小与物体和人的距离有关。同一个物体越远看起来就越小。如果物体在无穷远处，物体的大小就退缩成一点，同时物体运动的任一距离也退缩成一点，不难想象物体运动的速度永远为0，因此，无穷远坐标系就是一个绝对不动的坐标系。其实。天文上的恒星坐标系就是一个近似的绝对坐标系。同样地，我们完全可以把无穷远的天球看成是一个绝对不动的空间——绝对空间。尽管绝对时空并不存在，随着科学技术的不断发展，人们发现的恒星会越来越远，恒星坐标系也会越来越远。也就是说，人们正是由相对空间向绝对空间无限靠近。这就是绝对时空的实际意义。
人们会很自然地认为以太静止参考系是一个绝对静止的参考系。因为观察者只要测出在各个不同方向上光速的不同的大小，并与以太静止参考系中的光速c相比较，就可以知道观察者所在的参考系相对于“绝对空间”的“绝对速度”。从而推断出以太静止参考系或“绝对空间”在哪儿。
这种想法在理论上是有一定道理的。由于光是波，波是不适用于相对性原理的，所以上述的寻找“绝对空间”的方法不违背相对性原理。我们只说，相对性原理意味着不能通过力学试验找到绝对空间，并没有说不能通过力学以外试验找到绝对空间，而上述的寻找“绝对空间”的方法正好是力学以外的方法。即或是这样，这种方法也只能找到近似的“绝对空间”，因为光速测量仪器总是有精度的，没有绝对精确的光速测量仪。所以我们永远只能找到近似的“绝对空间”，只是这种近似的“绝对空间”的精度会越来越高而已。
实际上，以太静止参考系就是一个近似的绝对静止的参考系。为什么这样说呢？让我们看看以下事实：液氦-4超流有这样一个现象，当容器缓慢转时，其中的超流部分不会随之转动，也不是相对于随地球自转的实验室静止，而是相对于恒星保持静止，不管时间多长情况始终不变。1967年美国斯坦福大学的乔治.希思等人做了一个试验：为了保证容器中所有的液体都旋转，他们在超流发生之前就开始转动容器，然后慢慢冷冻到临界温度以下，超流在缓慢旋转的容器中形成了，但结果仍然是相对于恒星保持静止。
为什么是这样的呢？一定是空间中和物体内存在一种看不见的物质，它的存在使得它与超流液氦- 4相互作用使得超流相对于恒星保持静止。这种看不见的物质是什么呢？它就是以太，由光行差现象可知，以太正好是相对于恒星（如太阳）保持静止的，这就是以太静止参考系。而液氦- 4超流更是相对以太静止参考系保持静止。
超流液氦- 4不能带着以太作前后左右的平动，却能带着以太旋转。从而将其角动传递给以太，使本身的角动量减少。也就是说超流液氦- 4的转动动能变成了以太的转动动能，以太的这部分转动动能最终又变成了热能。这种转换一直持续到超流液氦- 4对以太的转动停止。这正好说明以太静止参照系就是恒星参照系。
无论以太是多么地小，隐藏得是多么地深，但它造成了超流液氦- 4的角动量减少。以太的蛛丝马迹终于显露出来了！这正是：“踏破铁铁鞋无觅处，得来全不费功夫”，这就从迈克尔逊试验之外的另一个侧面证实了以太的存在！
“绝对空间”究竟在哪儿？从光行差现象来看，测得地球是以30公里/秒的速度运动，这正好是地球绕太阳的线速度,所以“绝对空间”应是太阳系。从超流液氦-4的容器缓慢旋转时，其中的超流部分不会随之转动，也不是相对于随地球自转的实验室静止，而是相对于恒星保持静止，不管时间多长情况始终不变的现象来看“绝对空间”应是恒星系。而我们已经说过，抽象的“绝对空间”应是无限远的恒星。于是理论和实际就是完全一致的。因此，说以太静止参照系是绝对静止参照系是有一定道理的。

 [86楼]  作者:liangjz  发表时间: 2009/04/20 22:07 
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叶老：波是振动在介质中的传播，介质是在其所处位置附近往复振动，介质本身并不会被传播出去。比如水波是一个一个水分子依次在原地上下震动，这样水波被传播出去。光是电磁震动在以太中的传播，按照您的说法---以太对光呈固体，以太都动弹不得了又如何传播光？？？
[楼主]  [87楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/21 07:56 
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以太对光呈固体，以太都动弹不得
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不是以太动弹不得，以太只是象固体一样的动弹，不能象流体那样的流动。

欢迎高手找出问题，提的问题越多越深刻越好。只有这样才能进步。
 [88楼]  作者:liangjz  发表时间: 2009/04/21 10:08 
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在光的波动说中，以太和光是不可分割的概念，光就是以太的依次震动，震动的方向与波的传播方向垂直。在光的粒子说中，以太是多余的，光就是从光源辐射出的光子。叶老的以太对光呈固体无非是想解释迈莫实验,既然迈莫实验已经否定了以太,就该另想出路.忘掉以太吧!
[楼主]  [89楼]  作者:-叶波-  发表时间: 2009/04/21 10:27 
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在光的波动说中，以太和光是不可分割的概念，光就是以太的依次震动，震动的方向与波的传播方向垂直。在光的粒子说中，以太是多余的，光就是从光源辐射出的光子。叶老的以太对光呈固体无非是想解释迈莫实验,既然迈莫实验已经否定了以太,就该另想出路.忘掉以太吧!
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非也。以太对光呈固体是重新解释了迈莫实验,既然迈莫实验已经有了新的解释，原迈莫实验否定了以太的观点就是错的,以太既然没有被否定，为什么要另想出路.忘掉以太呢？
 [90楼]  作者:liangjz  发表时间: 2009/04/21 16:57 
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叶老:我们知道水波的传播是震源带动其周围水分子在垂直水面方向上下振动,如果认为光是以太的波动,那以太是如何震动的?方向是什么?

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