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第一天 巨人的对抗
第一天主要是通过三人对话的形式，回忆廿世纪初，爱因斯坦与量子力学其他创始人之间关于物理学、哲学上重大问题的争论。 这场争论的精彩之处，在于它是基础物理学——不，应该是科学上的深层次问题的激烈的显化与对抗。让我们扮演一次裁判，或者是情绪激动的观众。虽然这是一场精彩的巨人的交锋，激烈而动人，但是提醒读者，不要只注意它的情节而忽视结尾的遗留问题及潜在的问题。 一个粒子能同时从 两个缝通过吗？ 序 幕 (三人在斯诺先生的书屋坐定) 斯诺：我来给你们介绍一下，欧的先生是我的同学，从事多年的物理教学工作，很有成绩。 欧得：你过奖了。 斯诺：夏普很有钻研精神，是物理科班毕业，近来搞一些问题常与哲学有关。 夏普：是的，我经常考虑一些物理问题，发现它们往往是哲学上不同的观点产生的对立，所以对哲学问题感兴趣了。我看过欧得老师写的教材，在学术上很有见地，特别是对量子力学、相对论方面的多个细节都很熟悉，我从欧的老师那里学到了很多东西，今天，我也希望从你那里学到一些东西。 斯诺：我也正好有一个物理上的问题要请教你们两位。 欧得：斯诺先生什么时候对物理问题感兴趣了，物理是很难的课程，需要相当的数学技能，不是一般人能学好的，不过，你有什么问题，我还是非常愿意给你解答的，请说吧。 斯诺：最近我听说，在量子力学中有这样的结果：电子是可分的。我想不通，一个电子是一个整体，怎样能分呢？如果是这样的话，就象一个房间有两个门，一个人进入这个房间，要么从前门进，要么从后门进，怎么可能从两个门同时进入呢？ 欧得：关于这个问题，是个复杂的科学问题，也是一个历史问题，对于这个问题没有很高的、系统的物理学知识是理解不了的。 斯诺：还是先请欧得先生讲一讲。 欧得：关于这个问题，涉及到本世纪科学史上爱因斯坦与哥本哈根学派的争论，爱因斯坦与以玻尔为首的哥本哈根学派的争论是本世纪科学史上最重要的一件事，它涉及物理学乃至自然科学的根基，因而也必然涉及到基本概念，每一个有科学修养的人，都不能不留意这场争论。这场争论的场面非常巨大，在爱因斯坦与其对手纷纷去世之后，他们的继承者仍然争论不休。这场世纪初开始的争论到现在也还不能说已经得到了最终的答案。双方争论非常激烈，以至爱因斯坦发誓：如果自然界是非决定的，电子“都由它自己去选择，在那种情况下，我宁愿做一个补鞋匠，或者甚至做一个赌场里的雇员，而不愿做一个物理学家。虽然，我要给量子以明确形式的尝试，即使我失败了，但我决不放弃希望”。 斯诺：对，我也听说这场争论，它涉及到哲学中基本的世界观和方法论。我对物理知识了解不多，我今天也想了解物理学上这一争论的具体情况，看看到底谁对谁错，中国有句古谚：“真的假不了，假的真不了。”不过，请你们谈得形象、具体点。 第一节 光的粒子性 光的粒子性 的直观经验 欧得：关于这个问题，可追溯到人们对光的波动性与粒子性的认识。光究竟是粒子还是波，这是一个相当古老的问题。关于粒子说的发展是这样的：我国古代墨家学派，认为光是直线传播的，“光之入，煦射”，意思是：光线照射出来，象箭一般直进。《墨经》还记载了影的形成，小孔成像等。 古希腊的毕达哥拉斯、德谟克利特等人认为，光是物体射出的一种微粒，这种微粒进入人的眼睛产生了视觉。到了17世纪，人们开始在经验科学的基础上讨论这个问题。笛卡儿为了解释当时从实际中得出的一些光学现象，提出了微粒说的观点，他设想光是由沿直线快速运动的微粒组成的，这样可以很容易地解释直进、反射、折射，但他并没有完全肯定光就是一种微粒，还设想光也可能是一种极稀薄物质中传播的某种运动或作用，这种物质充塞其他一切物体的毛孔。 牛顿在1704年出版的《光学》一书正文中主要采用了微粒说，在牛顿以后将近一个世纪，没有人对光的本质作进一步的探讨，大多数人都相信微粒说。 斯诺：你说的带有学究式的考证，我还是不明白，我知道你在这方面学识渊博，你能否说的更明白一点。 欧得：物理学本身就是高深的学问，我说的已经很明白了！ 夏普：我们可以这样来说。请问，我们怎样看到周围的物体，比如我们房子里面的摆设？ 斯诺：嗯，没有光我们无法看到，所以看到物体是因为光先照射到物体上，然后反射到我们眼中，使我们看到物体。 夏普：对了，那么光是什么？是怎样照射到我们眼中的？ 斯诺：让我想想，光是沿直线传播的，另外因为有不同颜色的光，所以光有不同的种类。 夏普：还有呢？ 斯诺：不同种类的光照射到人的眼中感觉不同，说明不同种类的光能量不同。 夏普：不同种类的光，其能量不同，在物理学上通常使用不同的频率表示。你设想一下光是由什么组成的？ 斯诺：我想光是由一个一个的粒子组成，光的照射就像机关枪打出的子弹一样，这就可以解释光的直进性。 夏普：是的，这就是光的粒子说，不过在物理学中组成光的粒子称为光子，另外从严格的科学角度讲光的粒子性由光电效应实验证明。具体还是请欧得先生来谈谈。 光电效应 欧得：关于这个问题，科学家赫兹在实验中发现，两个接电源电极，受到紫外线照射，两电极之间就容易放电。此后不久，他发现这是由于紫外线促使阴极表面发射电子的结果。电子在光的作用下，从金属表面发射出来，这种现象称为光电效应。这种现象用经典电磁理论无法圆满解释。 |