|
BBS索引
斯诺：为什么？ 欧得：在经典理论中，不管是什么频率的光，只要光子的数目多，足够供应发射光电子所需的能量，都能激发出光电子，也就是说能发生光电效应现象。可是实验表明，每种物质都存在一个截止频率，对于入射频率小于该频率的光，也就是小于一定能量的光，不管光子的数目多么大，都不能产生光电效应。 另外，从经典理论来看，从光与金属表面开始碰撞到光电子发射之间，都要有一个可测的时间差，在这段时间里，电子从光束吸收能量并积累到足以脱离原子的束缚而逃逸出去，但实验中根本测不出这个时间差，光的入射和光电子的发射是同时发生的。 正当物理学家们为光电效应所表现出的这些奇怪现象感到迷惑不解时，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中，提出光的量子假说，解释了光电效应。 爱因斯坦建议，如果假设激发光的能量是由一些单个能量的能量子即光量子所组成的，就可以解释光电效应。由于入射光的能量与频率成正比，所以频率越高，光量子的动能就越大。增加光强而不提高光的频率，意味着增加了光子的数目，而并不能加大单个电子的动能。而且当入射光的频率小于截止频率时，入射光子的能量不够供给电子逸出的能量，所以没有电子释放出来。这时，不管光照多么强，即光子的数目多大，但每一个光子并没有足够的能量激发出电子。其次，微观过程中光子与电子的能量交换是一一对应、集中供给的，电子无须象经典理论所描述的那样要从一个散开的面积上收集能量，因此，不需要能量积累过程，也就测不到时间差。从理论上讲，不管光子的数目多么少，那怕只有一个能量足够高的光子射入，也会立即产生一个光电子，至此，爱因斯坦圆满地解释了令经典物理学家感到头痛的光电效应。 斯诺：我还没有听懂，请你打个比喻，说得更明白一点。 欧得：我们可以形象地把光子比喻为火箭，把受原子核吸引的电子比喻为受地球吸引的卫星，只有火箭的能量达到一定大时才能把卫星送上天，当能量达不到时即使有多少枚这样大能量的火箭，也不能把卫星送上天，只要火箭能量足够大，只要有一枚火箭，就能把卫星送上太空。 斯诺：光电效应现象说明了光是由一个一个的光子组成的。 欧得：是的。 斯诺：看来我的设想也有道理，物理这门课我一直没学好，今天多少增加了我一点自信心。听说光还有波动性，是怎么回事？ 第二节 光的波动性 欧得：关于这个问题，最简单的就是机械波，我们抖动一根绳子，就会形成机械波，另外，我们在平静的水面上投一个石子，就会形成水波。 斯诺：这与光有什么联系？ 欧得：你注意到光照射到物体的边缘部分，在其后面就会形成模糊的影子吗？ 斯诺：没有注意到，不过这与水波有什么联系？ 欧得：这是物理学上实验证明的，光除了有直进性外还有波动性。最早提出光的波动说的学者是意大利的格里马第，他发现光影比假定光走直线所应有的尺寸要大一点，影子的边缘也比较模糊，往往有一条带色的光带，于是他设想光是一种能够以极快速度作波浪式运动的流体，象水波一样绕过障碍物，影子较大而且边缘是模糊的，而光的颜色是由于波动频率不同的结果，就象声音的高低是因为振动频率不同一样。 后来英国科学家胡克和荷兰科学家惠更斯进一步发展了波动说，胡克提出光是传播光的介质的一种迅速的振动，它以极大的速度传播，并且，发光物体的每个脉冲式振动都会产生一个球面。惠更斯对波动说作了更系统的阐述，他设想光介质是静止的，光则是由这种介质传播，来自任何光源的骚动都将以固定速度、成球面地向空间传送出去。 我还要特别告诉你证明光的波动性的三个著名的实验事实。19世纪初，英国物理学家托马斯·扬分别于1801、1802、1803年在英国皇家学会宣读了三篇有关光的论文，杨氏设计了实验，说明光的衍射现象，这就是著名的扬氏实验。你要特别注意衍射、特别是干涉实验，这关系到你能否理解微观世界的行为。 衍射 让一束单色光，通过一个平板上的狭缝，在狭缝的后面就显示出由宽到窄明暗相间的条纹，这里的条纹间隔距离不同，这个实验就是衍射现象。说明光在通过狭缝时，发生衍射形成条纹。这里实验用单色光是为了方便，不同的单色光会形成间隔不同的平行条纹。用白光则会形成彩色相间的条纹。 干涉 在上面衍射实验中，把平板上的单狭缝，变成双狭缝，我们就可以看到，双狭缝后面明暗相间的条纹。与平板单狭缝衍射条纹不同，条纹间隔相同，就像我们平时见到的条纹布。 斯诺：这说明两条狭缝之间的光有了互相作用! 欧得：这里还隐藏着非常奇怪的事情，我们后面还要认识到。 在这两个现象中，光不是沿直线运动的，而是有了变化，扬氏称为波动性，扬氏还认为光的波长很小，所以光在通过一般障碍物时，没有发生显著的衍射现象。 因为扬氏的结论违反了习惯的看法，并且是对牛顿权威的公然挑战，因此，在当时除扬氏本人外，还没人接受这一理论。 斯诺：原来，我认为对权威的盲从在社会和社会科学中存在，看来，在自然科学界也是如此。这种对权威的盲从，是非常有害的，它阻碍了科学的发展。对社会科学的评价，人为性很强；另外，社会历史不能重复，也就是说时间属于某个社会只有一次，人们不妨暂时相信权威。但自然科学就不一样，自然科学“是什么就是什么”，可重复检验。为什么在自然科学界人们还是对权威盲从，难道盲从的人自己没有大脑？不会自已思考？欧得先生，你是专家，你说这是为什么？ 欧得：关于这个问题，我想是这样的，对自然科学，非内行不敢说三道四，而从事这方面工作的人，比如我吧，搞了几十年，也算是内行，说心里话，谁愿意担风险支持一个没有被公认的理论，万一它是错误的，我多年的名声不就前功尽弃了。 斯诺：看来，中国近代科学之所以落后，这就是原因之一。正如有人所讲，一个房子里有一群人，如果有人建议开个窗户增加通风，大家就会反对，除非这时大风快把房子掀翻了，人们才会同意开个窗户——人们总是喜欢老马识途。 光是电磁波 欧得：后来人们进一步发现光是由与光运动方向垂直的两个振动组成的波形成的。 19世纪中叶，斐索和傅科先后设计出了新的测量光速的方法，用实验比较准确地测量了光速，知道它与电磁波传播速度一样。德国科学家赫兹做了一系列实验，证实了电磁波的存在，以及电磁波具有与光一样的反射、折射和偏振等性质，这就证明了光是电磁波。 第三节 光的粒子性与传统波动性的对立 斯诺：是不是可以这样认为：光电效应现象表明光是由一个一个的光子组成，这一个一个的光子又可以相互干涉，而表现为波动性。 夏普：还不能这样认为，进一步的实验显出更奇特的问题。这个问题看似非常简单，但又非常复杂，因为它涉及到物理学的基本问题，是爱因斯坦与玻尔分歧的起点，这个问题到现在还存在着不同看法。 我们回忆光的干涉实验，在干涉中，能否认为两束波是通过双缝后象水波那样“干涉”? 斯诺：我想应该是这样。 实验一 夏普：我们来看下面实验，我们再一次回忆上面谈的杨氏试验，当然杨氏双缝干涉中把一个缝遮住，只留一个缝就是单缝衍射了。 我们让光线足够弱，使光子在屏上出现的是一个一个的光点，把光的强度减弱到不可能有两个光子同时通过双缝，这样也就不可能产生光子之间的相互作用。 实验结果表明，时间比较短时，屏上出现一些似乎无规则的感光点；当时间足够长时，屏上点的分布形成了相同的衍射图象。这说明什么呢？ 斯诺：这说明光是由一个一个的光子组成，这与光电效应一致，说明光的粒子性。 欧得：对，并且说明光子与光子之间没有相互作用。因为如果光子之间有相互作用，那么当光子一个一个通过，与一起通过时，形成的图象就不同了。 斯诺：这好象子弹打靶一样，光子就象子弹。 夏普：还不尽然，我们再看下一个实验。 实验二 我们在双缝干涉实验中，每次遮住其中一个缝，实验将给出两个图像。 如果遮住缝S2，屏上光强分布是单缝S1产生的衍射花纹P1；同样，遮住S1会得到S2产生的衍射花纹P2。注意！现在我们设想，如果同时开两个缝，给出的图象是什么样呢？ 斯诺：就象子弹打靶一样，两次同时射击是两次分别射击的叠加，双缝同时开时的图像是两个单缝图像的叠加！ 夏普：不是，问题就出在这里！实验给出的图像是另一个新的现象，是一个干涉图像，不是两个单缝图像的叠加！ 核心问题 斯诺：请暂停一下，让我想想，光电效应实验说明光是由一个一个光子组成，在衍射实验中，让光子一个一个通过，得到的图像与光子一起通过得到的图像相同，说明光子之间没有相互作用。而在双缝干射实验中，每次关闭其中一个缝得到的两个不同图像，与两个缝同时开时，让光同时通过得到的图像不同！这是怎么回事？是不是实验出了问题？ 欧得：实验没有问题。 斯诺：这是怎么回事呢?难道光子像人一样事先商量好到哪一点？真是闹鬼了。这绝对不可能。 欧得：可实验结果明明白白地显示了干涉图样。实验无法肯定光子通过了哪条缝，只能说，它通过每条缝的几率各占50%，这就是光的波粒二象性。 斯诺：单个光子每次到底是通过哪一个缝？ 欧得：实验无法肯定光子究竟通过了哪条缝，本来就不该提这样问题。一旦我们关闭了一条缝，使光子以100%的几率通过另一缝时，缝间的干涉效应也就不存在了。微观客体的波粒二象性绝不能用经典的概念去理解。谁这样做，则每当他得到一个似乎可以说服自己的看法时，他就会在新的实验事实面前陷入窘境。 光的波粒二象性表明，光的波动性和粒子性是矛盾的，又是统一的，即矛盾的对立统一。波动性表现为：具有干涉、衍射现象；传播过程中具有弥散性，能用波动的基本要素波长、频率描述。粒子性表现为：光与物质相互作用时，具有整体性，可以用粒子的动量描述。对立统一表现为：波场强度与光子出现的几率成正比，在一定的条件下，矛盾的主要方面可以转化。例如，光子打在屏上与感光物质相互作用，表现出整体性，即粒子性占了矛盾的主要方面。在弱光实验中，从光源发出的光子，由于传播过程中，波动性占了矛盾的主要方面，因此通过双缝时，与该光子相联系的波分成两部分，分别从S1和S2通过，根据相干性条件，此两部分发生干涉，干涉是光子自身相干产生的、到达屏上，粒子性转化为矛盾的主要方面，因此一个光子打上去是一个感光点，即表现为整体性。然而，矛盾的次要方面并不是起作用，正是矛盾的次要方面、波动性的作用，致使光子以几率性地出现在某处，这正是波动性、粒子性矛盾对立统一的结果。 斯诺：这是循环说明。实验说明光的波粒二象性，对实验进行解释时你又用波粒二象性，这是个循环证明。我是搞哲学的，你说的一切是直兜售哲学术语，看似一套一套的，其实什么也没说。 科学无禁区，没有不能问的问题。 另外，我对刚才的问题还没弄明白，刚才的几种现象是互相对立的，到底怎么回事？物理学界对这一问题有什么看法？ 夏普：对于这一点有两种明确的态度。 第一种态度是，粒子理论局限在光的产生和转化现象的范围内，至于在波动理论还能够很好适用的那些领域，波动理论仍然可以用，两种理论不妨暂时并存，而两种理论之间的矛盾可以留待以后理论的发展去解决。 第二种态度是，光在传播时是波，而在辐射与其他粒子作用时则为粒子，可以说光既是粒子又是波。 欧得：关于这个问题，第二种是公认的，现代物理学中已承认，并对物质、中子和电子也证明有这种性质。 第四节 好事多磨 夏普：请教欧得老师，光在传播时，表现为波动性，而在辐射与作用时表现为粒子性，是否就能推出光同时既是波又是粒子? 欧得：光的波动性与光的粒子性都是通过实验得出的…… 夏普：是的，光在不同过程中表现为波动性或为粒子性，是否能说光在同一个过程中既是波又是粒子? 欧得：你这个年轻人，就是爱钻牛角尖儿，问这些问题是没意义的，也是不会有什么结果。 夏普：但这个问题是否存在? 欧得：这个问题没意义，这个结果是大家公认的。 夏普：公认的结果难道就是正确的吗? 欧的：你这个年轻人真是太没礼貌了，明知是错误的你一定要坚持，这样下去，对你前途可不好!我每天都要应付很多求教的人，象你这样固执的只有你一个，坐在这里真是浪费时间。 斯诺：喝点儿咖啡，休息一下…… 理不辩不明，老先生不必动气。我们是在讨论科学问题，不是讨论儒家的礼教，你总得让人有发表意见的机会吧?你总不能认为和你想法一致的就是正确的，和你想法不一致的就是错误的。有不同的看法，就会产生争论；有争论，就会促进认识的发展，我们应当鼓励人们有不同的看法。夏普的想法是怎样的呢? 夏普：请原谅我在这样的问题上的固执，我还是非常尊重您的。不过这一学术观点，我认为您是不够严谨的。光在传播时，表现为波动性，在辐射与作用时，表现为粒子性，不可能在同一个过程中同时是粒子，又是波。因为粒子意味着它有确定的位置，而波动却意味着它没有确定的位置，它们不能同时存在，就像墙上的钉子，我们不能要求它既固定又动。可能我们还没有找到光的最本质的性质，认为它同时具有粒子性又有波动性是一个危险的跨越，就象瞎子摸象，摸到腿说成是柱子，摸到耳朵当作扇子，或者干脆认为既像柱子又像扇子———认为这是由我们手摸的位置决定的。 欧得：这一点是由波粒二象性决定的，你不能知道微粒、或者一个什么东西在什么位置，同时又知道它在如何运动。你不仅不能知道，而且，具有确定的位置和运动的原子这一概念本身就是无意义的。这类似“肉体”和“灵魂”的关系？ 斯诺：“肉体”和“灵魂”的关系？这是哲学问题，欧得先生。我认为夏普说的也有道理，不过这个问题先放一放稍后再讨论。我听说不但光具有波粒二象性，自然界的一切物质都有波粒二象性，这是怎么回事呢? 第四节 跨越——从光到一般物质 欧得：关于物质波粒二象性问题是这样的：法国科学家路易斯·德布罗意在他的博士论文中提出，光的二象性同样适用于实物质粒子，用电子打在晶体上，晶体的原子或原子群的有序排列在平面上，当电子射入晶体时，这些原子层中的原子能吸收和发射，这样，电子可以重新辐射出去，也可以看作电子被反射，这样不同中心的反射有所不同，出现了与光衍射一样的电子衍射图样。 德布罗意认为，这就表明：反射出的电子有波性，它们之间干涉，产生干涉图象，从而证明电子有波动性。德布罗意认为辐射的量子有一个波控制它的运动。进而推广到一般的物质，也就导至了一般物质具有波粒二象性的结论。这就是量子力学中所说的物质波，其运动规律称为波函数。 关于物质波、波函数的解释，量子力学的创始人存在着很严重的分歧。 斯诺：请你简单介绍一下量子力学。 欧得：关于这个问题，量子力学是当代物理学的两个支柱之一，另一大支柱是相对论。量子力学是解释微观的，如原子及内部的情况。量子概念的提出是在1900年12月14日，德国伟大的物理学家普朗克在德国物理学一次会议上提出的。在此之前，以牛顿力学为基础的物理学中，人们认为一切自然过程都是连续的，任何一个现象都是由它的过去决定的，在牛顿力学中，只要给定一个物体的初始状态，就可以根据力学定律，推出物体过去和将来的状况，否则就破坏了物体的因果性。由于能量是物质的一种形态和属性，人们通常认为能量的变化也是连续的。 而普朗克提出：能量是不连续的，而是一份一份的，称能量子。就像现在的人民币一样，最小只能是一分钱，而不能再小了。 玻尔把这一思想进一步发展，用于原子模型，提出了原子的几条假设： 第一，量子化条件。即原子存在具有确定能量的“稳定态”，在这种状态中，原子不辐射放出能量，这种状态称为定态，其中能量最低的稳定态称为“基态”。 第二，辐射条件。即原子从一种“稳定态”跳跃到另一种“稳定态”，才能发生辐射，放出能量，就象液态水变成固态冰放出能量一样。 第三，量子化规则。即原子只能处于这些不连续的稳定态中，量子力学就是在研究这些微观原子行为基础上建立起来的学科。 关于这个问题，我认为我已讲清楚，不知你是否听明白了? 斯诺：请你形象说明一下。 欧得：关于这个问题，我用微观世界原子的情况来说明。把原子核比作太阳系的太阳，电子就象太阳周围的一群行星，行星有不同的能量，能量大的跑得离太阳远一点，能量小的跑得近一点，各个行星都处在不同的轨道上，是相对稳定的能量状态，当然在轨道变换的过程中，能量要相应地增大或减小，在这一过程中，肯定要吸收或放出能量，而吸收或放出能量等于它们在两个轨道间的能量差，因为行星轨道是不连续的，所以放出能量也不是连续的，这些轨道是一层一层的，而不是连续的分布。 斯诺：有了这一比喻就清楚了，请继续谈下去。 欧得：原子的量子状态都是这些定态或它们的叠加，量子力学就是描述这些物质波及它们之间的变化关系。玻尔认为，在原子模型中，只要承认电子有波动性，从电子本身的性质就可得出量子化三个条件而不必作出解释。 关于量子力学这些描述的物理结果及数学方法，爱因斯坦与哥本哈根学派没有任何不同，并且，爱因斯坦为量子力学的产生和发展起到了关键作用，是创始人之一，在对这些数学及本质解释时，问题就出现和对立起来了。 关于物质的波粒二象性，也就是关于物质波的解释，就是争论的核心。 薛定谔认为波本身就是物理实在，物质是由波构成的，是大量微观波动现象所表现出来的客观性质，人们在实验中观看到粒子现象，就是在一定条件下被局限在一个很狭窄区域内的波。 洛伦兹指出对这个波的解释存在困难。 第一，不同频率的波在介质里传播时，将会扩散，就象自然光分成七色光一样，出现不同的粒子径迹，这与实验不相符。 第二，波函数并不总对应着实际的真实波，而是一个抽象的多维的量，意味着不确定的位置，导致位置的非决定论。 玻恩继承这一想法，他认为实验者无法确定微观坐标，只能数出事件的数目，满足统计结果，量子力学描述一个微观体系时，只是统计方法，粒子出现多的地方是波函数所代表的几率大的地方。玻恩是站在粒子立场上解释波函数的，认为波是粒子的组合，微观粒子的物理特性可以用波函数来描述，是一种几率性的统计说明，是一种统计方法。 物质波的提出者德布罗意，一方面同意玻恩的几率解释，但另一方面他又认为粒子和波都是物理实在。 后来，玻尔、海森堡认为粒子本身就有不确定性，这就是不确定原理，并为它找了哲学上的解释，就是所谓的操作主义，这就是后来的哥本哈根学派的观点。 斯诺：噢！这就是哥本哈根学派的观点。我首先必须弄清楚哥本哈根学派是什么? 欧得：哥本哈根是丹麦的首都，以这里的一群年青人为首，参与创立了量子力学，并给出了量子力学的一种哲学解释。这就是争论的一方，其中以玻尔、海森堡等为首，这就是哥本哈根学派。 具体地说，哥派认为电子从一个能量定态到另一个能量定态，就象“电影中的渐隐镜头，这种变化不是突然的——一幅画面当第二幅画面进入焦点时就逐渐消失，这使得两幅画有一段时间就在一起，分不清这个那个，同样，很可能有个中间状态，这种状态中，我们无法说出原子究竟是在上面一个状态还是在下面一个状态。” 需强调的是，在量子力学中，按哥派的观点，轨道是形象的说法，是指粒子出现几率最大地方，根本没有运动轨道这一概念，这一现象是与不确定关系紧密相关的，就是粒子的位置和动量不能同时确定，这一关系，有的人把它称作测不准原理，这是量子力学的一个基本原理。 斯诺：但这两种说法有本质的区别。测不准是指受外界影响而不能测得精确结果，是个方法论问题；而不确定指粒子本身就是不定的，是个世界观问题。 欧得：关于这个问题，哥派是指后一种，“接受粒子在任何已知时间都是有确定的位置和动量的这一观念，然后又承认这些数据好象由于自然界恶意的任性而永远无法在实际上证实，那都是非物理学的。”意思就是粒子在已知时间没有确定能量，本质上是不确定的，也就是爱因斯坦反对的“电子有自由意志”的说法。 夏普：关于这一点，爱因斯坦批判道，“在云室中，我们能观察到电子的路径，同时你又宣称，在原子里没有电子的路径，这显然是胡扯……。”这里的云室是观察电子的一种仪器。这就是两方中争论的最根本的分歧，关于粒子是否有确定的轨迹的问题的争论，有深刻的物理背景。 斯诺：是不是这样，双方最明显、最根本的分歧在于爱因斯担认为：电子有确定的路程。哥派认为：电子没有确定的路径。 夏普：是的，这是个严重的分歧，涉及到哲学上的实在和非实在，确定和非确定的问题，双方在争论的过程中还涉及连续与非连续等。 欧得：你看，小夏普又说到哲学问题上。 斯诺：这非常有趣。 欧的：关于这个问题，哥本哈根学派的观点认为，因为物质有波粒二象性，更确切地说是波动性，决定了它位置的不确定性，没有确定的轨迹，这也就是量子力学中哥派的电子没有确定轨迹的最初渊源。当玻尔提出原子模型后，发现它并不与经典体系一致，从牛顿建立科学体系以来，科学建立在这样的体系上：一个物体，电子也好，星球也罢，都可以确定它的位置。如果再知道它的运动速度，就可以准确地推出它在某一时刻的位置，所以我们坐火车可以准时到达目的地，我们可以用鱼叉叉到鱼，篮球运动时可以投球入篮，这和呼吸一样自然。玻尔发现，在微观世界里观察电子，就不可能不对它产生干扰，要观察就必须用光照在电子上，射到我们眼中，可是，光子会改变电子的运动。任何观测原子内部电子行踪的行动，都同时造成了电子状态的变化。这就导致这样的结论：速度和位置不能同时准确得出。 玻尔推出：人们可以预言和检验别人的结论，只是在一定的几率内，而不是准确的确定。因为测不准原理，决定我们不能准确确定某一时刻它的位置和速度，但只是能给出这种测量的可能性几率。关于这一点，可以形象地说，过去人们认为一个量度过程比如从一匹布上量出几尺来，不会影响布的尺寸，而玻尔认为，在原子世界测量会影响到被测物体，“关键的一点在于我们无法分清所看到的到底是原子本身的行为，还是原子与测量仪器之间的作用，在观察存在的这个伟大的舞台上，我们既是观众，又是演员。” 进而在哲学上抛出粒子的不确定性，即粒子没有确定的轨迹。 1927年9月在意大利科摩召开国际物理学会上，玻尔小心翼翼地宣读了他的理论，与会者感到震惊和不安。各种各样反对的观点集中在，物理学应该建立在“实体”之上，理论反应的实在，应该象桌子或黑板那样客观存在，他们要求清楚明白的实体而不是朦朦胧胧的东西或几率。 夏普：这一分歧的本质就是，粒子能否同时具有粒子性和波动性，就像我们刚才谈到光子能否同时具有粒子性和波动性一样，也就是说物质波是否是一个有确定结构的存在，具体说就是粒子是否是确定的实体？其实这场争论的核心问题就是这一点。这场争论有两个过程：第一，我们能否测定粒子的准确位置、动量、能量等，这渉及我们测量时对被测粒子的影响。第二，粒子是否存在准确的位置、动量、能量？怎样描述才是完备？当然这场争论很激烈。 斯诺：请快点讲。 夏普：还是请欧得老师讲吧，欧得老师讲得很具体细致。 第五节 交锋——巨人之争 |