1700941628
1700941629
说明这个现象的尝试遵循两个主要的方法，可以分别描述成“收集箱”理论和“赢家通吃”理论。无须劳神把它们翻译成科学语言，意思是：在第一种理论中，原子手持一个收集箱，每一群到来的光波都向箱中投入很少的金钱，当箱中的钱数达到一个完整的量子时，便悉数归了原子；在后一个理论中，原子使用提供给它的量子的一小部分从赛场购买一张票，而奖品是整个量子，某些原子赢得了它们能够吸收的整个量子，正是这些获胜的原子通过我们的视网膜告诉我们天狼星的存在。
1700941630
1700941631
“收集箱”理论站不住脚，正如琼斯曾说过的，量子理论不光禁止我们以一石二鸟，而且甚至不让我们以二石杀一鸟。我没有足够的理由反驳这种理论，不过可以指出它的一两处难点：一个严重的困难在于装了一半的收集箱，如果我们不考察原子，而来考虑也只吸收完整的量子的分子时，可以更容易地看到这一点。一个分子可能开始收集它能够吸收的各种不同的光，但在它吸收任何一种量子之前，它参与了一个化学反应，生成了不再能吸收原来种类的光的新的化合物——它们具有完全不同的吸收光谱，它们不得不重新出发去收集相应种类的光。因为收集箱不可能充满了，如何处理如今已没有用处的旧的蓄积？一件事情是确定的：当发生化学变化时，它们不会被倾倒到以太中的。
1700941632
1700941633
一个看来直接反对任何收集箱理论解释的现象是光电效应，当光照在钠、钾、铷等金属膜上时，自由电子便从膜中放出并高速飞走，能够通过实验测量它们的速度和能量。毫无疑问，正是入射光提供了这些爆发的能量，但是这个现象受控于一个著名的法则：第一，电子的速度并不因使用更强烈的光而增大，把光集中会产生更多的爆发，但不是产生更强烈的爆发。第二，电子的速度由于使用更靠近蓝光的光，即周期较短的光而增大。例如，从天狼星抵达我们的微弱的光比完全的太阳光能够产生更强烈的电子发射，这是因为天狼星比太阳光更靠近蓝光的缘故，天狼星之远虽然使电子释放的数量减少，但并未致其强度减弱。
1700941634
1700941635
这就是直观的量子现象，从金属飞出的每一个电子恰好从投射光捕获一个量子。按照h规则，较大的能量其振动周期较小，更靠近蓝光的光具有更强的能量。实验表明（在从金属薄膜中分离出电子时得到一个恒定的“阈值”后），每一个激发出的电子都具有与投射光的量子能量相同的动能。
1700941636
1700941637
可以在黑暗中制备金属膜，但在暴露于微弱的光时，在任何收集箱能够为合适的手段充满之前，电子立即开始飞出。我们也不能借助于任何光扳机释放出已装填好旅途所需能量的电子，是光的性质决定了所装载的能量。光掌握着决定权，所以光必须承担后果，只有传统理论才不把钱袋交给光以便支付。
1700941638
1700941639
把反对的篱笆筑得非常彻底，而排除沿特定解释的所有进步往往是很困难的。但即便仍有可能挣扎，也到了我们开始意识到逃避是牵强附会的时候了。如果我们具有任何本能，当我们看到自然的基础法则时就能够意识到它，那么本能便要告诉我们，在单个量子中的辐射及物质的相互作用，是位于世界构造根源上的东西，而非原子结构内一个随意的细节。因此我们转向“赢家通吃”理论，它在这个现象中看到了对旧概念进行根本修正的一个出发点。
1700941640
1700941641
假定光波具有如此强度，按照计算它们能量的普通算法，在每个原子的范围内带进一个量子的百万分之一，不可思议的现象是，并非每个原子吸收一个量子的百万分之一，而是每百万个原子中有一个原子吸收了一整个量子。对整个量子的吸收已由光电实验所显示，因为每个发射出的电子设法获得整个量子的能量。
1700941642
1700941643
看来应该如此：在每个原子所达到的区域内，光波实际上所负载的不是一个量子的百万分之一，而是获得整个量子的百万分之一的机会。光的波动理论刻画和描述了在整体波前上均匀分布的某种事物，此即通常所指出的能量。由于所熟知的干涉和散射等现象，要否定这种均匀性似乎不可能，但我们必须给予其他解释。它是一个均匀的能量机会，依照相当古老的能量是“做功的能力”的定义，波的全部波前就表示均匀做功的机会，这便是波动理论所研究的偶然性的传播。
1700941644
1700941645
关于赢家通吃理论中如何进行抽奖活动有不同的观点，有些人主张，说波前的幸运部分在原子抵达之前已经做了标识，除了均匀波的传播以外，还涉及光子或“幸运光线”的传播。这于我而言，与现代量子理论的一般趋势不同。虽然许多权威如今都持这样的观点，据说它也确实为一些实验所证明，但我非常不信任这种观点的稳定性。
1700941646
1700941647
1700941648
1700941649
1700941651
物理世界的本质 原子理论
1700941652
1700941653
现在我们回到进一步的量子实验知识。神秘的物理量h突然出现在原子内部，又突然出现在原子外部，让我们以所有原子中最简单的氢原子作为例子。氢原子包括一个质子和一个电子，质子即一个单位正电荷，电子即一个单位负电荷。质子几乎携带着原子的所有质量，像岩石一样位于原子中心，同时轻快的电子以圆形或椭圆轨道绕质子周围运动，它们之间存在引力的平方倒数法则。因此，这体系很像一个太阳和一个星球。但在太阳系内，星球的轨道可以任意大小以及任意偏心性，而电子被限制在一系列确定大小和形状的轨道上。在经典电磁理论里，并未施加任何这样的限制，但限制是存在的，也发现了施加限制的法则。它之所以发生，是因为原子极力使它内部的某种东西与h相等，中间轨道由于涉及h的分数而被排除，原因在于h是不可分割的。
1700941654
1700941655
但这里有一个松弛，当光波的能量从原子发出或进入原子时，强度和周期必须准确地与h相对应。但是考虑到原子的内部结构，它对2h、3h、4h等就不会反对了，它唯一坚持的是应该排除h的分数，此即为何许多电子的替代轨道要与h的不同整数倍相对应的理由。我们把这些乘数称为量子数，表示成量子轨道一、量子轨道二等。在此我不讨论对于什么是一个h准确倍数的确切定义，但在四维世界中来观察，可立即看出它是某种作用，虽然当我们在三维断面中用通常的方法观察时它并不十分明显。同样地，原子也有几种特征不受这个规则制约，因而还有其他几个量子数——对每个特征均有一个。但为了避免技术复杂性，我将只提到属于一个主要特征的量子数。
1700941656
1700941657
根据尼尔斯·玻尔的原子图景，唯一可能的状态变化是一个电子从一个量子轨道转移到另一个量子轨道。一旦发生光的吸收或发射，这种跃迁就必然发生。设想处于一个较高能级轨道的一个电子，跃迁到一个能级较低的轨道，于是原子就具有多余的能量而必须消耗掉。总能量是固定的，它保持着以便确定变成以太波时，就将不得不具有振动周期。这好像难以置信，原子获得以太，却使以太在与其自身振动周期不同的任意其他周期里面振动。然而，这也是实验事实，当原子通过辐射使得以太振动时，它的电子循环周期便被忽视了，以太波周期并不由任何能够描述的机理确定，而看来是由人为的h规则所确定的。看起来就好像是原子疏忽大意地往船上扔了一个能量块，能量块逐渐变成以太时，它通过采用一个与能量的乘积等于h所必需的周期而把自己塑造成一个作用的量子。如果这个非机械的发射过程看来与我们的先入主见相反，那么吸收过程也会如此。此时，原子不得不寻求将一个电子提升到较高轨道所需要的准确的总能量，它只能从一个特定周期的以太波中获得这个能量——这个周期不是与原子构造共鸣的周期，而是使能量进入一个准确的量子的周期。
1700941658
1700941659
由于在轨道跃迁的能量和因为要达到固定量h而转移这些能量的光的周期之间的调整，或许是量子主导性的最明显的证据，所以值得解释一下如何测定原子中的轨道跃迁的能量。迫使电子通过一个确定电压降的电场有可能把一个已知的能量给予一个单个电子，如果这个电子击中一个原子，将导致原子内运动的电子中的一个跃迁到一个较高的轨道，但是，自然了，只有当这个能量足够电子跃迁时才会发生。如果电子所具有的能量太少，那它便什么也做不了，而必须带着自身的能量毫无损害地通过。让我们将一束具有相同的已知能量的电子发射到一群原子中，如果这个能量低于轨道跃迁所对应的能量，那电子流通过时只有普通的散射而不会干涉。现在逐渐增加电子的能量，我们突然会发现，电子留下了大量的能量而去，那意味着已经达到了临界能量，激励着轨道跃迁，由此我们就具有了能够测量轨道跃迁所需要的临界能量——原子两个状态之间的能量差异的方法。这个测量法有个优势，即它不牵涉任何关于常数h的知识，因此当我们使用所测得的能量来检验h规则时，不存在陷入循环论证之虞。[2]这个实验也很偶然地提供了反对“收集箱”理论的另一个理由，小的能量贡献并不作为好意而被接受，所提供的能量比跃迁所需的完整能量少的任何电子，完全不被获准做出任何贡献。
1700941660
1700941661
1700941662
1700941663
1700941665
物理世界的本质 经典法则与量子法则的关系
1700941666
1700941667
遵从量子法则的验证及成功的应用，将导致现代物理学很大一部分——比热、磁性、X光线、放射性等的详细探究。我们应该把这些放一下，转到传统法则与量子法则之间关系的一般性的考察。我们并用传统法则和量子法则至少15年了，尽管它们的概念互不调和。在模型原子中，电子根据传统的电动力学法则遍历它们的轨道，但它们从一个轨道到另一个轨道的跃迁完全与那些法则不相符。氢原子内轨道的能量是传统法则所计算的，但计算的目的之一是验证确定h单位内的能量和周期的关系，这是与传统的辐射法则迥然不同的。全部过程惊人的矛盾，而又显著的成功。
1700941668
1700941669
在我的天文台上，有一架望远镜，将星光凝聚到光电管内的钠膜上。我依照传统理论使光通过透镜并聚焦到光电管内，此后我转而采用量子理论使光从钠膜引出电子并汇集到一个静电计。如果我偶然把这两个理论变换了顺序，则量子理论会说服我光在光电管内绝不聚集，而传统理论则表明如果光照进来的话也没有能量引出电子。我没有逻辑理由说明为什么不绕着这样的路子使用理论，只有经验教导我不能这样做。威廉·布拉格爵士说我们在星期一、星期三和星期五运用传统理论，在星期二、星期四和星期六运用量子理论时，并未夸大其词。或许，对于他的宇宙哲学在工作日是一个样子，而在周日又是另一个样子的人，我们感觉不到多少同情。
1700941670
1700941671
在19世纪——我想还有这个世纪，必然有许多把他们的科学和宗教保持在密室里的科学家。在实验室里有一套信仰，在教堂里又有另一套信仰，没有进行任何严肃的努力来调和它们。这种态度是可以辩白的，讨论信仰的相容性将导致科学家进入他不在行的思想领域，而所能获得的任何解答都不值得强烈信任，更好的是承认在科学和宗教两方面都有几分真理。如果科学与宗教不得不冲突，那么让它在别处而不要在勤勉工作的科学家的大脑里发生。如果我们曾经嘲笑过这种态度，那么复仇女神就掌控了我们。我们已经不得不把现代科学分割成两个密室达10年之久，我们在传统的密室内有一套信仰，在量子密室内又有另一套信仰，不幸的是我们的密室并非滴水不漏。
1700941672
1700941673
自然，我们必须向前看，以便最终重构我们的物理世界的概念，可以把传统法则和量子法则协调地关联起来。仍然有些人会想传统概念的发展将影响到这种调和，但我称之为“哥本哈根学派”的科学家却相信重构不得不在另一端开始，他们相信我们是在量子现象内，而不是在曾支持传统法则的粗糙的经验里面，与“自然”的工作方式保持着更为亲密的接触。传统学派确信存在着作用的均匀效应，思索着制造雕琢均匀效应所需要的雕刀。另一方面，哥本哈根学派在这些现象中看见空间、时间和物质的脆弱的外观粉碎成作用的沙粒，我并不认为哥本哈根学派主要受到从传统材料中建造令人满意的雕刀所面临的巨大困难的影响，它的见解是从量子法则与传统法则交汇点的研究所产生的。
1700941674
1700941675
传统法则是在涉及非常大的量子数的状态时，量子法则所趋于的极限。
1700941676
1700941677
此即，玻尔所阐释的著名的“对应态原理”，起初它还是建基于相当薄弱的暗示上面的一个推测，但是，随着我们量子法则知识的成长，已经发现，当我们把那些量子法则应用于非常大的量子数的状态时，它们便回到传统法则，而且所预测的正是传统法则所预示的。
[
上一页 ]
[ :1.700941628e+09 ]
[
下一页 ]