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可是,让我们冷静一下,从头再好好地想一想。电子是个波?这是什么意思?我希望大家还没有忘记我们可怜的波动和微粒两支军队,在玻尔原子兴盛又衰败的时候,它们仍然一直在苦苦对抗,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!这可真是后院起火了。
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“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它们应有的可耻结局―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,不但再次声称自己在电磁领域拥有绝对的合法主权,而且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!”
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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姿态提到,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?Oh my God,可怜的波动到底知不知道它自己在说些什么?”
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“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,这使得战争全面升级。事实上,波动这次对电子的攻击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,它们都决定联合起来,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入这个争论中,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,现在的问题还有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。
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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。
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饭后闲话:父子诺贝尔
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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。
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居里夫人和她的丈夫皮埃尔·居里于1903年共同获得了诺贝尔奖(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 Joliot-Curie)也在1935年和她丈夫一起获得了诺贝尔化学奖。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。
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1915年,亨利·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,共同获得了诺贝尔物理奖。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。
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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4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。
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卡尔·塞班(Karl Siegbahn)和凯·塞班(Kai Siegbahn)父子分别于1924年和1981年获得诺贝尔物理奖。
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假如俺的老爸是大科学家,俺又会怎样呢?不过恐怕还是如现在这般浪荡江湖,寻求无拘无束的生活吧,呵呵。
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Part. 5
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上次说到,德布罗意的相波引发了新的争论。不仅光和电磁辐射,现在连电子和普通物质都出了问题:究竟是粒子还是波呢?
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虽然双方在口头上都不甘示弱,但真正的问题还要从技术上去解决。戴维逊和汤姆逊的电子衍射实验证据可是确凿无疑的,这使得微粒方面无法视而不见。但微粒避其锋芒,放弃外围阵地,采取一种坚壁清野的战术,牢牢地死守最初建立起来的堡垒。电子理论的阵地可不是一朝一夕建成的,哪有那么容易被摧毁?大家难道忘记了电子最初被发现的那段历史了吗?当时坚持粒子说的英国学派和坚持以太波动说的德国学派不是也争吵个不休吗?难道最后不是伟大的J.J.汤姆逊用无可争议的实验证据给电子定了性吗?虽然26年过去了,可阴极射线在静电场中不是依然乖乖地像个粒子那般偏转吗?老爸可能是有一点古旧和保守,但姜还是老的辣,做儿子的想要彻底推翻老爸的观点,还需要提供更多的证据才行。
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微粒的另一道战壕是威尔逊云室,这是英国科学家威尔逊(C.T.R.Wilson)在1911年发明的一种仪器。水蒸气在尘埃或者离子通过的时候,会以它们为中心凝结成一串水珠,从而在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹,就像天空中喷气式飞机身后留下的白雾。利用威尔逊云室,我们可以亲眼看到电子的运行情况,从而进一步研究它和其他粒子碰撞时的情形,结果它们的表现完全符合经典粒子的规律。在过去,这或许是理所当然的事情,但现在,对于敌人兵临城下的粒子军来说,这可是一个宝贵的防御工事。威尔逊因为发明云室在1927年和康普顿分享了诺贝尔奖金,这两位都可以说是微粒方面的重要人物。如果1937年戴维逊和汤姆逊的获奖标志着波动的狂欢,那10年前的这次诺贝尔颁奖礼则无疑是微粒方面的一次盛典。不过在领奖的时候,战局已经出乎人们的意料,有了微妙的变化。当然这都是后话了。
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捕捉电子位置的仪器也早就有了,电子在感应屏上,总是激发出一个小亮点。Hey,微粒的将军们说,波动怎么解释这个呢?哪怕是电子组成衍射图案,它还是一个一个亮点这样堆积起来的。如果电子是波的话,那么理论上单个电子就能构成整个图案,只不过非常暗淡而已。可是情况显然不是这样,单个电子只能构成单个亮点,只有大量电子的出现才逐渐显示出衍射图案来,这难道不是粒子的最好证据吗?
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玻色Satyendra Nath Bose 1894—1974
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在电子战场上苦苦坚守,等待转机的同时,微粒于光的问题上则主动出击,以争取扭转整体战略形势。在康普顿战役中大获全胜的它得理不饶人,大有不把麦克斯韦体系砸烂不罢休的豪壮气概。到了1923年夏天,波特(Walther Bothe)和威尔逊用云室进一步肯定了康普顿的论据,而波特和盖革(做α粒子散射实验的那个)1924年的实验则再一次极其有力地支持了光量子的假说。虽然麦克斯韦理论在电磁辐射的领土上已经有60多年的苦心经营,但微粒的力量奇兵深入,屡战屡胜,令波动为之深深头痛,大伤脑筋。
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与此同时,爱因斯坦也收到了一封陌生的来信,寄信地址让他吃惊不已:居然是来自遥远的印度!写信的人自称名叫玻色(S.N. Bose),他谦虚地请求爱因斯坦审阅一下他的论文,看看有没有可能发表在《物理学杂志》(Zeitschrift für Physk )上面。爱因斯坦一开始不以为意,随手翻了翻这篇文章,但马上他就意识到,他收到的是一个意义极为重大的证明。玻色把光看作是不可区分的粒子的集合,从这个简单的假设出发,他一手推导出了普朗克的黑体公式!爱因斯坦亲自把这篇重要的论文翻译成德文发表,他随即又进一步完善玻色的思想,发展出了后来在量子力学中具有举足轻重地位的玻色—爱因斯坦统计方法。服从这种统计的粒子(比如光子)称为“玻色子”(boson),它们不服从泡利不相容原理,这使得我们可以预言,它们在低温下将表现得非常不同,形成著名的玻色—爱因斯坦凝聚现象。2001年,3位分别来自美国和德国的科学家因为用实验证实了这一现象而获得诺贝尔物理学奖,不过那已经超出我们史话所论述的范围了。
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玻色—爱因斯坦统计的确立是微粒在光领域的又一个里程碑式的胜利。原来仅仅把光简单地看作全同的粒子,困扰人们多时的黑体辐射和其他许许多多的难题就自然都迎刃而解!这叫微粒又扬扬得意了好一阵子。不过,就像当年的汉尼拔,它的胜利再如何辉煌,也仍然无法摧毁看上去牢不可破的罗马城―电磁大厦!无论它自我吹嘘说取得了多少战果,在双缝干涉条纹前还是只好忍气吞声。反过来,波动也是处境艰难。它只能困守在麦克斯韦的城堡内向对手发出一些苍白的嘲笑,面对光电效应等现象,仍然显得一筹莫展,束手无策。波动后来曾经发动过一次小小的突击,试图绕过光量子假设去解释康普顿效应,比如J.J.汤姆逊和金斯等人分别提出过一些基于经典理论的模型,但这些行动都没能达到预定的目标,最后都不了了之。在另一方面,波动企图在短期内闪电战灭亡电子的战略意图则因为微粒联合军的顽强抵抗很快就化作泡影,整个战场再次陷入僵持。
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人们不久就意识到,无论微粒还是波动,其实都没能在“德布罗意事变”中捞到实质性的好处。双方各派出一支奇兵,在对手的腹地内做活一块,但却没有攻占任何有重大战略意义的据点。在老战线上,谁都没能前进一步,只不过现在的战场被无限扩大了而已。第三次波粒战争不可避免地演变为一场旷日持久的拉锯战,谁也看不到胜利的希望。
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玻尔在1924年曾试图给这两支军队调停,他和克喇默斯还有斯雷特(J.C.Slater)发表了一个理论,以三人的首字母命名,称作BKS理论。BKS放弃了光量子的假设,但尝试运用对应原理在波和粒子之间建立一种对应,这样一来就可以同时从两者的角度去解释能量转换。可惜的是,波粒正打得眼红,哪肯善罢甘休,这次调停成为外交上的彻底失败,不久就被实验所否决。战火熊熊,燃遍物理学的每一寸土地,同时也把它的未来炙烤得焦煳不堪。
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