《上帝掷骰子吗？》，上篇：光的本性之争

淡然

　　1887年，德国卡尔斯鲁厄大学的一间实验室，30岁的赫兹正全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球。合上开关，伴随着细微的“啪啪”声，一束束美丽的蓝色电火花像幽灵一样闪现在两个铜球之间。物理学的一个新高峰——电磁理论终于宣告落地。法拉第为它打下了地基，麦克斯韦建造了它的主体，今天，他，伟大的赫兹，为这座大厦封了顶。

　　赫兹的实验证实了电磁波的存在，根据实验数据，赫兹算出了电磁波的速度，30万公里每秒——光速。随后，电磁波的反射、衍射和干涉实验现象的相继出现证实了光原来就是电磁波，这为光的本性之争画上了一个似乎不可更改的句号。

　　让我们穿越时空，去回顾一下有关光的本性这场大战。这也许是物理学史上持续时间最长，程度最激烈的一场论战。它不仅贯穿于光学发展的全过程，还使整个物理学发生了翻天覆地的变化，在历史上留下永不磨灭的烙印。

　　关于光的本性，17世纪中期有两种假说：微粒说和波动说。光的直线传播和反射、折射是微粒说的领地，光的衍射实验是波动说的法宝。“第一次波粒战争”爆发的导火索是波义耳提出的颜色属性之争。

　　1704年，牛顿在巨著《光学》中，详尽阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。因他的才华和权威，第一次波粒大战以波动的惨败告终，微粒说牢牢占据了物理界的主流。波动被迫转入地下，在长达整整一个世纪的时间里潜伏着以待东山再起。

　　1807年，托马斯.杨名扬四海的实验“光的双缝干涉”，点燃了“第二次波粒战争” 。1818年，法国科学院发起征文竞赛“利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情况”，竞赛评委包括拉普拉斯、泊松等积极的微粒说拥护者，评委本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动，以打击波动理论。

　　结果有点戏剧性：31岁的菲涅尔采用了光是波动的观点，以严密的数学推理，极为圆满地解释了光的衍射问题。泊松把这个理论应用于圆盘衍射，推出在阴影中间将会出现一个亮斑。阿拉果坚持实验检测，泊松亮斑出现了，其位置和亮度与理论符合得相当完美。反围剿成功。

　　1821年，菲涅尔用横波理论成功解释了偏振现象。1850年，傅科向法国科学院提交了他关于光速测量的实验报告，测得光在水中的速度只有真空中的3/4，与波动论吻合。根据粒子论，光在水中的速度比真空中的要快。第二次波粒战争随着微粒的战败尘埃落定。

　　麦克斯韦理论预言，光其实是电磁波，这个预言赫兹在1887年用实验给予证实。波动的光辉达到顶点，它所依靠的，是麦克斯韦不朽的电磁理论。

　　为摆脱黑体辐射中的困境，普朗克做出如下假设：能量不是连续不断，而是一份一份的。1900年12月14日，这一天是量子的诞辰。量子的幽灵从普朗克的方程中跳脱而出，划破夜空，并摧枯拉朽地打破旧世界的体系。

　　光照射到金属上，会从它的表面打出电子，人们把它叫做“光电效应”。对于特定的金属，能不能打出电子，由光的频率说了算；而打出多少电，则由光的强度说了算。为了解释这种现象，1905年，爱因斯坦提出光量子假说：组成光的能量是一份一份的，每份叫做“光量子”。光量子假说能很好地解释光电效应。光量子其实就是昔日的微粒说翻版，历史在转了一个大圈之后，又回到起点。关于光的本性，干戈再起，“第三次波粒战争”一触即发，而这距托马斯.杨的时代又过去了一百年。

　　1923年，康普顿效应证明光不仅具有能量，还具有冲量。光子和电子相撞，将自己的部分能量转移给电子，光子能量下降，波长变长。“第三次波粒战争”全面爆发。微粒军团携带光电效应和康普顿效应卷土重来。

　　1897年，汤姆逊发现电子，勾勒出原子的“葡萄干布丁”模型。吾爱吾师，吾更爱真理。1910年，汤姆逊的学生卢瑟福根据α粒子散射实验，提出原子的“核式结构”模型。根据麦克斯韦理论，这个体系是不稳定的，电子绕着原子核运转，放出电磁辐射，电子失去能量，走向坍缩，宇宙陷入混沌。为解决困境，玻尔提出玻尔理论：电子轨道和原子能量具量子化，电子在轨道稳定运行时不向外辐射能量。

　　玻尔模型符合巴耳末公式所描述的氢原子谱线，预测了一些新的谱线也得到了证实，也能很好地解释磁场下的塞曼效应和电场下的斯塔克效应。但玻尔的革命是一次不彻底的革命，量子的假设没有在他的体系里得到根本的地位，只是一个调和经典理论和现实矛盾的附庸。玻尔理论没法解释，为什么电子有着离散的能级，面对两上或以上核外电子的原子，它亦是无能为力。

　　玻尔理论的衰落和它的兴盛一样迅猛。青山遮不住，毕竟东流去。但它的伟大意义却不因为其短暂的生命而褪色。它挖掘出了量子的力量，为未来的开拓者铺平了道路。它承前启后，推动了整个物理学的发展。如果说1900年普朗克宣告了量子的诞生，1913年玻尔则宣告量子进入了青年时代。

　　玻尔原子模型中，电子轨道量子化。德布罗意根据爱因斯坦相对论，通过运算，发现当电子以速度V0前进时，伴随着一个速度为C2/V0的波。德布罗意不但发现电子是个波，还预言电子在通过一个小孔或者晶体时，会产生衍射现象。这个预言在1927年被戴维逊和革末在实验室证实。

　　电子是个波？宇宙万物不都是由原子核和电子所组成的吗？如此，桌子也是波，椅子也是波，你和我都是波？0h my God， “德布罗意事件”将第三次波粒战争推向高潮。现在的问题不再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，整个物质世界到底是粒子还是波。

　　海森堡坚定地认为：物理学，只能够建立在能被实验观察和检验的东西之上。玻尔模型中，单独的能级无法观测，能观察到的是能级差，用傅里叶级数展开的，必须写成nvxy，一张二维的表格！海森堡得出Ⅰ*Ⅱ≠Ⅱ*Ⅰ。Matrix，标志着新生量子力学的诞生。

　　波恩和约尔当合作，把经典力学的哈密顿变换统统改造成矩阵的形式，传统的动量p和位置q这两个物理变量，现在成为两个含有无限数据的庞大表格，如海森堡所料，它们的乘积并不遵守传统的乘法交换率，即：p*q≠q*p。别大惊小怪，量子世界本就荒诞不羁。

　　波恩和约尔当算出pq-qp=hI/2πi，这奠定了矩阵力学的基础。在这种新力学体系下，普朗克常数和量子化从我们的基本力学方程中跳了出来，成为自然界的内在禀性。牛顿体系里的种种结论，比如能量守恒，从新理论中也可以得到，老的经典力学包含在新的力学体系中。狄拉克把繁杂的矩阵换成“泊松括号”也能得出同样的结果，简洁明晰。

　　新的力学体系，由海森堡为它奠基，波恩、约尔当用矩阵为它建造了坚固的主体，狄拉克用优美的“q数”为它做了最好的装饰。令人头痛的“反常塞曼效应”，在乌仑贝克和古兹密特提出自旋，海森堡和约尔当用矩阵力学处理自旋时宣告获胜。1926年海森堡和约尔当的成功不仅是电子自旋模型的胜利，也是新生的矩阵力学的胜利。

　　原子的能量不是连续的。为了描述这一现象，玻尔强加了一个“分立能级”假设，海森堡用了庞大的矩阵。薛定谔，受德布罗意启发，把电子看成德布罗意波，用一个波动方程去表示，原子的神秘光谱完美呈现。1926年，薛定谔发表《量子化是本征值问题》，另一种全新的力学体系——波动力学宣告建立。

　　薛定谔、泡利和约尔当各自证明两种新力学在数学上完全等价。追寻它们的家族史，发现它们都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，另一个是从波动方程出发。矩阵力学，坚持以数学为唯一导向，本意是粒子性和不连续性；波动力学，试图恢复经典力学的形象化，关注的是波动性和连续性。相看两厌，波粒战争再次升级，上升到对整个物理规律的解释这一层面。

　　波粒之战处在焦灼状态，福尔摩斯说：“判断真伪，我的方法是建立在这样一种假设上：当你把一切不可能的结论都排除之后，剩下的，不管多么离奇，必然是事实。” 至理名言啊！电子不可能不是粒子，不可能不是波，那么，它既是粒子，又是波！

　　电子是粒子还是波，看你怎么观察，如果采用康普顿效应的观察方式，它就是粒子；若采用的是双缝观察，它就是个波。粒子属性与观察方式有关！是花瓶还是人脸，取决于你是把黑色还是白色作为底色。

　　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，这就是玻尔的“互补原理”。“第三次波粒战争”终在量子世界的“波粒二象性”中完美收官。