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下面给大家谈谈量子物理的普及知识

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我们的故事要从1887年的德国开始。位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城市， 在它的城中心，矗立着著名的18世纪的宫殿。郁郁葱葱的森林和温暖的气候也使得这座小 城成为了欧洲的一个旅游名胜。然而这些怡人的景色似乎没有分散海因里希•鲁道 夫•赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）的注意力：现在他正在卡尔斯鲁厄大学的一间 实验室里专心致志地摆弄他的仪器。那时候，赫兹刚刚30岁，也许不会想到他将在科学史 上成为和他的老师赫耳姆霍兹（Hermann von Helmholtz）一样鼎鼎有名的人物，不会想 到他将和卡尔•本茨（Carl Benz）一样成为这个小城的骄傲。现在他的心思，只是 完完全全地倾注在他的那套装置上。

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赫兹的装置在今天看来是很简单的：它的主要部分是一个电火花发生器，有两个相隔很近 的小铜球作为电容。赫兹全神贯注地注视着这两个相对而视的铜球，然后合上了电路开关 。顿时，电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装置里的感应线圈 ，并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置，在心里面想象着电容两段电 压不断上升的情形。在电学的领域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是有充分信心的，他 知道，随着电压的上升，很快两个小球之间的空气就会被击穿，然后整个系统就会形成一 个高频的振荡回路（LC回路），但是，他现在想要观察的不是这个。

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果然，过了一会儿，随着细微的“啪”的一声，一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间 ，整个系统形成了一个完整的回路，细小的电流束在空气中不停地扭动，绽放出幽幽的荧光。赫兹反而更加紧张了，他盯着那串电火花，还有电火花旁边的空气，心里面想象了一幅又 一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路，他这个实验的目的，是为了求证那 虚无飘渺的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊，它看不见，摸不着，到那时为 止谁也没有见过，验证过它的存在。可是，赫兹是坚信它的存在的，因为它是麦克斯韦（ Maxwell）理论的一个预言。而麦克斯韦理论……哦，它在数学上简直完美得像一个奇迹 ！仿佛是上帝的手写下的一首诗歌。这样的理论，很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气 ，又笑了：不管理论怎样无懈可击，它毕竟还是要通过实验来验证的呀。他站在那里看了 一会儿，在心里面又推想了几遍，终于确定自己的实验无误：如果麦克斯韦是对的话，那 么在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场，同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转 过头去，在实验室的另一边，放着一个开口的铜环，在开口处也各镶了一个小铜球。那是 电磁波的接收器，如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话，那么它就会穿越这个房间到达另 外一端，在接收器那里感生一个振荡的电动势，从而在接收器的开口处也激发出电火花来 。

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赫兹小心地把接受器移到不同的位置，电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽。根据实验数 据，赫兹得出了电磁波的波长，把它乘以电路的振荡频率，就可以计算出电磁波的前进速 度。这个数值精确地等于30万公里/秒，也就是光速。麦克斯韦惊人的预言得到了证实： 原来电磁波一点都不神秘，我们平时见到的光就是电磁波的一种，只不过它的频率限定在 某一个范围内，而能够为我们所见到罢了。
无论从哪一个意义上来说，这都是一个了不起的发现。古老的光学终于可以被完全包容于 新兴的电磁学里面，而“光是电磁波的一种”的论断，也终于为争论已久的光本性的问题 下了一个似乎是不可推翻的定论（我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战）。电磁 波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了，这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一 致性，无疑是电磁理论的一个巨大成就。

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古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，换句话说光是由一粒粒 非常小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面 ，当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论，我们把它称之 为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的，首先它就可以很好地解释为什么 光总是沿着直线前进，为什么会严格而经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同 介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一些显而易见的困难：比如人们当时很难 说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开，人们也无法得知，这些细小的光粒子 在点上灯火之前是隐藏在何处的，它们的数量是不是可以无限多，等等。

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当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和 研究，声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们开始怀疑：既然声音是一种波， 为什么光不能够也是波呢？十七世纪初，笛卡儿（Des Cartes）在他《方法论》的三个附 录之一《折光学》中率先提出了这样的可能：光是一种压力，在媒质里传播。不久后，意 大利的一位数学教授格里马第（Francesco Maria Grimaldi）做了一个实验，他让一束光 穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马 第马上联想起了水波的衍射（这个大家在中学物理的插图上应该都见过），于是提出：光 可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。

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波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下 水波，它不是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果。光的波动说容易解释投 影里的明暗条纹，也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题， 人们很快就认识到光的波长是很短的，在大多数情况下，光的行为就犹同经典粒子一样。 而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题，那就是任何波动都需要 有介质才能够传递，比如声音，在真空里就无法传播。而光则不然，它似乎不需要任何媒 介就可以任意地前进。举一个简单的例子，星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球， 这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见 摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字，叫做“ 以太”

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以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的 由来则早在古希腊：亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星 辰围绕着地球运转，但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美 无缺的，它们只能由一种更为纯洁的元素所构成，这就是亚里士多德所谓的“第五元素” ——以太（希腊文的αηθηρ）。而自从这个概念被借用到科学里来之后，以太在历史 上的地位可以说是相当微妙的，一方面，它曾经扮演过如此重要的角色，以致成为整个物 理学的基础；另一方面，当它荣耀不再时，也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎，改 换头面，赋予自己新的意义，却仍然逃不了最终被抛弃的命运，甚至有段时间几乎成了伪 科学的专用词。但无论怎样，以太的概念在科学史上还是占有它的地位的，它曾经代表的 光媒以及绝对参考系，虽然已经退出了舞台，但直到今天，仍然能够唤起我们对那段黄金 岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片，记载了一个贵族光荣的过去。今天，以太（Ethe r）作为另外一种概念用来命名一种网络协议（Ethernet），看到这个词的时候，是不是 也每每生出几许慨叹？
向以太致敬。

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关于光究竟是什么的问题，在十七世纪中期有了两种可能的假设：微粒说和波 动说。
然而在一开始的时候，双方的武装都是非常薄弱的。微粒说固然有着悠久的历史，但是它 手中的力量是很有限的。光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领地，但波动 方面军队在发展了自己的理论后，迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为 一种新兴的理论，格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝，但它却拖着一个沉重的包 袱，就是光以太的假设，这个凭空想象出来的媒介，将在很长一段时间里成为波动军队的 累赘。
两支力量起初并没有发生什么武装冲突。在笛卡儿的《方法论》那里，他们还依然心平气 和地站在一起供大家检阅。导致“第一次微波战争”爆发的导火索是波义耳（Robert Boyle，中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人？）在1663年提出的 一个理论。他认为我们看到的各种颜色，其实并不是物体本身的属性，而是光照上去才产 生的效果。这个论调本身并没有关系到微粒波动什么事，但是却引起了对颜色属性的激烈 争论。
在格里马第的眼里，颜色的不同，是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克 （Robert Hooke）的兴趣。胡克本来是波义耳的实验助手，当时是英国皇家学会的会员， 同时也兼任实验管理员。他重复了格里马第的工作，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的 色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他的判断，光必定是某种快速的脉冲，于是 他在1665年出版的《显微术》（Micrographia）一书中明确地支持波动说。《显微术》这 本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，波动说由于这位大将的加入，似乎也在一时 占了上风。

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然而不知是偶然，还是冥冥之中自有安排，一件似乎无关的事情改变了整个战局的发展。

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1672年，一位叫做艾萨克•牛顿的年轻人向皇家学会评议委员会递交了一篇论文， 名字叫做《关于光与色的新理论》。牛顿当时才30岁，刚刚当选为皇家学会的会员。这是 牛顿所发表的第一篇正式科学论文，其内容是关于他所做的光的色散实验的，这也是牛顿 所做的最为有名的实验之一。实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive：炎 热难忍的夏天，牛顿却戴着厚重的假发呆在一间小屋里。四面窗户全都被封死了，屋子里 面又闷又热，一片漆黑，只有一束亮光从一个特意留出的小孔里面射进来。牛顿不顾身上 汗如雨下，全神贯注地在屋里走来走去，并不时地把手里的一个三棱镜插进那个小孔里。 每当三棱镜被插进去的时候，原来的那束白光就不见了，而在屋里的墙上，映射出了一条 长长的彩色宽带：颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个实验，得出了白色光是由七彩光混合 而成的结论。

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然而在这篇论文中，牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波 义耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称，牛顿论文中正 确的部分（也就是色彩的复合）是窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不 值一提。牛顿大怒，马上撤回了论文，并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。

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但是，一方面因为胡克的名气，另一方面也因为牛顿的注意力更多地转移到了运动学和力 学方面，牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说（只是在几篇论文中反驳了胡克）。而 这时候，波动方面军开始了他们的现代化进程——用理论来装备自己。荷兰物理学家惠更 斯（Christiaan Huygens）成为了波动说的主将。

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惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的，他继承了胡克的思想，认为光是一种在以 太里传播的纵波，并引入了“波前”的概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律。 他的波动理论虽然还十分粗略，但是所取得的成功却是杰出的。当时随着光学研究的不断 深入，新的战场不断被开辟：1665年，牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜 照射到光学平玻璃板上，会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹，也 就是著名的“牛顿环”（对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道）。到了1669年，丹麦的巴 塞林那斯(E.Bartholinus)发现当光在通过方解石晶体时，会出现双折射现象。惠更斯将 他的理论应用于这些新发现上面，发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地，只 需要作小小的改制即可（比如引进椭圆波的概念）。1690年，惠更斯的著作《光论》（Tr aite de la Lumiere）出版，标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。