《上帝掷骰子吗》总结
总结
简单说,书是围绕“光是波还是粒子”之争展开的物理学科普。
光,是我们每个人见得最多的东西,自古就被认为是宇宙最原始的事物之一。神话往往都是从“光”展开的,比如一道光劈开了混沌、神创造了光等,光永远代表着希望。
那么这个光究竟是“粒子”还是“波”呢?
波粒大战的三个节点
我们来说一下几个比较有代表性的波粒大战节点。
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光的色散
我们先来说下“经典物理学大夏”的奠基人牛顿的看法:粒子。
顺便提一句,在牛顿的体系里时空是绝对的,时间和空间是独立的概念。
他做了一个很有名的实验:光的色散,简单说就是把光折射出彩虹。
我们知道颜色是与光的频率(波长)有关,而频率反映了光的波动特征。这有点颠覆牛顿的认知,他不愿意相信,于是从“粒子”的角度解释这个现象,并提出了用“波”解释不通的问题,比如:如果光和声音都是波,为什么光无法像声音那样绕开障碍物前进? -
光的干涉
托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝实验:让一束光经过相距很近的两条狭缝后,投射到缝后的屏幕上,会发生衍射——光绕过障碍物弯散传播的现象,在屏幕上看到的并不是一条竖着的亮纹,而是一条横着的光带。
实验证明光以波动形式存在,而不是牛顿所想象的光粒子。 -
光电效应
爱因斯坦提出了光电效应:当用光去照射金属板时,一定条件下就会有电子飞出来。并且电子飞出来只跟光的频率有关,跟光的强度没有关系。
实验充分说明了光是“粒子”。
解释一下,把电子当成小球,如果光是波,它就是连续地给小球传递能量,原则上说能量足够多,小球就会飞出来。但是实验说明了小球飞出来 和强度(多少)没关系,跟频率(力量)有关系,也就是当你用足够的有力的光子才能把小球砸出来。
这下好了,光既是“波”又是“粒子”,给科学家们整不会了。
物理学的“两朵乌云”
物理学发展到19世纪末期,可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。大到恒星,小到电子,几乎一切物理现象都能得到满意的回答,除了这两朵“乌云”,
- 迈克尔逊-莫雷实验
光波为什么能在真空中传播?它的传播介质是什么?物理学家给光找了个传播介质——“以太”。这个实验检测显示,不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同,以太学说破灭。 - 黑体辐射实验和理论不一致
黑体辐射实验,发现黑体辐射的能量不是连续的,它按波长的分布仅与黑体的温度有关。
第一朵乌云,最终导致了相对论革命的爆发。“光速不变”就是相对论的根基,相对论的出现也推翻了牛顿的绝对时空观。
第二朵乌云,最终导致了量子论革命的爆发。量子论的深入研究,彻底让微观世界走向了“玄学”。举个例子,“量子纠缠”和“双缝干涉”表示:一个粒子的状态具有“不确定性的”,我们是否用仪器去观测影响粒子最终的呈现状态。
四种基本力的大统一
我们知道,现在有四种基本力:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。
现在“杨-米尔斯理论”是粒子物理标准模型,已经统一了除了“万有引力”之外的三种力。
科学家们一直在努力寻找一种统一的理论来解释所有相互作用,目前看来“弦理论”是最有潜力的。