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第四节
光学溯源

追溯量子力学的起源,我们可以从古代人们对光学现象的认识开始。我国春秋战国时期的墨子的著作中,就记载了包括小孔成像在内的“光学八条”的光学现象和原理探讨。古希腊的先哲则直观地以为,光是从眼睛发射出来的粒子流。在后来漫长的岁月中,人们也在生活和生产中逐步体会和积累关于光的一些知识。随着光的衍射现象的发现,光的波动说逐步被世人们所瞩目。到了十七世纪,牛顿以其非凡智慧和超人气概,对光的性质进行了深入研究,一度使得光的粒子说雄踞统治地位一个多世纪。到了1801年,英国科学家托马斯·杨做的双缝干涉实验在看似平静的光的世界再次掀起阵阵涟漪,无可置疑地证明了光的波动性。1819年,法国科学家菲涅尔用波动理论成功解释了光的衍射实验,由此而进一步发现的泊松亮斑使得波动学说的大厦更加坚实。1821年,菲涅尔又用横波理论成功解释了偏振现象,攻克了光的波粒大战中最难以征服的据点。到了十九世纪五、六十年代,英国伟大物理学家麦克斯韦以其天才的智慧统一了电场和磁场,并且提出光是一种电磁波的预言。后来赫兹于1887年用实验验证了电磁学说的正确性,使得光的波动学说成为世人头脑中一种确凿无疑的认识。到此为止,可以说光的波动说大获全胜,其地位几乎已无可撼动。然而在此后的几年中,基于波动理论指导而试图解释黑体辐射和光电效应却遭遇到难以突破的瓶颈。直到1905年爱因斯坦的光量子学说问世后,大家才逐渐认识到,光是同时具有波粒二象性的,只是在某种测量的情况下,它表现为粒子的特性,在另外的现象中,它又表现出波的特性。或者我们可以这样认为:光现象本身兼具二象,人们是在不同的实验情况下分别观察到了光的粒子性或波动性的一个侧面而已。

1909年,泰勒做了单光子双缝干涉实验,再次掀起量子世界的轩然大波。我们不知道当时的科学家们如何从经典物理学角度看待这个令人匪夷所思的实验结果。在此实验的十几年以后,当哥本哈根学派诠释这个实验结果时,单光子双缝干涉实验就成为量子力学哥本哈根诠释的重要基石,也成为该学派众多奇特观点和怪异推论的核心。后来在二十世纪六、七十年代,科学家们又分别用电子束和单电子进行双缝干涉实验,结果和光子的实验结果如出一辙。在2002年评选出的物理学史上十大最美物理实验中,单电子双缝干涉实验位列第一,而杨氏双缝干涉实验排名第五。单光子双缝干涉实验的哥本哈根诠释远远超出经典物理学的框架,它在人们的脑海中掀起了前所未有的风暴和冲击。与普朗克小心翼翼提出的能量量子化假设长期受到的冷遇相比,哥本哈根学派在解释单光子双缝干涉实验时引进的叠加态假说却很快被大家接受,不仅风靡一时,而且流传至今而方兴未艾,基于其上的种种推论甚至成为20世纪物理学中最有影响的科学流派的核心理念。两种新学说相差悬殊的不同命运确实给人不同的感受和联想。 hq+HsBOfu/cPv49KFdnSgRO8h63xbyq7v9ulFpmrvSYC1zNa5CF3Ld6iWQNsLMI1

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