上帝掷骰子么

上帝掷骰子么？1887年，赫兹通过在两个铜球之间引发震荡电场，在房间另一端的接收器上激发出电火花，证明了电磁波的存在。这是麦克斯韦理论的胜利，麦克斯韦公式，美妙的像是上帝亲手写下的诗歌。关于光的微波大战在古希腊，人们认为光是从我们眼睛里发射出去的东西，当到达了物体，物体就被我们看见了。这解释不了暗处无视野，也解释不了闭上眼睛无光亮。罗马时代，之所以可以看到物体，是光从物体上反射进入眼中的结果。小孔成像。而“光在本质上究竟是什么东西”一直未曾得到解答1、光的粒子性最早发源于古希腊，认为光是一束非常小的粒子流。2、中世纪过后，光的波动学说被提出，但仍有一个基本难题，那就是波必须有介质。从而我们假设了一种看不见摸不着的介质——以太。Round1:胡克、惠更斯与牛顿1704年，牛顿出版了自己的《光论》，将光的色散解释为不同颜色微粒的混合和分开从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环及衍射，对波动学说提出了驳斥。惠更斯和胡克的光环转瞬即逝。——那时的牛顿，已经不是那个可以再评议会上被人质疑的青年，那时的牛顿，已经是出版了《数学原理》的牛顿，是发明了微积分的牛顿，那个时候，他已经是国会议员，皇家学会会长，已经成为科学史上神话般的任务，在世界各地，人们对他的力学体系顶礼膜拜。Round2:波动反击托马斯杨：杨氏双缝的反击。两列波在波峰和波谷叠加时，会出现抵消。这个实验绝对是物理学史上最经典的五个实验之一。菲涅尔：提出光是一种横波（类似水波，振子作相对传播方向垂直运动的波），而不是胡克提出的纵波（类似弹簧波，振子作相对传播方向水平运动的波），完美的解释了光的衍射。此理论应用于圆盘衍射时，会在阴影中出现亮斑，在组委会评委泊松的眼里看来十分荒谬，而这就是后来的泊松亮斑。波动学说现今唯一的问题：波传播的介质，以太究竟是什么？但是波动学说被糊弄过去了1856,1861和1865发表了三篇关于电磁理论的论文，这是麦克斯韦开天辟地的杰作，它在牛顿力学的大厦上又完整建立起了另一座巨构，光是一种电磁波。而赫兹最终证实了电磁波的存在。著名的麦氏方程刚一问世，就被世人惊为天物，它所表现出来的深刻、对称、优美使得每一个科学家都陶醉在其中，玻尔兹曼更情不自禁的引用歌德的诗句，：“难道是上帝写的这些么？”物理学征服了世界，在19世纪末，它的力量控制着一切人们所知的现象，古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒，从天上的星辰到地上的石块，都毕恭毕敬的遵循着她制定的规则。在光学方面，波动学说统一天下，电磁理论将它的光荣扩大到了整个电磁世界；热的方面，热力学三大定律已经成型，在天才的努力下，分子运动论和统计热力学也被成功的建立起来了，而这一切都彼此相符，互相包容，形成了经典物理的大同盟。经典力学、经典电动力学和经典热力形成了物理世界的三大支柱，他们构筑起了一座华丽雄伟的殿堂。19世纪的物理学天空中闪烁着金色的光芒，经典物理帝国的繁华和自负空前绝后。你以为这是永恒的色彩，但一切不过是众神的黄昏。两朵乌云开尔文：动力学理论断言，光和热都是运动的方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮盖。这两朵乌云，分别是指经典物理在光以太和麦克斯韦—玻尔兹曼能量均分学说上的难题。1.迈克尔逊—莫雷实验若有以太存在，则它作为绝对静止的参考系，当地球运动时，会有“以太风”的存在。可是，结果什么都测不到。这是物理学史上最有名的失败实验，以太这个概念是经典物理学和经典时空观的基础，而其支柱被一个实验的结果无情的否定。2.黑体辐射实验和理论的不一致。物体的辐射能量和温度究竟有着怎样的关系，是黑体辐射公式想要解决的问题。而在电磁波的理论之下，科学家们得到了两个公式，一个只符合长波，一个只符合短波。当时人们无法预见，这两朵乌云马上要把他们从豪华舒适的宫殿中驱逐出来，给物理学带来伟大的新生，并重新建造起两幢更加壮美的大厦。第一朵乌云，导致了相对论革命的爆发第二朵乌云，导致了量子论革命的爆发从数学开始，推倒物理。普朗克开始从数学上整合了长短波的公式，在实验中获得了数据的成功，而普朗克开始研究这个正确答案背后的物理意义。在人生的分水岭上，普朗克拿出了自己最大的决心和勇气，做好了抛弃经典物理的准备，但他终于获得了公式背后的意义后，整个物理学和化学都将被彻底的摧毁和重建，一个新的时代即将到来。“必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份份的”普朗克方程倔强的要求，能量不能是无限连续的，必须分成有限的一份份，这就是普朗克常数h=346.62610J·s普朗克是一个时代的幸运儿，尽管他潜在已经做好了抛弃经典物理的准备，但是他却不能回答和挖掘自己找到的答案。普朗克始终觉得量子的假设不是物理真实，他从一个革命的创始者最终走到了时代的反面。而普朗克的保守态度也并不是偶然，而是量子的思想太惊人，太过于革命，不少天才触到了它的枝桠，却走到了保守的一方。他们像是洞穴预言里第一批转过身的人，却因为火光的刺眼，而又再度回到黑暗的角落。量子流星微波战争仍在继续Round3:阿尔伯特·爱因斯坦光电效应被证实——能不能从金属中打出电子，由光的频率决定，打出多少，强度决定。麦克斯韦理论在光电效应的泥潭面前难以逾越，而那个时代，恰恰是爱因斯坦的时代。爱因斯坦阅读了普朗克的论文，而提出了光量子。从光量子的角度出发，一切变得简单明了，频率更高的光线，它的单个量子拥有更高的能量，因此当它的量子作用到金属表面的时候，就能够激发出拥有更多动能的电子，强光包含了更多数量的光量子，所以可以激发更多的光量子。而低频光每一个量子都不足以激发电子，所以光强更多也无济于事。光以量子的形势吸收能量，没有连续性，不能累计，一个量子激发出一个对应的电子。爱因斯坦之后，补刀的是康普顿的X射线研究康普顿在研究X射线被自由电子散射之后，一部分波长不变，一部分波长变长。他引入光量子后，得出波长改变的原因是光子和电子碰撞引起的。光子像普通的小球那样，不仅带有能量，还具有冲量，使得电子能量增大，光子能量（频率）减小，从而波长增大。Round4:原子模型J·J·汤姆逊发现了电子，首次提出原子可分割——葡萄干布丁模型原子球状，带正电，负点电子镶嵌于圆球上卢瑟福的α粒子散射实验证明，原子必定有坚硬密实的核心。带正电，集中大部分质量，占据位置小——行星系统模型一个占据了绝大部分质量的原子核在原子中心，而带负电的电子沿特定轨道围绕其运行。可是这样的体系毫不稳定，它会不可避免的释放出辐射能量，而最终导致电子将的坠毁。波尔利用量子物理的理论，让这样的系统稳定下来。电子的轨道必须是量子化的，不能连续而任意取值，电子在内部轨道上进行跃迁时，会释放出或吸收符合巴尔末公式的能量。使得释放出的光谱有特定的波长“分形宇宙”但波尔理论无法解决原子谱线分裂问题，也只适用于一个电子的原子模型。德布罗意想要在波尔的原子模型自然的引进一个周期的概念，赋予电子一个基本性质，让电子自觉地表现出周期和量子化现象。电子存在内在频率，就在研究频率时，德布罗意发现电磁在前进时，总是伴随着一个波——德布罗意波。电子被证实是一种波。随着德布罗意波的衍射实验被证实，微波理论再次参战，但威尔逊云室和电子捕捉装置仍满足电子的经典粒子假设那个带领我们穿越物理学迷雾的人，后来回忆说。1924年到1925年，我们在原子物理方面虽然进入了一个浓云密布的领域，但是已经可以看到微光，并展望出一个令人激动的远景。——维尔纳·海森堡在大时代的黎明到来之前，总要经历这样深深的黑暗。海森堡利用不遵守交换律的矩阵运算带入到经典物理学公式，可以自然推导出量子化的原子能级和辐射频率。但海森堡认为矩阵运算本身并未有意义，只是用数学契合物理定律的工具。狄拉克利用泊松括号将矩阵运算进行简化和证明。对于反常赛曼效应，也就是原子谱线分裂的问题，曾经要求引入0.5的量子数，为此，泡利不相容定律被提出1924年，泡利发表了他的“不相容原理”：原子中不能有2个电子处于同一量子态上。简单来说，泡利原理就是电子除空间运动状态外，还有一种状态叫做自旋。电子自旋不可以简单地比喻成球的自转，而是电子的固有属性（内秉属性），是空间外的另一个维度的物理量。电子自旋有两种状态，常用上下箭头表示自旋状态相反的电子。在一个原子轨道里，最多只能容纳两个电子，而且它们的自旋状态相反。海森堡用矩阵力学处理了自旋模型，大获全胜可是这样的模型，无疑将电子又拉入了粒子领域人们后面讲述那个年代，像是在讲述一个童话故事。物理学家们一个个都被洪流冲击的站不住脚，节奏快得几乎不给人喘息的机会，爆炸性的概念一再被提出，每一个都足以改变整个科学的面貌。那是理论物理的黄金年代，英雄们留下的基业，永远让后人心神向往。薛定谔，将电子看成德布罗意波，用一个波动方程去表述它——薛定谔波函数。原子的光谱可以从波动方程被推导出来，而不是需要利用复杂的矩阵运算。从薛定谔波方程可知:电子有着一个内在的波动频率，所以假如电子有了某种固定的圆形轨道，这种轨道的大小显然也只能是某种特定长度。矩阵力学，波动力学，量子力学的内战开始。很快，人们发现，波动方程和矩阵能够互相推导，但他们在事实的假定上却截然不同世界是离散的，不连续的，粒子的？还是连续的，粒子的特性不过是波的衍生物？下一个争论在于，薛定谔波动方程中的究竟是什么？波恩突然神秘的笑了，我猜，这里面藏着的是骰子。波恩：的平方，代表了电子在某个地点出现的概率，电子本身并不会像波那样扩散开去，但它的出现概率却像一个波，严格按照的分布所展开。成群的电子穿越双峰，按照的概率分布，显示出衍射的波的特质。究竟电子出现在那里，我们无法确定，我们只能预言概率而已。我们只能预言概率而已。这无疑是对古老物理的一种大不敬，从伽利略牛顿以来，一切的一切都在物理定律的监视下一丝不苟的进行，我们的定律和方程能够毫不含糊的预言和推算。19世纪初，法国科学家拉普拉斯用牛顿方程计算出了行星轨道后，把它展示给拿破仑看，皇帝问道：在你的理论中，上帝在哪儿呢？拉普拉斯平静的回答：陛下，我的理论不需要这个假设。这是科学最光荣最辉煌的时刻之一了。科学志得意满。上帝在物理学中找不到自己的位置，一切都是由物理定律来统治的，上帝被物理学赶出来舞台。拉普拉斯妖拉普拉斯想象，假如我们有一个妖精，一个大智者，或者任何拥有足够智慧的人物，假如他能够了解在某一个，这个宇宙所有分子的运动情况的话，那么他就可以从正反两个方向推演，从而得出世界任何时刻的状态，对于这样的智者来说，没有过去未来的区别，一切都历历在目。而波恩的不确定理论告诉我们，我们无论将电子的初始状态和环境问题计算的再精确，我们也不能预言电子最后的准确位置，这种不确定深藏在物理定律本身内部的一种属性。这已经不是推翻某个理论的问题，而决定论是那时整个科学的基础，量子论无疑挑战了整个科学。海森堡测不准定理——不确定性原理。当我们观测物体的位置时，也就是“看到”，光子从光源出发，撞到电子，然后反弹到你的眼睛里，当我们派遣光子去执行观测的任务时，我们剧烈的改变了它的速度，也就是动量，所以我们没法同时的知道每一个电子的位置，同时知道它的动量。位置和动量，不论我们亲近哪个，都会急剧的疏远另一个。海森堡说：理论限制了我们能够观测到的东西，而不是实验导致的误差。同时测量到准确的动量和位置在原则上都是不可能的。测不准原理本身并不能证明光到底是粒子还是波，波尔的互补理论玻尔从而说：电子的真身？电子的本来面目？电子的终极理念？这些都是毫无意义的词汇，对于我们来说，唯一知道的只是每次我们看到的电子是什么。我们看到的电子呈波动性和粒子性。我一点也不关心电子本来是什么，我觉得那毫无意义，我也不关心大自然本来是什么，我只关心我们能够观测到的大自然是什么。关于电子，关键是我们如何观测它，而不是它究竟是什么。电子究竟是例子还是波，那要看你怎么观测它，你要问我它本来是什么？让本来见鬼去吧。电子的本质是暧昧的，但一旦确立了观测方式，它的性质就是确定的。微波战争以这样戏剧化的方式收场，玻尔的互补理论，波恩的概率解释，海森堡的不确定性，共同构成量子论哥本哈根解释的核心，至今仍