因为推动了光物理学的新进展,普朗克和爱因斯坦分别于1918年和1921年获得了诺贝尔奖。遗憾的是,吉尔伯特·路易斯并没有获得诺贝尔奖,但他有一副令人敬畏的小胡子,而且被认为是“jiffy(瞬间)”一词的发明者,所以在某种程度上,每个人都是赢家。
嗯……爱因斯坦?我们有个问题
爱因斯坦证明了光是由粒子构成的,这不仅支持了普朗克的量子理论,也公然挑战了托马斯·杨的光波理论。
一方面,光电效应和紫外灾难只有一种解释:光由粒子构成;另一方面,双缝实验表明,光是通过某种背景介质的波。
当两种假设发生冲突时,科学家只好通过实验解决分歧。可是如果实验本身也有分歧,那么以牛顿的苹果的幽灵之名,我们该怎么办?这在科学中是史无前例的,我们必须努力找出一个漏洞。
也许我们可以用光子来解释双缝实验的结果。我们的光源会像机关枪一样喷射出光子,它们会在空气中相互碰撞形成斑马条纹吗?
验证这一点的最好方法,是让光子在飞过双缝时不可能相互作用。我们不要一次性把光子都射出去,而应该试着一个接一个地发射,相当于用狙击步枪取代机关枪。
多年以来这个实验有很多版本,其中最好、最简易的是1994年外村彰在日立制作所工作时做的那个。[3]这家制造油箱、冰箱和**的公司,声称进行了有史以来最精确的双缝实验。
外村彰的设计细节与托马斯·杨的有很大不同,但它们都实现了相同的目的,所以为了简便,我会使用相同的术语,尽管它比我将要表述的复杂得多。
在实验中,外村彰的光束发射器朝着双缝发射光子,光可以由高亮度调节至低亮度。双缝的另一侧放置一块探测屏,该探测屏的制成材料在受到撞击时就会发光,因此粒子到达的每一个地方都会形成光点。
与托马斯·杨的原版一样,当一束完整的光射向双缝时,外村彰得到了预期中的斑马条纹,可是当他把强度降低到每次一个光子时,他得到了一些非常奇怪的东西。
最开始的几分钟很无聊。射向双缝的每一个光子随机地打在探测屏上。但随着他继续观察,光点的图案逐渐累加,形成这样的带状物……眼熟吗?
这完全说不通,因为每个粒子都是单独发射的。斑马条纹的形成需要分别通过两条狭缝的两个光子相互混合。如果每个光子都是单独发射的,那么它与谁混合呢?在没有任何东西与光子发生干涉的情况下,它们是如何产生干涉条纹的呢?难道是光子以某种方式同时通过了两条狭缝?
量子长裤
我记得有一次我从洗衣店里取出一条长裤。我很困惑,因为我正穿着这条长裤。我茫然地站了几秒钟,确信自己是这条量子长裤的主人,而它正处于不同位置的长裤叠加态。
然后有人告诉我,我有两条一模一样的长裤,只是以前我没有留意。我之前的那种辩解是在考虑量子力学。在量子力学中,你永远不会做出简单的解释,简单的解释永远行不通。
发射器中激发的光可以像粒子一样运动,但双缝实验表明,它在穿过狭缝时可以像波一样运动。
在艾萨克·牛顿的“经典物理”中,一切都是合理的,粒子与波截然不同。量子论模糊了这个边界。
原因很复杂
爱因斯坦在瑞典领取诺贝尔奖的时候,年轻的丹麦物理学家兼足球爱好者[4]尼尔斯·玻尔正在把量子论应用到整个原子上。
原子由几种粒子构成,包括聚集在原子核中心的质子,以及在原子核外、像蜜蜂绕着蜂巢一样嗡嗡飞行的电子。(原子核里也有中子,但当时尚未被发现。)
众所周知,发光原子发出的光,其值是该原子所特有的。例如,热铁发出的光与热镍发出的光频率不同,相反,当光照射在原子表面时,它们吸收不同颜色的光。以前这很难解释,因为人们认为光是一种平滑的波状物质。可是,一旦我们知道光有时由特定能量的粒子构成,就有可能解释它与物质的相互作用。光子能有特定的值,所以电子能也有特定的值。