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第2章 星星点点（第1页）

第2章　星星点点

神秘博士

1905年，普朗克差不多已经忘了他的光粒子理论，他此时是世界最负盛名的物理学杂志之一—《物理学年鉴》的高级编辑。这意味着普朗克会收到许多来自江湖骗子的建议，其中大多数都被他丢弃了。

那年三月，普朗克收到了一篇论文，声称光的确是由粒子构成的—这并不只是为了让数字合理而随意捏造的理论。乍一看，这又是一个疯狂的想法。这篇论文来自瑞士一位不知名的26岁业余物理学家，他拥有高中教师资质，仅此而已。然而，论文中的物理学知识无懈可击，还解决了多年来一直困扰人们的另一难题。

起初普朗克不敢相信，他甚至派助手到瑞士去核实，看这位“阿尔伯特·爱因斯坦”究竟是否真的存在，还是什么人为了不被嘲笑而起的化名。[1]当普朗克发现确有爱因斯坦其人时（尽管爱因斯坦没有多少经验—甚至当时连博士学位都没有），他还是立即发表了这篇论文。他那荒谬的光量子理论也许根本就不那么荒谬。

爱因斯坦的论文探讨了所谓的“光电效应”。简单地说，当光照射在一片洁净的金属上时，金属原子外层的电子就会飞离金属表面。

这是因为电子能吸收光，如果入射光的能量足够大，电子就能吸收光并被剥离。这本身不足为奇，但令人惊异的是，并不是每种颜色的光都能引发光电效应。

每一种金属都是独特的，但一般来说，红光、橙光和黄光对金属表面不起作用，而绿光、蓝光和紫光会导致电子发射。绿光、蓝光和紫光的能量高于红光、橙光和黄光，因此这是合理的；但奇怪的是，即使增加红光的亮度（直到它相当于蓝光），光电效应也不会发生。

量子能量的单位是电子伏（简称eV）。一束10eV的红光与一束10eV的蓝光包含的能量相同。为什么能量相同的红光和蓝光不会产生相同的效应？10eV的红光与10eV的蓝光不一样吗？爱因斯坦表示，如果认真看待普朗克的量子论会发现，它们就不一样，10并不总等于10。

一个苹果在手，相当于两个诺贝尔奖

想象有人伸出手臂，手里抓着一个苹果，而你用水枪对着他的手喷水（别问我为什么要这样做，物理类推法就是这样的），在水流强大到一定程度之后，苹果就会从手中脱离。这时，水的能量克服了手的抓力，苹果飞到了空中。

同样，电子与其原子的结合包含一定能量，当我们增加入射光的亮度，最终应该能使电子脱离—无论我们用什么颜色的光。可是，在实验室里我们没有得到这样的结果，所以我们需要再次把理论揉碎，尝试一些新的东西。

假设我们用一束红光，按照普朗克的建议把它切成小块，每一块都包含一定的能量。当然，一束蓝光也可以被切成同样数量的小块，但每一块包含的能量更大。

不要把光能想象成平滑的水柱，而要把它当成粒子。红光的光量子类似于乒乓球。你向那个人的手发射再多的乒乓球，苹果也不会掉落。你甚至可以把整桶乒乓球泼向那个人，但由于苹果与乒乓球之间的每一次相互作用都是无足轻重的，所以无论有多少乒乓球，都不会让苹果产生一丁点位移。

相比之下，蓝光的光量子更像是一枚炮弹。假设你向握着苹果的人发射一枚蓝光粒子，那么苹果和手都不保了。请仔细挑选志愿者。

100颗乒乓球的总能量可能相当于一枚炮弹，但炮弹的威力更大。因此，一束光如果分裂成粒子，它的总能量就无关紧要，唯一重要的是颜色。这就是我们观察到的。

在爱因斯坦看来，普朗克的光量子理论具有真正的物理学意义。这不仅仅是我们接近答案的一种方式，它可能就是答案本身。光终究是由粒子构成的。在爱因斯坦的证明发表之后不久，化学家吉尔伯特·路易斯认为这些粒子应该有个比“光量子”更好记的名字，并开始使用“光子”（希腊语中的“光”），且这个词沿用至今。[2]

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。