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量子材料最吸引人注目的现象之一 不一样的科普追问量子

时间:2024-04-18 12:53:20/人气:191 ℃

奇怪的现状

我们生存在同一个宇宙,却存在着经典物理学、相对论、量子力学和弦理论4种互不相容的物理理论。理论物理学处于公说公有理婆说婆有理的状态。有意思的是,理论物理学也存在着一个鄙视链,经典物理学就处在这个鄙视链的最底端,相对论和量子力学认为经典物理学是一个落后的理论,弦理论又认为相对论和量子力学终将会被弦理论所取代。哪一种理论正确呢?我们知道,能够自洽解释宇宙所有未解之谜的理论才能称之为终极理论。目前,哪个理论能够达到终极理论的标准呢?答案是:没有!没有一个理论可以逻辑一致性地解释宇宙所有的问题!这意味着目前所有的理论都不完备!换句话说,如果哪一个理论完全正确,哪里还有这么多问题?物理学早就可以完整划上句号了,不是吗?

量子是什么?目前的标准答案是量子具有波粒二象性。但是,当弦理论于20世纪80年代横空出世以后,这个答案就已经过时了。弦理论认为量子既不是粒子也不是波,而是不同振动模式的弦。因此,目前的量子不是具有波粒二象性,而是具有了波、粒、弦三象性。哪一种答案正确呢?对同一只动物,我们能说它是鹿,是马,又是驴吗?但是,现实就是这样荒谬。类似的问题还有很多。

说量子,大多数人没有明确的概念,列举什么是量子更容易理解。例如,光是什么?电子是什么?无线电是什么?它们是粒子?是弦?还是电磁波?还有,物质的本质是什么?以什么形式构成?质量从哪里来?万有引力如何产生?如何作用?为什么要把宇宙空间中不知名物质和不能解释的能量分别命名为暗物质和暗能量?黑洞是什么?它是一个空洞吗?这是一个知识大爆发的时代,也是一个疑惑丛生的时代。什么是真相?什么是真理?面对未知的世界,我们依凭什么思想的指引走向未来?

逻辑一致性

每一个理论都自认为完全正确,这是理论存在的前提。但是,同一个宇宙,只需要一个能够自洽解释这个宇宙的终极理论,我们必须在4个理论中分辨出哪些观点正确,哪些观点错误!问题是,我们依据什么来判定一个理论是否正确呢?

我们知道,每一个理论都是一个完整的逻辑体系,一个理论是否正确,最基本的要求是理论没有逻辑矛盾和漏洞,所有理论的逻辑链条都必须完整自洽,都必须满足逻辑一致性(Logical Consistency)要求。一是两个相互矛盾的陈述不能同时为真(现在我们有4个),即真理只有一个;二是指语用一致性(Pragmatic Consistency)即结论不能与真实世界矛盾。这个原则最为重要,物理理论为解释客观世界而存在,而不能为证明一个理论的正确而创造一个宇宙来满足这个理论的要求。 魔鬼往往藏在细节里!一个反例就能摧毁一个逻辑体系!哪些理论能够达到逻辑一致性的要求呢?

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乌云

19世纪末,物理学(经典物理学)的天空出现了两朵乌云。

第一朵乌云——迈克尔逊-莫雷实验。实验并没有发现两个方向上的光速出现差异,也就是说,地球表面的空间并没有影响光的传播速度,传播方向也不受影响,这意味着空间与地球表面没有相对运动,实验证伪了“以太漂流假说”。第一朵乌云导致了狭义相对论的降生。

第二朵乌云——“紫外灾变”也被称为瑞利-金斯灾变。指经典物理学理论所计算之黑体辐射强度会随辐射频率上升,而趋向于放出无穷大之能量,其结果与实验数据无法吻合的历史事件。“紫外灾变”问题导致了量子论(量子力学)的降生。

这两朵乌云成为了经典物理学与所谓现代理论的分水岭,相对论和量子力学之前的物理学称之为经典物理学,之前的物理学被认为是一种落后的理论,相对论和量子力学被认为是现代物理理论

以太问题和紫外灾变问题如果不能获得合理自洽的解释,这意味着经典物理学存在严重的逻辑矛盾,不能达到正确的理论所必须的逻辑一致性要求。问题是,为解决经典物理学存在的这两个问题而建立的两个所谓的现代理论——相对论和量子力学能够自洽地解释这两个问题吗?这两个理论能达到逻辑一致性的要求吗?

残酷的现实是,这两个理论自身的逻辑矛盾比经典物理学还要多。简单地说,为解决一个问题,又带来了更多的问题,并且比原来的解释存在的问题更大。这样的现状带给我们什么样的启示呢?

面对“紫外灾变”问题,1900年,普朗克提出辐射能量并非是连续的输出,而是分成一份份的能量辐射,他称之为能量子。能量子是一粒粒的粒子?还是一段段的并不连续的电磁波呢?

普朗克

请注意!“紫外灾变”问题的重点是,辐射是连续的还是非连续的?如果把能量子看作一段段的并不连续的电磁波就可以完美地解释“紫外灾变”问题,即修改经典物理学之前的假设,将连续辐射修改为非连续辐射后,问题就解决了。普朗克不仅认为辐射是一种波,宇宙的万物都由波构成,这是“万物皆是波”的来历。这是早期量子论的波动说解释。

一些物理学家坚持认为辐射能量并非连续输出的事实与麦克斯韦波动力学的假设并不相同,认为这种非连续的辐射是一粒粒的粒子——量子。爱因斯坦认为,光也是一种辐射,如果把光看作是细小的微粒,可以自洽的解释光的辐射现象,他把光称之为光量子,后世称之为光子。这是早期量子论的粒子说解释。

年轻时的爱因斯坦

现在的量子力学认为量子是具有波粒二象性的粒子(请注意最终的结论是粒子!)。我们有一个疑问,为什么量子力学的奠基人之一的普朗克认为能量子是一种波呢?我们知道,科学需要实验验证,1801年,托马斯-杨的双缝干涉实验就明确无误地证明光是一种波,这是无法回避的事实。而迈克尔逊-莫雷实验只能证伪“以太漂流假说”,而不能证伪菲涅尔的“以太部分曳引假说”和斯托克斯的“以太完全曳引假说”,因此,这个实验根本不能证伪以太。

事实上,光是实实在在的粒子还是振动的波?波动说和粒子说争论了300多年。不了解这段历史,就不可能是理解了相对论和量子力学!就不可能建立正确的科学观!因此,在解析相对论和量子力学之前,我们再详细梳理那段激动人心的岁月,三次波粒之争奠基了现代物理学的基础。

第一次波粒之争

人类从娘胎里出来的第一感受是光,是的,是光亮,没有光亮,这个世界就只有无边的黑暗。但光是什么?当人们自认为对光的种种特点了如指掌的时候,光在本质上到底是什么这个问题却无人能够准确回答。构成物质的基本物质是什么?“原子是什么?”光是最基本的物质吗?

德谟克利特

面包的香味引起了古希腊哲人德谟克利特(约公元前460年~公元前370年)的思考,他猜想面包的香味应该就是构成面包的最小粒子,因此,理论上应该能分离出最小的面包粒子,最终得到他想要的无法再分割的“原子”。但是,再薄的刀片也显得太厚,无法切出面包最小的粒子——原子。什么是构成面包的香味的元素——“原子”呢?

留基伯(Leucippus)是古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者,他首先提出由不可分割的物质粒子构成物质的原子学说。他认为原子之间存在着虚空,无数微小的原子从古以来就存在于虚空之中,既不能创生,也不能毁灭,它们在无限的虚空中运动着并且构成万物。德谟克利特是留基伯的学生,他继承并发展了留基伯的原子学说,为现代原子科学的发展奠定了基石,为自然科学的发展做出了重要贡献。他认为宇宙空间中除了原子和虚空之外,什么都没有。原子一直存在于宇宙之中,它们不能被从无中生有的创生,也不能被消灭,任何变化都是它们引起的结合和分离。

古希腊时代的人们总是倾向于把光看成一种非常细小的粒子流,即光是由一粒粒非常微小的“光原子”所组成,即微粒说(粒子说)。粒子说可以解释光为什么总是沿直线前进,用光粒子流在不同介质中的速度变化来解释光的折射现象

但粒子说的缺陷也是致命的:

1. 不能解释两道光束在相互交错时“光粒子”为什么不会相互弹开;

2. 不能解释光粒子在同一介质中的惯性运动为什么可以保持恒定的速度;

3. 无法解释光的波长和频率问题。

17世纪,意大利数学教授弗朗西斯科·格里马第(Francesco Grimaldi)做了一个实验,他让一束光穿过两个小孔后照在暗室的屏幕上,发现投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第联想到水波也会产生类似的现象。他由此推论光可能也是一种类似水波的波动。他创造了“衍射”一词,这个词源于拉丁语词汇diffringere,意为“成为碎片”,即波原来的传播方向被“打碎”、弯散至不同的方向。格里马第提出光不仅会沿直线传播、折射和反射,还能够以第四种方式传播,即通过衍射的形式传播。

衍射现象

衍射现象是指波在传播过程中,遇到障碍物绕过障碍物或缝隙时传播方向发生变化的现象,是波的重要特性之一。只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象(但也不能比波长小太多,当孔的宽度为波长的大约3/10时波的衍射现象已经不明显--与能量有关,能量会在传播过程中转化为内能或势能)。波传到小孔(或障碍物)时,小孔处(或障碍处))的波看作一个新的波源(惠更斯原理),由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔后的传播,于是就出现了波线偏离原波线传播方向的衍射现象。当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出,但由于能量减弱,衍射现象不容易观察到。相对于波长而言,障碍物的线度越大衍射现象越不明显,障碍物的线度越小衍射现象越明显。光的衍射特性有力地证明了光的波动特性,这是最早的光波动说。

光的波动说有一个关键问题——是什么物质在波动?我们知道水塘里的水波是因为水在上下波动,声波是空气在振动。但是,光同样可以在宇宙空间中传播。这就带来一个问题,水塘是由水构成,人类的空间由空气构成,那么宇宙空间由什么构成?是空无一物的真空还是由某种物质构成?但是,有一点必须注意:“有”的反义词是“无”,“无”的反义词是“有”,不能是半有或半无。空间要么由物质构成,要么是空无一物的真空,不存在自欺欺人的充满了物质的“真空”或“虚空”。

波只能是介质的振动,没有介质就不能生成振动的波,空间介质是波动说的基础。而如果光是细小的粒子流,那么,光的恒速运动特性决定光粒子只能在没有阻力的空无一物的真空环境中才可能保持恒速运动,任何惯性运动粒子都会因为空间介质的阻力的作用而逐步降低速度。所以,粒子说必须建立在空无一物的真空基础上。由此我们发现,波动说和粒子说争论的焦点不仅是粒子或是波,还有粒子和波的基础——空间的性质问题,即空间是空无一物的真空还是由物质构成。

勒内·笛卡尔

法国著名哲学家勒内·笛卡尔(Rene Descartes)是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家,他最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。在笛卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。在1619年读了德国天文学家、物理学家、数学家约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)的光学著作后,笛卡儿就开始关注着透镜理论;并从理论和实践两方面参与了对光的本质、反射与折射率的研究。笛卡尔运用坐标几何学从事光学研究,并在《屈光学》中首次对光的折射定律提出了理论论证。笛卡尔在其《方法论》的附录《折光学》中率先提出了这样的观点:光是一种压力,在媒质中传播,即光是一种波动在以太中的传播。

谈到以太,就不能忘记另一位先贤。亚里士多德(Aristotle)是世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一,希腊哲学的集大成者。作为一位百科全书式的科学家,他几乎对每个学科都做出了贡献。他的写作涉及伦理学、形而上学、心理学、经济学、神学、政治学、修辞学、自然科学、教育学、诗歌、风俗,以及雅典法律。亚里士多德的著作构建了西方哲学的第一个广泛系统,包含道德、美学、逻辑和科学、政治和玄学。以太是亚里士多德所设想的一种物质。亚里士多德认为,地球和地上万物都由气、火、水、土四种元素所组成,都是丑陋、不洁、不完美的,有变化和有生灭的。其中每种元素都代表四种基本特性(干、湿、冷、热)中两种特性的组合。火和气组成向上流动的“轻物”,水和土组成向下掉落的“重物”。而天体则是由“以太”所组成的纯洁、完美、永恒的物体。他提出“上帝厌恶真空”,空无一物的真空不可能存在,宇宙所有的一切都由物质构成。虽然亚里士多德认为天尊地卑,天体和地上物质的性质悬殊的思想受限于当时对宇宙的认识(当时世界其他文明对物质的认识也大同小异,都不过是气、火、水、土、金而已)。当事实证明以太是构成宇宙物质的基础物质之后,我们会发现亚里士多德的以太概念是多么的富有远见。

亚里士多德

16世纪末期,伽利略从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等,从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断(思想的完善是个渐进的过程),奠定了经典力学的基础,反驳了克罗狄斯·托勒密的地心体系,有力地支持了波兰数学家、天文学家尼古拉·哥白尼的日心学说。他通过流体静力学对浮体的研究,发现所有物体都是“重物”,没有绝对的“轻物”。天体和地球以及地上万物在物质结构上是统一的。他认为真空也可能存在和产生,而且只有在真空中才能研究物体运动的真正性质,这就彻底推翻了亚里士多德的物质观。我们必须要记住一点,历史上的所有先贤和现代的所有的科学工作者,一个人的某种观点不正确,并不意味着他所有的观点都不正确;一个人的某种观点正确,并不意味着他所有的观点统统正确。如果一个人的所有观点全部正确,那么终极理论早就诞生了,科学早就终结了。但事实显然不是这样的,人类的科学知识是一个缓慢积累的过程,每个人的观点不断经受新发现的考验,而那些正确的东西才会沉淀下来。正因为科学是一个不断演进的过程,我们对先贤们的观点的看法也是不断变化的。当波动说占据上风时,以太的概念就被认为是正确的,而粒子说占上风时以太就受尽嘲讽。

罗伯特·胡克(Robert Hooke)是17世纪英国最杰出的科学家之一。他在力学、光学、天文学等多方面都有重大成就。胡克是光的波动学说的忠实支持者,他认为光的传播与水波的传播相似,特别是1672年进一步提出了光波是横波的概念,这是波动说重要的改进(因为当时人们还不知道横波,光波被认为是和声波一样的纵波。纵波不能解释今天称为的光的偏振现象,也不能解释光的直线传播现象)。在光学研究中,胡克更主要的工作是进行了大量的光学实验,特别是致力于光学仪器的创制,他还研究过光的干涉现象。他观察和研究了肥皂水形成的薄膜和云母片的颜色,发现它们的颜色跟薄膜的厚度和云母的厚度有关,他发现,当光落在一个透明薄膜上时,薄膜的前后两表面都要发生反射,从而共同产生薄膜颜色的效应。他认为,光必定是某种快速的脉冲(频率),并在1665年出版的《显微术》中明确地支持波动说。但是,因为持粒子说的牛顿的巨大影响力和现今粒子说处于的主导地位,胡克在科学发展史上的地位并没有得到充分的重视。

罗伯特·胡克

荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huyg(h)ens)在胡克光的波动说的基础上进一步发展。惠更斯在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了光的波动原理,即惠更斯原理。由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质(以太)应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。惠更斯认为对于任何一种波,从波源发射的子波中,其波面上的任何一点都可以作为子波的波源,各个子波的波源波面的包洛面就是下一个新的波面。 他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质(以太)微粒,每个受激微粒都变成一个球形子波的中心。他从弹性碰撞理论出发,认为这样一群微粒虽然本身并不前进,但能同时传播向四面八方行进的脉冲,因而光束彼此相交而不相互影响(请注意,惠更斯的思路是众多微小粒子构成了波,本书也是这种类似的思路,而如果光是粒子束就会产生碰撞),并在此基础上用“作图法”解释了光的反射、折射等现象。《光论》中最精彩部分是对双折射提出的模型,用球和椭球方式传播来解释寻常光和非常光所产生的奇异现象,圆满的解释了光在光密介质中光速减小的原因(光速可变,对此粒子说没有合理解释),同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象,认为这是由于冰洲石分子微粒为椭圆形所致。

惠更斯

惠更斯原理虽然可以预料光的衍射现象的存在,却不能对这些现象做出解释。它可以确定光波的传播方向,却不能确定沿不同方向传播的振动的振幅。后来,法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)对惠更斯的光学理论作了发展和补充,创立了“惠更斯——菲涅耳原理”,才较好地解释了衍射现象,完成了光的波动说的全部理论。

对于以太和光的关系,瑞士数学家莱昂纳多·欧拉(Leonhard Euler)的比喻非常直接:光对应的是以太,正如声音对应的是空气,并把太阳比喻为一个发出光的铃铛。[约翰·格里宾:《寻找薛定谔的猫》,第268页]胡克和惠更斯提倡光的波动说都假定空间具有无所不在的以太,以此作为波动媒介。这时期的以太便称为“发光以太”或“光以太”。但是,不幸的是,早期的波动说遇到了一位强有力的挑战者,一个划时代的科学巨人——艾萨克·牛顿爵士,又一个百科全书式的“全才”(另一位是亚里士多德)。他的代表作是《自然哲学的数学原理》和《光学》。他在1687年发表的论文《自然定律》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了经典物理学的基础。在光学上,他发明了反射望远镜,并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察,发展出了颜色理论。牛顿发现棱镜可以将白光发散为彩色光谱,而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。他通过分离出单色的光束,并将其照射到不同的物体上的实验,发现了色光不会改变自身的性质。牛顿还注意到,无论是反射、散射或发射,色光都会保持同样的颜色。表明颜色是物体与特定有色光相合的结果,而不是物体产生颜色的结果。牛顿认为光是由粒子或微粒(Corpuscles)组成的,并会因加速(错误的)通过光密介质而折射,但他也不得不将它们与波联系起来,以解释光的衍射现象,但是,很遗憾,他始终无法解释光的衍射现象。

1704年,牛顿的《光学》出版,牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散,从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射实验中的种种现象。

牛顿环

牛顿虽然在《光学》中提倡射流说(微粒说),但他也借助以太的稀疏和压缩来解释光反射和折射。将波动说的振动、周期等引入粒子说,来解释牛顿环这个粒子说无法解释的问题。牛顿虽然发现了牛顿环,并做了精确的定量测定,可以说已经走到了光的波动说的边缘,但由于过分偏爱他的微粒说,始终无法正确解释这个现象。事实上,牛顿环实验倒可以成为光的波动说的有力证据之一,可牛顿却不从实际出发,而是从他所信奉的微粒说出发来解释牛顿环的形成。他认为光是一束高速运动的粒子流,因此为了解释牛顿环的出现,他提出了一个“一阵容易反射,一阵容易透射”的复杂理论。根据这一理论,他认为:每条光线在通过任何折射面时都要进入某种短暂的状态,这种状态在光线的进出过程中每隔一定时间又复原,并在每次复原时倾向于使光线容易透过下一个折射面,在两次复原之间,则容易被下一个折射面的反射。他还把每次返回和下一次返回之间所经过的距离称为“阵发的间隔”。实际上,牛顿在这里所说的“阵发的间隔”就是波动中所说的“波长”。为什么会这样呢?牛顿却含糊地说:“至于这是什么作用或倾向,它就是光线的圆圈运动或振动,还是介质或别的什么东西的圆圈运动或振动,我这里就不去探讨了。”牛顿的解释牵强到偏离了最基本的科学轨道。但是,先别急着嘲笑,后世的测不准原理、费曼解释、平行宇宙和多历史解释更加怪异,事实上,所有基于粒子说的解释都带有与生俱来的奇异性,这是粒子说无法治愈的顽疾。而直到19世纪初,英国科学家托马斯-杨才用光的波动说圆满地解释了牛顿环实验,我们会发现,所有粒子说无法逻辑自洽解释的现象波动说都有一个更合理的解释,只是,采用哪种解释取决于粒子说和波动说谁占据上风。

牛顿

随着《自然哲学之数学原理》的巨大成功,以太由此进入没落的时期。由于法国笛卡尔主义者拒绝引力的平方反比定律而使牛顿的追随者起来反对笛卡尔哲学体系,连同笛卡尔倡导的以太学说也在被列入反对之列。随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功,以及验证以太存在的努力的失败,光的波动说也被放弃了,粒子说得到广泛的承认和追捧,牛顿那些“一阵容易反射,一阵容易透射”幼稚解释也被认为瑕不掩瑜了。

光是粒子还是波,牛顿的观点是左右摇摆的。事实上,牛顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡尔一样反对超距作用并承认以太的存在。在1675年的著作《解释光属性的解说》中,牛顿也假定了以太的存在,认为粒子间力的传递是透过以太进行的。在他看来,以太不一定是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为光的波动学说(当时人们还不知道横波,光波被认为是和声波一样的纵波)不能解释今天称为的光的偏振现象,也不能解释光的直线传播现象。牛顿对以太的这种阉割式的承认同样发生在后世的爱因斯坦身上(爱因斯坦的广义相对论以太)。但是这种阉割式的承认同样又陷入了另一个矛盾的怪圈。

惠更斯注意到牛顿无法用光粒子的概念解释牛顿环现象。1678年,他在法国科学院的一次演讲中公开反对了牛顿的光的粒子说。他说,如果光是微粒性的,那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向。为了保证惯性运动的恒速运动,空间必须是空无一物的真空,而波动说的光振动必须要有振动的媒介。面对粒子说版本的《光学》固有的逻辑困境,牛顿的解决办法无疑是狡猾的,他在写好《光学》文稿后并不急于发表,一直等到胡克和惠更斯两位波动说的泰斗去世时才发表他的这本内含争议的《光学》。这样,他就可以利用他《自然哲学之数学原理》树立起的权威压制胡克和惠更斯之后波动说的无名之辈的反驳。牛顿的策略无疑是成功的,他成功的在他去世前树立了另一座丰碑。但是,后世科学的发展证明,他的光粒子概念是有逻辑缺陷的。虽然从理论上讲,牛顿如果认真面对波动说的解释,认真思考光的波动特性,而不是因为愤怒而去争强好胜去用粒子说的思想与他讨厌的人(胡克)争个高低,那么,牛顿的理论就能成为一个完整的体系。但是,他始终没能拿出更完善的解释,毕竟人的寿命和精力是有限的,牛顿不可能在去世前解开光的本质之谜,因为21世纪的今天也依然是个未解之谜。所以,他先将并不成熟的、有限的成果公诸于众也不失为一种实用的选择。

就这样,第一次波粒之争以牛顿为首的粒子说的胜利告终。不过,牛顿用逃避争论的方式来赢得争论的胜利是暂时的,死去的对手当然不能反击,当然没有强大的反对声音。但是,他的胜利并不会维持的太久,随着更多实验事实的发现,波粒之争的天平终将倒向波动说一方。也可以这样说,牛顿只是用他的权威暂时冷藏了波动说与粒子说的矛盾。但是,当阳光重新照耀大地,他胜利将会像阳光下的冰块一样融化。

(因为篇幅太长,第二次、第三次波粒之争放在下一篇文章。)

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后记

经典物理学最大的问题并不是那“两朵乌云”,真正的危机在于经典物理学是建立在波动说基础的理论(第二次波粒之争以后),波动说的理念是“万物皆是波”。但是,宇宙的物质都是由“实实在在”的物质构成,如果万物皆是波,那么,必须要有由波转化为粒子的机制(量子化),转瞬即逝的波如何构成客观世界里实实在在的物质呢?普朗克、德布罗意、薛定谔和玻姆等波动学家都没能自洽地解释宇宙万物(普通物质)的“实在性”。特别是薛定谔的2次量子化失败以后,波动说彻底陷入低谷。同样,粒子说也没好到哪里去。粒子说把量子看作是一粒粒实实在在的粒子,无法自洽地解释波长、频率、干涉和衍射现象,也不能解释物质的“实在性”(这也是粒子说的理论竭尽全力想要解决的问题)。事实上,波动说和粒子说都不能自洽地解释客观世界,这是无法回避的事实(认为某一理论正确只会暴露一个人知识面的狭窄程度)。简单的认为物质具有波粒二象性并不能解决问题(在弦理论提出“万物皆是弦”以后更是如此)。掩耳盗铃并不能解决最根本的问题,我们需要解释量子(物质)为什么具有波粒二象性,什么时候是粒子,什么时候是波!找到由波转化为粒子的量子化方法,就可以自洽地解析波粒二象性,经典物理学将重获新生,也可以说理论物理学将重获新生

黑格尔认为:哲学总是在自我批判和自我否定中发展的,全部哲学史是一个厮杀的战场,堆满了死人的骨骼。整部人类哲学史充满着哲学家们互相批判、互相推翻、互相取代的斗争。科学发展史同样如此,人们对自然的认识并非一成不变,从古希腊诸子百家到哥白尼、伽利略、笛卡尔、牛顿、胡克、惠更斯、麦克斯韦、普朗克、爱因斯坦、薛定谔、玻尔、费曼等等,探索者们的观点虽有继承和发展,但也有批判和否定,科学同样是在自我批判和自我否定中发展。我们总是用更精确的答案替代旧的答案。什么是真理?我们不要急于下结论,万一你的答案是错误的呢?科普不是告诉人们一个明确的答案,而在于唤起人们的思考,培养人们的逻辑思维能力。只有直面问题,才有可能去解决问题!只有经过怀疑和批判考验的理论才能称之为科学理(反之只是一个假说)!只有经过时间考验的的理论才是真理!

尤瓦尔·赫拉利指出:“尊重知识、听取学者意见很好,但发展到崇拜任何人的程度都很危险,包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威,他(她)自己都可能信以为真,进而变得骄傲自大,甚至陷入疯狂。对追随者而言,一旦他们信奉某人为权威,便会自我设限,停止努力,只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的,他们也会通盘接受。”

我们面对(科学先贤们)不朽的理性群碑,也就是面对永恒的科学灵魂。在这些灵魂面前,我们不是要顶礼膜拜,而是要认真研习解读,读出历史的价值,读出时代的精神,把握科学的灵魂,我们要不断地吸取深蕴其中的科学精神,科学思想和科学方法,并使之成为推动我们前进的伟大精神力量[牛顿,《自然哲学之数学原理》,弁言第5~6页]科学的精神是什么?那就是敢于质疑权威的勇气和对一切事物保持好奇的眼光。智慧从怀疑开始,真正的科学精神是理性、怀疑、批判和实证。终极理论不会是一个全新的理论,它就藏在现有的理论之中,当我们以客观逻辑为工具,就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧,他们点亮了一个又一个灯塔,指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确,也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误,那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。

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