《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第12节作者:
一朵熊ss 为了清除由于一起爆炸事故而附着在金属表面的氧化层,两人将镍块体进行了高温处理。从炼狱归来的晶体看上去光鲜如故,戴维逊并没有意识到,在加热过程中晶格的构造发生了微妙的变化,它早已脱胎换骨。当电子束再次打到镍块表面时,其散射强度竟跟随晶格取向的变换而忽大忽小,在检测器上绘出了一条波浪线。怎么回事?同多数粒子学家一样,两人谈“波”色变,想尽办法排除可能的干扰项,以期让散射恢复原先的平稳性。
转眼,修补“纰漏”的尝试已经折腾了足足一年,焦头烂额的戴维逊决定暂时离开那间让他憋闷的实验室,到欧洲呼吸点儿新鲜空气。可是电子幽灵并不打算放过戴维逊,即使身处风景如画的英伦岛国,那迷乱的检测结果仍时时盘旋在他脑海。此时恰逢全欧洲的物理学家都聚集在牛津召开讨论会,戴维逊当然不会错过这个与同行切磋的大好机会。没想到,还没等他亮出自己新近收集的鬼怪数据,便听到会议主持马克思?玻恩点了他的大名,说他早年间设计的一款实验或许可以拿来验证德布罗意波。
德布罗意波?这是什么玩意儿,我自个儿都没听说过。戴维逊心中一动,立刻联想到那折磨得自己衣带渐宽的电子轰击实验,莫非其中另藏有玄机?与大家一番讨论之后,戴维逊愈加觉得事情有谱,会议一结束,他连忙赶回实验室,一面埋头恶补理论知识,一面着手改进设备以便全方位搜集电子波的作案证据。到1927年,戴维逊与革末两人通过对镍单晶的巧妙切割,不但用电子束打出了同X射线一模一样的衍射图像,更精确测得电子波的波长,从而定量确证了德布罗意关系式。
与此同时,远在剑桥的乔治?帕吉特?汤姆逊汤姆逊(George Paget Thomson)也同样机缘巧合地与电子波相遇。原来,这位G?P?汤姆逊正是卡文迪许的备受尊敬的老船长J?J?汤姆逊膝下的唯一的儿子,与父亲一样,他终身对“阴极射线”痴迷不已。三十五岁时,汤姆逊设计了一个新的实验:利用单束电子轰击不同材质的金属箔以观测其散射行为。由于箔片被敲打得极薄,简直成了单层原子手牵手搭建的微型格栅,刚好为电子波舒展拳脚提供了配套空间。因此,当无数电子钻过金属箔落到其背面的感光底片上,一圈环着一圈的同心圆就在画面之中荡漾开来。
日期:2014-10-16 13:10:33
天南海北,不同的实验室里,电子波跳着同样的舞蹈,德布罗意的理论得到了反反复复的验证。千钧一发之际,波动说又一次绝处逢生,于翩翩公子的肩头——行到水穷处,坐看云起时——大自然再次向我们展露了她那不可思议的魔术戏法。
可这样一来,不但没能搞清光的身份,连原本公认的实实在在的物质也不那么“实在”了。光在黑暗之中睁大眼睛:
我本是粒子,粒子属于波,波归于粒子,而粒子最终又幻化成了波……
我到底是粒子还是波?
我们到底是粒子还是波?
光是什么?
物质是什么?
虚空是什么?
宇宙万物的本质究竟是什么?
1929年,德布罗意因“发现电子的波动性”而戴上了诺贝尔桂冠,他以一纸毕业论文直接拿下科学王国最高荣誉的壮举一时之间传为美谈,索邦大学大概也没料到,她为怀抱中这名从文史哲半道闯入物理秘境的学子颁发的博士学位证书竟成为史上含金量最高的文凭之一。然而,斩获诺奖的喜悦并没能化解德布罗意心头浓重的忧虑,原来,从1924到1929,短短五年间物理学发生了翻天覆地的变化,当年自己参与铺设的电子轨道如今已沿着多维的时空之轴伸展到了另一块新大陆,在那里,量子怪兽正挑战着每一位敢于跨入它领地的勇士想象力的极限。待到第五单元《量子力学》,我们将重新回到那段惊心动魄的岁月,一同领略英雄们的豪情与怅惘。
1937年,大洋两岸的戴维逊与汤姆逊也凭借各自在电子衍射方面相互独立的研究成果分享了诺贝尔物理奖。值得一提的是,1906年,父亲J?J?汤姆逊因为证明电子的颗粒性曾收获这份荣耀;三十一年后,他却目睹自己的儿子G?P?汤姆逊由于证明电子的波动性而拿到同一块奖牌——粒子与波,这对相互纠缠了三生三世的宿敌竟以这样独特的方式,在时空的流转中握手言和。从哲学、天文到数学、物理;从亚里士多德、伽利略、笛卡尔、费马、惠更斯、胡克、牛顿到托马斯?杨、菲涅尔、法拉第、麦克斯韦、普朗克、爱因斯坦、德布罗意……由波与粒子联合导演的这出跨度长达数千年、牵涉思想界各门各派几乎所有的掌门宗师、饱含恩怨情仇的战争大戏似乎也即将于皆大欢喜的气氛之中落下帷幕……
至此,世人不得不承认:波与粒子,它们既不能与对方相融合,又无法脱离对方而单独存在。二者有着不同的属性,波是连续的,在介质当中绵延扩散,两列波相遇时能够扭动身形、幻化出万千纹案;而粒子是点阵的,它只会笔直行进,但同时它的奔跑不需要依赖任何实物介质,电磁波正是凭借这一特质在真空之中反而传播得比在气、液、固体内还快。粒子与波,以它俩任何一方为支柱所建立的理论都没有能力将另一方完全涵盖,每当事物流露出颗粒性的一面时,其波的人格就默默地躲藏进内心深处,二者以超乎寻常的默契从不同层面为我们绘制着宇宙的设计蓝图。恰如佛经中盲人摸象的故事,站在不同方位,每个人都以为自己正抱着一头“大象”,但事实上,每个人触碰到的都仅仅是大象的一部分……
日期:2014-10-16 13:14:07
三十年代末,“波粒二象性”终于得到了普遍认可。之后的年月里,物质波与粒子的双重属性被严苛的实验家们从各种角度反复予与考察,在日益高超的检测手段下,除了光子与电子这对搭档之外,体型更大的颗粒:中子、质子甚至单个原子团也都纷纷舞起了十面埋伏。
C60又名“足球烯”,它是富勒烯族群中最为闪耀的明星。1985年,英国化学家哈罗德?克罗托(Harold Kroto)与美国化学家的理查德?斯沫莱(Richard Smalley)、小罗伯特?柯尔(Robert Curl,Jr)三人在莱斯大学首次制备出了这款由六十个碳原子共同搭建的巨型分子,由于其形貌与巴克敏斯特?富勒(Buckminster Fuller)于1967年为蒙特利尔世博会美国馆而设计的球形薄壳建筑惊人地相似,三人便决定以这位从二十二世纪穿越而来的鬼才建筑师的名字来为C60命名,一些文献中也称其为“巴克球”。近年来,科学家将这个分子量高达720的大家伙放置在检测屏前,对准狭缝临门一脚,同样收到了期待中的衍射图案。
1967年,富勒为加拿大蒙特利尔世界博览会美国馆设计的“彩蛋”
然而,“波粒二象性”一词从诞生之日起就透着一股子和事老似的折中与妥协,它并不能说服所有的人——由其物理界那帮以刨根问底为乐的Geek——而盲人摸象的故事,似乎也在暗示:我们不能整合各理论,是因为此时搜集的信息还不够全面。假使有一天,盲人们忽然睁开眼,一头活生生的大象立在面前,相信所有人都会顿悟:“真象”确实只有一个。又或者,即使盲人永远无缘光明,只要他们肯放弃执念、同心协力,把每个人所感知的大象一角都记录下来,再合到一块儿,终有一天将拼出一幅完整的“图象”。
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