科学Sciences导读：探寻物理规律的科学史。公号对话框发送“波粒战争”获取9k字35图21页PDF波粒大战从牛顿到爱因斯坦持续300年。关键词：波动性，粒子性，波粒二象性，牛顿力学，光学，物理学。QinlongGEcai微信被封，转向自用、科普文章、学术论文OAJ电子刊免费开放获取。
秦农序1
I.波粒大战从牛顿到爱因斯坦持续300年(5k字)1
第一次波粒大战1
第二次波粒大战5
第三次波粒大战12
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秦农跋20
世界究竟是什么？这是一个哲学命题也是一个科学命题，在科学还没有进入微观世界之前，光这种迷人而又耀眼的存在一直吸引着科学家们的目光，光究竟是什么呢？这个问题在科学界的脑海里产生之后，由此诞生了一场长达300 年的波粒之战。这场持续300 年的波粒大战，由牛顿开始，在爱因斯坦的理论中结束。
第一次波粒大战
第一次波粒之战，牛顿还是一个绕不开的话题(当然，第二次也绕不开)，你会发现翻阅整个物理学发展史，牛顿、爱因斯坦、玻尔、麦克斯韦这几个人都是很难绕得开的存在。
在 1660 年，牛顿的一生死敌胡克发表了他的光波动理论。他认为光线在一个名为发光以太的介质中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影响，他假设光会在进入高密度介质时减速。胡克的光波动理论是光的波动说的雏形。
而与胡克死掐的牛顿则提出了相反的意见，他在法国数学家皮埃尔·伽森荻提出的物体是由大量坚硬粒子组成的基础上，根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于 1675 年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说由此产生。
图4：牛顿的分光实验
牛顿与胡克之争还没有进入白热化，这个时候，法国科学院的掌门人惠更斯插进来了，相比起胡克，惠更斯成名已久，德高望重，是科学界的前辈。而且身为法国科学院的掌门人，弟子众多。
在 1678 年，惠更斯在法国科学院的一次公开演讲中推翻了牛顿的光的微粒说，并在 1690 年出版的《光论》一书中正式提出了光的波动说，建立了著名的惠更斯原理，促进了光学研究的发展，由此掀起了第一次波粒大战。
两个人都有各自的支持者。惠更斯当时在数学、天文学、光学诸方面已多有建树，被荷兰人视为与大文豪斯宾诺莎齐名的国宝。牛顿更是不同凡响，被英国尊奉为超级巨星、科坛泰斗。
两个人都想证明自己在光学上的扛把子地位，所以牛顿和惠更斯都力证自己的才是正确理论。
他们在各自的领域里已经有所建树，而且他们的观点都能解释许多生活中人们常见的现象，崇拜权威的心理使人们纷纷站队，所以导致了偏激的争执。后来这些支持者火上浇油，波粒之战达到了高潮，甚至在惠更斯去世之后也没有停止。
在惠更斯去世之后，牛顿出版巨著《光学》，这本著作汇聚了牛顿在剑桥三十年研究的心血，从粒子的角度，阐明了反射、折射、透镜成像、眼睛作用模式、光谱等方方面面的内容，他更从波动说中汲取养分，将波动说中的震动、周期等理论引入粒子论，全面完善补足了粒子学说。紧接着他将波动说无法解释的问题一一提出，并对惠更斯当年的《光论》加以驳斥。死人是没有办法反驳的，牛顿最终以一己之力，扭转了光学两大理论交锋局势，赢得了第一次波粒之战的胜利，此后的一个世纪，微粒说一直牢牢占据着光学研究的主流。
图7：第一次论战，牛顿微粒说胜
第二次波粒大战
1807 年，在波粒之战过去 103 年之后，著名的科学家托马斯·杨在实验室进行了著名的杨氏双缝干涉实验，由此拉开了第二次波粒大战的序幕。
托马斯·杨堪称是科学家里的奇才，他的跨界领域简直让人匪夷所思，除了在力学、材料力学、数学、光学、声学、流体动力学、船舶工程、潮汐理论、毛细作用以及生理学方面具有骄人成就之外，他还涉猎语言学、动物学、考古学、文字学。并且，他会演奏当时的所有乐器，对画画也十分精通，还会制造天文器材，还研究经济问题，同时还是一个医生。托马斯·杨更擅长骑马，并且会耍杂技走钢丝。
他这个人聪明到了程度呢？在 13 岁时他已经能够阅读拉丁文、希腊语、法语和意大利语，20 岁时掌握了希伯来语、阿拉伯语、波斯语等东方语言，不知道为啥没有研究汉语。他也被誉为“这个世界上最后一个什么都知道的人”。
托马斯.杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，他突然产生了疑问“为什么会形成一明一暗的条纹呢？”他想：“用波来解释不是很简单吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同向”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，结果造成了两倍光亮的效果；而暗的那些条纹，则一定是两道光正好处于“反向”，它们的波峰波谷相对，正好相互抵消了。“
后来他又发现水波会以同样的方式衍射过堤岸上的两个狭窄隘口，然后发生干涉，在有些地方水波相互增强，发生相长干涉，有些地方水波相互抵消，发生相消干涉。
为了验证这个想法，他立即进行了一系列实验，这便是著名的杨氏双缝干涉实验。这个实验中学物理课本上也有。
就是把一个手电筒放在一张开了一个小孔的纸前边，然后在纸后边再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到墙壁上，就会形成一系列明、暗交替的条纹。
这个实验成了支持光的波动理论的绝佳例子，杨氏双缝实验也被称为光的干涉现象，干涉这个名词也是杨首次提出的。他证实了光纤通过平行且距离很小的两个小孔，通过两小孔频率相同的光会发生互相影响投射出明暗相间的图案
杨的实验结果给学界带来了很大的冲击，也极力地证明了惠更斯早年提出的光波动理论，然而，当时牛顿已经成为了权威，容不得质疑，科学界对于微粒说深信不疑。托马斯.杨遇到了和麦克斯韦一样的事情。他们对于杨的实验结果予以否认，并称之“荒谬绝伦”。
托马斯.杨遭受到了无与伦比的压力，他在双缝实验得出来的结论被无情封杀，据传只印刷了一本，还是自己自费印刷的，后来托马斯.杨宣布退出光学研究，转而研究考古学，当然在考古学他也作出了巨大的成就。
托马斯.杨的著作点燃了量子革命的导火索(这是后话)，光的波动说在经过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。然而，第二次波粒大战也才刚刚掀起一个高潮，第二次波粒大战可以说是一群科学家对当时主流学界的抗战！
在杨之后，菲涅尔也向主流学界发起了挑战，奥古斯丁·菲涅耳提出了著名的惠更斯-菲涅耳原理。
在惠更斯原理的基础上假定次波与次波之间会彼此发生干涉，又假定次波的波幅与方向有关。惠更斯－菲涅耳原理能够解释光波的朝前方传播与衍射现象。但是菲涅尔的这次论战并没有取得完全的胜利，不过的确动摇了一部分人，因为它能够说明偏振现象的机制，这是光微粒说所不能够的。可以说菲涅尔原理提出之后牛顿的微粒说的权威地位开始松动，菲涅尔的理论成为了第二次波粒战争的决定性事件。
而接下来傅科和核磁的实验则直接推翻了牛顿的微粒说权威地位，获得了第二次波粒大战的终极胜利。
1819 年 5 月 6 日，傅科向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告：他发现水中的光速要小于真空中的光速，后者只有前者的 3/4.。因为根据微粒理论，这个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度应该比真空中要慢才对。
图17：傅科测光速示意图
这个实验报告可以说基本宣布了微粒说的死刑，而赫兹的实验则直接给了致命一刀。
1887 年，赫兹实验诞生，H . R . 赫兹用实验方法产生了电磁波。光与电磁现象的一致性使人们确信光是电磁波的一种，光的古典波动理论与电磁理论融成了一体，产生了光的电磁理论。
图19：赫兹电磁波实验
在经过 80 多年的论战之后，光的波动说重新成为主流，而赫兹的实验也拯救了麦克斯韦，当时牛顿的超距作用处于权威地位，麦克斯韦的电磁波理论被打压否定，而核磁的实验也证明了电磁波的存在，从而推翻了牛顿的超距作用。
第三次波粒大战
而第三次波粒大战就要涉及到玻尔与爱因斯坦了，当然，这次论战，并不是他们两个人开打的，而是他们手下的大将海森堡与薛定谔。
这次论战还是还是起源于杨的双缝实验，不过爱因斯坦得出了不一样的结果，当你降低光的强度，直到每次只有一个光子进入整个实验装置时，奇异之旅就开始了。1905 年，爱因斯坦已经明确提出，单个光子是一个粒子。由此爱因斯坦提出的光量子理论，解释了光电效应，并因此获得了诺贝尔奖。
在爱因斯坦提出光量子理论之后，大家发现杨的实验结果也并没有错，这个时候人们开始意识到光波可能同时具有波和粒子的双重性质。
那时，哥本哈根学派的掌门人波尔( Bohr ) ，克莱默( Kramers )还有斯雷特( Slater )发表了一个 BKS 理论提出 "波子" 及 "机率波" 模型，尝试说明光的二重性，并用统计方法重新解释能量及质量守恒。
图21：玻尔
可惜这个 BKS 理论大错特错，不过玻尔提出的原子模型也站在了粒子这边。玻尔与爱因斯坦这对掀起 20 世纪最大规模论战的老对手居然罕见的意见相同。
而这个时候第三次波粒大战的主人公海森堡出场了，在当时物理学的研究对象应该只是能够被观察到被实践到的事物，物理学只能从这些东西出发，而不是建立在观察不到或者纯粹是推论的事物上。也就是物理学的研究领域还只处于宏观领域，而不涉及微光领域。
而海森堡却并不甘心将自己的研究停滞在宏观领域，从而提出了矩阵力学，认为电子是量子化的，像粒子一样在不同轨道上跃迁。
薛定谔从经典力学的哈密顿-雅可比方程(使用分析力学中求解动力学问题的一个方程)出发，利用变分法(一种求解边界值问题的方法)和德布罗意方程，最后求出了一个非相对论的方程，用希腊字母ψ来=带表波的函数，最终形式是：
这就是名震 20 世纪物理史的薛定谔波动方程。认为电子是一种波，就像云彩一般(电子云说法的由来)，放大来看后，就好像在空间里融化开来，变成无数振动的叠加，平常表现出量子的状态，是因为它蜷缩的太过厉害，看起来就像一个小球。函数ψ就是电子电荷在空间中的实际分布。
图27：薛定谔方程
两个人将波粒战争深入到了微观领域，可以说进入了白热化的程度。海森堡撰写的矩阵力学论文，由于计算方式太奇怪，被人纷纷的改写成“共轭”的波动方程形式。
郁闷的海森堡后来提出了著名的不确定原理来论证他的观点，什么意思呢？给定全部条件？这个前提本身都是不可能的，给定了其中一部分条件，另一部分条件就变得非常的模糊。可以说来了一波实力反击。
玻尔也出来和稀泥了，他说：“电子的真身，或者电子的原型？本来面目？都是毫无意义的单词，对我们来说，唯一知道的只是我们每次看到的电子是什么。我们看到电子呈现出粒子性，又看到电子呈波动性，那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我们无需去关心它“本来”是什么，也无需担心大自然“本来”是什么，我只关心我们能“观测”到大自然是什么。电子又是粒子又是波，但每次我们观察它，它只展现出其中一面，这里的关键是我们“如何”观察它，而不是它“究竟”是什么。”
其实这么长一段话的意思就是：它既是一个粒子，同时也是一个波！你观察的角度不同，那么你看到的东西也就不同。
我们在前面说到，爱因斯坦提出的光量子理论，这个时候人们就开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。而加上玻尔的这番话，于是德布罗意出来平息这场争斗，在 1924 年提出了“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象。
后来到 1926 年 4 月份，因为这种对峙至少在表面上有了缓和，薛定谔(居然还自己跑出来证明)、泡利、约尔当都各自证明了，这两种力学在数学上来说完全等价。
不过这个假说并没能平息这场争斗，直到 1927 年，C . J . 戴维孙和 L . H . 革末在观察镍单晶表面对能量为 100 电子伏的电子束进行散射时，发现了散射束强度随空间分布的不连续性，即晶体对电子的衍射现象。几乎与此同时，G . P. 汤姆孙和A.里德用能量为2万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时，也观察到衍射图样。电子衍射的发现证实了 L. V . 德布罗意提出的电子具有波动性的设想，从而证实了一切物质都具有波粒二象性。
自此海森堡与薛定谔掀起的第三次波粒大战就此结束，这一次，微粒说与波动说终于实现了融合。
图33：电子衍射与衍射衬度像
可以说第三次波粒大战由宏观领域转战到了微观领域，在之前，大家还只是针对光进行讨论，而在第三次波粒大战中，已经深入到了光源中的电子一样，正如量子力学将物理带入了微观领域一样，在 20 世纪初的这场波粒大战同样在微观领域展开。
2015 年瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。
照片中，底部的切片状景象展示了光线的粒子特性，顶部的景象展示了光线的波特性。
自此，这场持续了 300 年的波粒大战才正式落下帷幕，许多的科学家住这场论争中涌现，崭露头角，这次论争的双方可以说都没有错，但也没有全对。波粒大战可以说推动了物理学的大发展(相对论和量子力学以及光电效应的诞生都和此有关)！
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秦农跋
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科学是建立在数学和测量数据基础之上璀璨的人类文明，但有其范围并非万能。人类认知的高级阶段是在道德、哲学、数学、逻辑、数据等思维层次，对初级的感觉、情绪、外表、印象、语言、记忆等自然社会现象认知，做出更为深刻、理性、智慧和长久的判断和总结。高级认知对错交织但形态稳定，主要存在于宗教、艺术、技术、科学等领域，并且不能替代低级认知。若无数学理论支持的科学认知，仅有语言思维来总结自然社会现象，将止步于宽泛肤浅的语言思辨道理。基础教育如果停留在语言道理或代替设计实验、工程实践的文化知识，则会形成新的认知愚昧。但若罔顾人情社会，用科技手段无所不做、走向某些错误极端，将付出更加沉重的代价。不论什么认知和思想，都不能代替或凌驾于现实世界和自然人。
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