第19章 万物密码 (第2/3页)

派，两大学派就光到底是微粒还是波争论了百年，却一直没有定论。而接下来的实验，让这场持续百年的争论出现了新的变化。

    时间来到1807年，英国物理学家托马斯·杨设计了一个旨在证明光到底是波还是粒子的实验。他把一支蜡烛放在开有一个小孔的纸前，形成点光源，在这张纸后面再放一张开有两道平行狭缝的纸，让光从小孔射出穿过狭缝投到屏幕上。按照理论，如果光是粒子，射向屏幕的光子会直接通过狭缝，在屏幕上留下两条垂直光斑；要是光是波，受狭缝影响，光会形成新波源，新波源相互震荡交汇，波峰与波峰叠加、波峰与波谷抵消，最终屏幕上会出现斑马线状的干涉条纹。托马斯·杨通过实验证明了光是波。

    然而，一百年后，英国物理学家泰勒爵士再次进行杨氏双缝干涉实验时，出现了诡异的情况。泰勒降低了实验光源强度，每次仅释放一个光子，任何时刻双狭缝最多只能通过一个光子，实验进展缓慢。但一段时间后，探测板上依然出现了波状的干涉条纹，这表明光子能自己与自己发生干涉，即一个光子有可能同时穿过两条缝。

    为弄清楚原因，科学家们想在双缝板与探测板之间加观测仪器，观察光子到底从哪条缝通过。结果令人震惊：开启观测装置时，光表现出粒子性质，观测板上显现两条竖直线；关闭观测装置，光又展现出波动特性，干涉条纹再次清晰可见，也就是说光的性质取决于观测装置是否开启。

    科学家们还改变了开启观测仪器的步骤，在光子释放后再随机决定是否开启观测仪器，多次尝试后，光依然有时表现出波状，有时表现出粒子状。这种波状和粒子状都存在的现象被称为波粒二象性。截至目前，光到底是什么仍没有准确答案，直到一位重要人物出现，人们才开始重新定义光。

    1905年，26岁的爱因斯坦有三项重大发现：狭义相对论、布朗运动和光电效应。他认为光至关重要且光速恒定，提出质能方程E=mc2，表明光、能量和质量可相互转换，还提出光速不变原理。同时，他发现了光电效应，并因此在1921年获诺贝尔物理学奖。

    光电效应指在光照射下，某些物质内部电子被光子激发形成电流的现象。其发生机制受光线频率影响，特定频率以上的光照射金属能打出电子，低于该频率的光无论照射多久都不行。按照经典物理学牛顿定律，能量应是连续的，但光电效应并非如此。

    爱因斯坦解释说光具有粒子性，是以光速运动的粒子流，光的本质不连续，光子能量取决于光线频率，频率越高，光子能量越大，传递给电子的能量也越大；若光子能量无法满足电子逃离金属的最低要求，电子就会被束缚在金属内，如蓝光频率比红光高，蓝光光子能量更大。

    光电效应表明宏观物质世界是非线性的，微观领域的粒子等不遵循经典物理学牛顿力学定律，背后是神秘的微观量子世界。这一效应引发了物理学界的变革，促使人们从宏观世界迈向微观量子世界，而薛定谔的猫也将在后续的量子理论探索中“登场”。

    法国天文学家西蒙·拉普拉斯曾预言，若知晓所有物体在某一特定时间点的运动轨迹，就能据此预测未来现象。比如抛石子，掌握抛出瞬间的高度、速度和动量，就能算出其落点。

    德国物理学家、量子力学主要创始人卡尔·海森堡在微观世界发现了与拉普拉斯预言相悖的现象。在微观世界里，无法同时测准物体的位置和动量。若要精准测定原子大小石子的位置，其动量就难以捕捉；若要确切测算石子动量，其位置又难以确定，这就是量子力学的核心原理——海森堡不确定性原理。

    科学家测量微观粒子的位置和动量不能依靠显微镜，测量微观粒子动量适合用波长较长的光，但测不准其位置；测量微观粒子位置则需用波长较短的光。由于无法同时精准测量微观实体的位置与速度，也就无法精确预知其未来运动状况。