狭义与广义相对论浅说-第20章
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深入研究玻尔1913年至1923年发表的著述可以发现，尽管他运用了普朗克常数并涉及爱因斯坦的光电效应理论，但他并没有明确宣布赞同光量子理论。这就是说，他的工作主要是研究电子轨道（也就是能级）发生变化时光的吸收和辐射问题，而不涉及光的本性和光的传播。在其原始论文（1913）中，玻尔承认了他引进了一个“与经典电动力学原理不相容的量，即普朗克常数”（见霍尔顿和库恩1969；米勒1984）。现在看来，玻尔理论似乎是经典力学用于确定稳定态的量子化概念以及不连续假设的奇异结合。玻尔（1963，8）显然明白，他的“原子模型”尚不完善，是不完整的初级形式，因为它的“基本思想与经典电动力学理论那些久经考验的，备受赞美的原理相冲突”。正如M．克莱因所发现的，1910年至1913年间，像M．普朗克和H．A．洛伦兹这样的科学家对爱因斯坦的光量子理论提出的最尖锐的批评也只限于“光量子说完全不能解释光的干涉和衍射现象”（1970）。玻尔本人在1913年的一次演说中说，原子释放的是纯辐射而不是光量子。从1913年到大约1920年，玻尔一直尝试着把经典的光的波动理论与原子辐射理论协调起来，最终建立了他所谓的“对应原理”。但A．索未菲1922年在他的颇有影响的论文《原子结构和光谱线》中，对应原理唯一使他惊奇的是，“保留了那么多的波动理论，甚至在绝对是量子特性的光谱过程中也是如此”（p．254）。索未菲最后说，“现代物理学目前正面临着不可调和的矛盾。”（p．56）玻尔本人甚至提议抛弃他所说的“所谓的光量子假说”。对这个激动人心的年代进行探讨不仅看到在企图建立一个与原子模型有关的，令人满意的光谱学量子论过程中产生了多么大的混乱，而且还表明将革命的新观念同经典物理学结合起来是多么困难。索末菲（1922，254）指出，现代物理学必须勇敢地承认新与旧之间的矛盾，应当“坦率地承认它们的非相容性”，W．泡利对这个观点极为赞同。
玻尔理论符合科学革命的全部检验标准。例如，1929年卢瑟福在一封发表于《自然科学》杂志的信中宣称，“玻尔教授大胆地运用量子论解释光谱的产生”，构成了一场革命，他说玻尔的理论是“普朗克假说的直接发展，对物理学具有深刻的革命意义”，1969年，J．考克罗夫特爵士指出，玻尔把“经典力学和量子论结合起来描述电子轨道的运动”是一次伟大的发展，它“促使原子理论革命化”。同笛卡尔革命一样，玻尔革命并没有持续多久。正如当年笛卡尔的工作后来得到了扬弃和发展，玻尔理论的某些基本内容合并到另一场革命，量子力学革命中去。在量子革命过程中，玻尔革命可以被视为第一阶段。
通向量子力学：伟大的量子革命
1926年，爱因斯坦的光量子概念获得了“光子”的称谓。光子一词是美国物理化学家G．N．刘易斯建立的，但他用来描述与光电子略有不同的概念。尽管刘易斯原来的概念早已被抛弃了，但光子却迅速成为物理学中的一个标准词汇（见斯图威尔1975，325）。可是，20年代中期的光子概念与爱因斯坦原来的光量子不同，它还包括某种特殊的性质，其中最重要的就是动量，这一点爱因斯坦最初并未考虑，但他确实在1916年引进了动量（P=hv/c）特性；这个概念甚至早在1909年就已出现在J．斯塔克的一篇论文中（见佩斯1982，409）。光子可能具有动量的思想是P．德拜和A．H．康普顿于1923年提出的。事实上，康普顿还做出了现代物理学的一项最轰动的发现，即今天以他的名字命名的康普顿效应。康普顿依据无可辩驳的实验事实证明：“辐射量子带有方向性的动量和能量”（斯图威尔leqs，232）。L．斯图威尔回顾了这项工作的历史，他指出康普顿的动机与十年前的密立根不同，不是检验爱因斯坦的预言。斯图威尔还发现，A．索未菲在lop年10月9日写给康普顿的贺信中，首次使用了“康普顿效应”这一术语。索未菲还透露，康普顿的结果是头一年夏天他与爱因斯坦“讨论的主要问题”。
尽管康普顿的结果最初也引起了一些争论，但人们（如海森伯）很快就认识到，康普顿效应不仅是辐射量子论的转折点，而且是全部物理学的转折点。康普顿很早就意识到自己工作的革命性。1923年，康普顿在美国科学促进协会所作的演讲（这篇演讲于1924年发表于《富兰克林研究所杂志》上）中坦称，他的发现“使我们关于电磁波传播过程的概念，发生了革命性的变化。”然而，当他在《国家科学院院刊》（9：350－362）上发表的另一篇文章中却说：“目前的衍射量子概念绝没有冲击”经典波动理论。爱因斯坦终于看到了自己的观念得到了证实，他宣布，现在有两种不同的光本性理论：波动性和粒子性，“二者都是不可缺少的，而且人们必须承认，它们没有任何逻辑联系，尽管二十年来，理论物理学家作了巨大的努力（试图找到某种联系）。”
大约在同一时期，L．德布罗意在康普顿成就的鼓舞和启发下，提出了物质波的概念。在1923年发表的论文中，他引用了“康普顿的最新结果”，以及光电效应和玻尔理论作为他确信波粒二象性的理由，他宣布，爱因斯坦的光量子概念是“绝对普适的”。爱因斯坦，玻尔以及康普顿的工作启发他接受了“光量子的客观实在性”。
德布罗意没有从物理意义上阐述光的波粒二象性，但他坚信这种二象性是自然界的普遍特性，即使普通物质（如电子）也是同时具有粒子性和波动性，这一革命性的概念是德布罗意在他的博士论文中（1924年11月25日提交）首次建立的，而后，爱因斯坦对它作了进一步的发展。值得指出的是，正是爱因斯坦的工作引起了薛定谔对物质波的重视（见惠顿1983）。美国科学家戴维逊和革末以及英国的G。P。汤姆森（J．J．汤姆森之子）所作的实验证实了德布罗意的假说。而更为重要的是，它是新量子力学的前奏，而量子力学是与薛定谔和海森伯的名字联系在一起的（见克莱因1964；雅莫尔1966；拉曼和福曼1969；斯图威尔1975，以及米勒1984）。这一新的科学革命（特别是在M．玻恩引进了几率波的概念之后）的伟大意义在于，量子力学在20世纪后半叶成为物理学和自然科学的核心内容。
科学史上有这样一个众所周知的事实，从20年代开始，爱因斯坦拒绝接受量子力学，认为它不过是对自然界的“权宜”性说明，从而使得爱因斯坦与整个物理学界产生了分歧。爱因斯坦反对的主要观点是，新物理学引进几率思想作为它的基础缺乏经典的因果性和确定性，以及由此导致的描述自然界的不完备性（这似乎是完全对他本人而言）。尽管如此，爱因斯坦认识到量子力学是物理学发展的一大进步，虽然它是一个权宜性的假说。他向诺贝尔评奖委员会推荐量子力学的共同创建者薛定谔和海森伯为候选人（见佩斯1982，515）。耐人寻味的是，爱因斯坦本人曾对量子力学的统计学基础做出了重要贡献。
量子力学革命，或第二次量子革命的历史，以及它从潜在的革命性到理论革命到科学革命阶段的迅速转变，很自然成了本书一章的研究主题。量子力学对物理学发展的革命意义在过去的半个世纪中表现得已经很明显。这些发展对科学和思维方式的重要性，近几十年几乎任何一本科学哲学著作都对它作了深入阐述（见玻恩1949；戴维斯1980；费困曼1965；雅莫尔1974和苏帕尔1977）。
古典量子论的最后堡垒
在本章结束之前，我们介绍一个严肃的插曲，它能够说明爱因斯坦光量子概念的真正革命性质。1924年，也就是康普顿宣布康普顿效应的发现一年之后，玻尔（同H．A．克拉摩和J．C．斯拉特一道）发表了一篇论文，旨在反对光子概念。玻尔在他的原子理论中采用了量子概念，而这一原子理论很快得到了普遍接受并使物理学的这一学科发生了革命性的变化。当时，量子论中还存在着许多无法解释的困难问题，直到几年后建立了量子力学，这些问题才得到解决。但玻尔理论同普朗克最初的量子论一样，本身并没有涉及到“自由辐射场”，也就是光或其它电子辐射在空间的量子化问题。爱因斯坦1905年的论文发表后的二十年间，玻尔和许多物理学家一样，他们虽然接受了量子论，但只承认光在辐射和吸收时的量子化，而不是光本身的量子化。他们必须记住，大量实验（包括干涉实验和衍射实验）以似乎无懈可击的证据证明了光的连续波动传播。
玻尔…克拉摩…斯拉特假说是玻尔最后一次坚持他反对用量子论对光作一般性描述的立场。他坚信，他自己的“对应原理”能在辐射和吸收量子论和已经广为认可的电磁波传播理论之间的鸿沟上架起一座桥梁。在1919年及其以后的几年中，他甚至表达过这样的愿望：如果对维护“我们的经典辐射理论”有必要的话，他将不惜迈出最为极端的一步——放弃能量守恒原理（见斯图威尔1975，222）。
1922年12月11日，他在诺贝尔奖颁奖仪式上作演讲时，再次提到了这个问题。当时他解释说：“近年来，爱因斯坦理论的预言已经得到了……精确的实验证实。”但他又立刻补充说：“尽管具有启发性意义”，但爱因斯坦的“光量子假说”与所谓的干涉现象“完全不能相容”，因此，不可能在辐射本质意义上解释光。“这成了1924年的玻尔…克拉摩…斯拉特论文的主题，论文的主要目的是：探索辐射特性的原因，“但并不涉及任何与光在自由空间传播定律相背离的光的电磁波理论”，而只研究“虚辐射场与发光原子相互作用这一特例”。这篇论文中，作者声明：在单次原子相互作用过程中，他们将“抛弃…能量与动量守恒原理的一个直接运用”，他们认为，守恒原理仅在宏观统计水平上是有效的，对单个原子并不适用。在此前两年，索未菲曾说过：抛弃能量守恒原理可能是医治光的波粒二象性疾病“最好的药方”（佩斯1982，419）。几年后，海森伯（1929）在评述这段历史时指出，“玻尔…克拉摩…斯拉特理论代表了古典量子论危机的顶点”（佩斯1982，419）；按照佩斯的说法，它是“古典量子论的最后一座堡垒”。
斯拉特后来在致B．L．F．D．瓦尔登的信中说，“能量和动量统计守恒的思想”是由“玻尔和克拉磨上升为理论的，这和我更好的见解完全相反”（斯图威尔1975，292）。斯拉特指出，玻尔和克拉摩有充分的理由说明“在当时的条件下，没有任何现象需要假定空间中光微粒（或量子）的存在。”斯拉特“对抛弃量子论获得的益处同放弃能量守恒和因果律造成的损失作了比较，终于被所获得力学机制的简单性所征服”。
否定这一理论的意见“非常之多”（斯图威尔&7）。然而，真正的答案并没有在理论讨论中出现，而是来自于直接的实验。关于实验结果，我们不妨引用赫胥黎曾经说过的话：“一个漂亮的假说被一个丑陋的事实扼杀了。”实验毋庸置疑地证明，能量和动量守恒定律即使在单一原子层次上也是有效的。这一判决性实验采用的正是康普顿效应技术。第一批实验结果是柏林的W．玻特和H．盖革获得的，而后，A．H．康普顿和A．W．西蒙得到了更为精确的结果。1925年4月21日，玻尔一听到这个消息，立即写到：“目前最迫切的事情是，给我们革命性的努力以尽可能体面的葬礼”（见斯图威尔1975，301；佩斯1982，421）。同年7月，他在《物理学杂志》上发表文章，两次提到了革命。他写到，“我们必须为这样的事实作好准备：经典电动力学理论所需要的推广，要求对那些迄今为止一直描述自然的概念进行革命性的变革”。这段插曲和玻尔对他的议论，也许正显示了量子论的巨大威力，它是那样伟大以致于使人们不自觉地使用革命的语言。
爱因斯坦论科学革命
科恩著
对于许多历史学家，哲学家，社会学家和科学家来说，相对论革命已成为科学革命的典范。但爱因斯坦却认为他的贡献应被视为物理学进步的组成部分，而不是物理学革命性的发展�
