【CASE 專欄】水火不容

第九期探索講座高涌泉老師在第一講-「既是粒子又是波?量子之謎的起源」裡曾提到他過去所寫的一篇文章,CASE在徵求老師的同意後,轉載過來供大家參考。

圖片來源:Jan Bruggeman│Getty Images

撰文│高涌泉 台灣大學物理系教授

前一陣子,我為了準備一篇介紹狹義相對論的文章,而想到查看電磁學大師馬克斯威爾本人如何說明「以太」這個觀念,於是找上了他為大英百科全書第九版(1879年出版)所寫的〈以太〉一文。馬克斯威爾從以太的本意說起:它是一種比可見物體更微妙的物質,存在於空無一物的空間中,具有悠久的歷史,曾扮演各式各樣的角色,但是這些角色大半沒什麼科學意義,唯一能經得起考驗的是荷蘭物理學家惠更斯(C. Huygens, 1629-1695)為了解釋光的傳遞所發明的以太介質。

在惠更斯的時代,人們對光的本質主要有兩種見解:其一是粒子說,此說認為光是一種微粒般的物質,以高速直線前進;粒子說陣營的主將是牛頓。其二是波動說,此說主張光是類似水波的一種波動;惠更斯是波動說的主將。當時的人們相信任何波動都需要介質,惠更斯的以太就是承載光波的介質。

由於馬克斯威爾能夠從他的電磁學方程式證明電場與磁場的振動可以形成電磁波,而電磁波速度和光速一樣都是 c (=2.9979×10 8公尺/秒),所以他很自然地認定光即是電磁波,如此一來,電磁學便和光的波動說連起來了。馬克斯威爾在〈以太〉裡寫道,我們對光的現象理解越多,以太存在的證據就累積越多。他接著以光的干涉現象為本證明了光必然是一種波動,故而以太這種介質必得存在。

大師這段一百多年前的論證不僅證明了光的波動性,還非常清楚地闡明波和粒子是水火不容的兩種概念。就邏輯而論,馬克斯威爾簡單但犀利的理由無懈可擊,今天讀來仍令人信服:

光本身不是一種物質,這件事可以用干涉現象來證明。我們利用光學方法將來自單一光源的一束光分成兩束,讓這兩束光走不同的路徑,然後再把它們合併,並投射在屏幕上。如果兩束光之一擋掉,則另一束會落在屏幕上,使屏幕出現亮點。可是如果我們讓兩束光都通過,屏幕上有些地方反而會變暗,這證明兩束光相互消滅了對方。

因為我們不能假設兩個物體一旦放在一起,可以相互消滅,所以光不可能是一種物質。我們所證明的是一束光可以正好是另一束光的相反,就如+a正好是-a的相反──無論a是什麼。在物理量之中,我們發現有些量的正負號可以顛倒過來,但有些則不行。例如,在某個方向上的位移正好是在反方向上同樣位移的相反。這樣的量不能代表物質,只能代表發生在物質上的過程。所以我們的結論是,光不會是一種物質,而是一種發生在某物質上的過程,(在前述情況下)第一束光發生的過程永遠正好是同一時刻另一束光發生過程的相反,因此這兩束光合併在一起後,就不會出現任何過程(所以屏幕就出現暗點)。

馬克斯威爾無法想像光如何有可能既是粒子(一種帶能量的物質),又能表現出干涉現象,於是他毫不猶疑排斥了光的粒子說,而接受波動說。任何了解此論證的人都會同意這結論。然而物理世界並不是全然照著無瑕疵的邏輯運行的──馬克斯威爾的結論在1905年被年輕的愛因斯坦推翻了。

首先是以太存在與否的問題:在馬克斯威爾的觀點裡,有一個座標系與眾不同,其特殊之處在於以太介質靜止於其中。光速只有在這個座標系中才會等於c,光在其他座標系中都不會有這個速度。但是愛因斯坦的狹義相對論卻要求一切座標系都是等價的,並且光速在任何座標系中都等於c。惠更斯的以太在狹義相對論中成了個多餘的假設。

其次是光其實也有粒子性:愛因斯坦跟循著普朗克的腳步,提出了光量子的假設;在這假設之下,光是由一顆顆帶能量的光量子所組成的。愛因斯坦並指出這個假設可以在所謂的「光電效應」中獲得驗證。

光怎麼可能既是粒子又是波?愛因斯坦難道可以駁斥馬克斯威爾的論證嗎?他當然不能,所以才會對人說:「我思考量子問題的時間百倍於我思考廣義相對論的時間。」而且直到過世,都拒絕相信採用「波粒二象性」的量子論會是最後的真理。

高涌泉:〈水火不容〉《武士與旅人──續科學筆記》,三民書局(初版2008年),頁132。

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責任編輯:Nita Hsu

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