余沁2020暑假读《上帝掷骰子吗》摘录及心得 [复制链接]

  前些日子高考结束，有个段子——数学结束，一考生信心十足的说数学最后一题答案是不是√（3）/1267？另两个考生：答案不是3吗？网友评论：最后大题答案这么复杂一般是错了。

  科学定律也是这样，往往没那么复杂，能用简洁的数学公式来表达。科学家们往往对于科学美有着坚定信仰，牛顿曾经说过：太阳，行星和彗星的有序系统是他所见过的最美丽的系统。因为对美的追求他推动了运动规律的总结和大一统。

19世纪末，一位著名的科学家说:“物理学的未来将只有在小数点，第6位后面去寻找。”

  19世纪末是经典物理的黄金时代。从当时来看，所知道的一切物理现象几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁，一切的一切都在人们的控制之中，以致物理学家们开始相信这个世界，所有的基本原理都已经被发现了。所以有科学家才会说出上面这句话，普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

  但“量子”概念的出现，却动摇了经典物理的地基，带来天崩地裂的的荡涤。

  这说明，探索真理的边界是永无止境的，我们永远不要满足当下。

“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”——开尔文

  这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体一些，指的就是人们在迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。

  科普3里提到的迈克尔逊－莫雷实验，算是物理史上的一个著名的“意外”实验。用“意外”这个词，指的是实验未能取得预期的成果，可能在某种程度上，也可以称为“失败”实验吧。这个实验的结果是如此地令人震惊，以致它的实验者在相当一段时期里都不敢相信自己结果的正确性。但正是这个否定的证据，最终使得“光以太”的概念寿终正寝，使相对论的诞生成为可能。这个实验“失败”了，在物理史上却应该说是一个伟大的胜利。

  这个例子让我想到沈银彬老师开过的一个帖子“课堂上小实验失败了怎么办”，帖子主要观点是不要害怕实验失败，失败了也能分析失败的原因，能很好地生成教育。再结合迈克尔逊－莫雷实验这个例子，我觉得，实验失败未尝不也是一份科学的馈赠。

科学从来都是只相信事实的。

  这句话让我想到朱钻飚老师非常关注的“实证”意识，他自己就写过一篇名为《言有据、做重据、评依据——培养实证意识的实践研究》，也组织开展教师写“实证”教育的案例。科学家们要公开发表一个观点前总是会做大量实验，当实验结果能够佐证他的观点时，他的观点才会被物理界奉为“明珠”。科学老师在把这些原理教给学生时自然不能空口说白话，需做实验让学生信服，因“科学从来只相信事实”呀。

  普朗克发现，能量的传输也必须遵照这种货币式的方法，一次至少要传输一个确定的量，而不可以无限地细分下去。能量的传输，也必须有一个最小的基本单位。这个基本单位，普朗克把它称作“能量子”（Energieelement）。但随后很快，在另一篇论文里，他就改称为“量子”（Elementarquantum），英语就是quantum。这个字来自拉丁文quantus，本来的意思就是“多少”“量”。量子就是能量的最小单位，就是能量里的一分钱，一切能量的传输，都只能以这个量为基本单位来进行。它可以传输一个量子，两个量子，任意整数个量子，但却不能传输1.5个量子。

  我在看科幻剧的时候，尤其是《危机边缘》（涉及“平行世界”等科幻概念），剧中科学家一顿操作、一通解释，我却不明白发生了什么，为什么这样了。这时弹幕就会出现“别问，问就是量子原理”。像“量子”、“相对论”、“薛定谔的猫”，这些术语，每个人似乎都听到过，我对这些词也是耳熟的很，但，什么是“量子”、什么是“相对论”，其实并说不上来，也懒得去研究，总觉得涉及普朗克、涉及爱因斯坦，绝对是很高深的东西。其实，对这些名词，还是有必要知道基本的“名词解释”，比如，“量子”就是“能量子”，是能量传输的最小单位。其实被科普了之后，也是很好理解的嘛~至于“相对论”，还没看到，作者会通俗解释的，等我看到了再来提一嘴。

“光电效应”

  当光照射到金属上的时候，会从它的表面打出电子来。原本束缚在金属表面原子里的电子，不知是什么原因，暴露在一定光线之下的时候，便如同惊弓之鸟纷纷往外逃窜，就像见不得光线的吸血鬼家族。对于光与电之间存在的这种饶有趣味的现象，人们给它取了一个名字，叫作“光电效应”（PhotoelectricEffect）。

  对于特定的金属，能不能打出电子，由光的频率说了算。而打出多少电子，则由光的强度说了算。这个现象没有道理，它似乎不应该是这样的啊。我们都已经知道，光是一种波动。对于波动来说，波的强度便代表了它的能量。我们都很容易理解，电子是被某种能量束缚在金属内部的，如果外部给予的能量不够，便不足以将电子打击出来。但是按理说，如果我们增加光波的强度，那便是增加它的能量啊，为什么对于红光来说，再强烈的光线都无法打击出哪怕是一个电子来呢？而频率，频率是什么东西呢？无非是波振动的频繁程度而已。如果频率高的话，便是说波振动得频繁一点，那么按理说频繁振动的光波应该打击出更多数量的电子才对啊。然而所有的实验都指向相反的方向：光的频率，而不是强度，决定它能否从金属表面打出电子来；光的强度，而不是频率，则决定打出电子的数目。这不是开玩笑吗？搞什么鬼，难道上帝无意中把两封信装错了？

  对于可怜的物理学家们来说，万事总是不遂他们的愿。好不容易有了一个基本上完美的理论，实验却总是要搞出一些怪事来搅乱人们的好梦。有着洁癖的物理学家们还在苦思冥想着怎样可以把光电现象融入麦克斯韦理论之中而不损害它的完美，他们却不知道这件事情比他们想象的要严重得多。很快人们就会发现，这根本不是袍子干不干净的问题，而是一个牵涉整个物理体系基础的根本性困难。不过在当时，对于物理学家们来说，麦克斯韦的方程组仍然像黄金刻出的《圣经》章句一样，每个字母都显得那样神圣而不可侵犯。没有最天才和最大胆的眼光，又怎能看出它已经末日临头？

  可是，无巧不成书。科学史上最天才和最大胆的传奇人物，恰恰生活在那个时代。1905年，在瑞士的伯尔尼专利局，一位26岁的小公务员，三等技师职称，留着乱蓬蓬头发的年轻人，他的眼睛在光电效应的这个问题上停留了一下。这个人的名字叫作阿尔伯特·爱因斯坦。于是在一瞬间，闪电划破了夜空。暴风雨终于要到来了。

  爱因斯坦是从普朗克的量子假设那里出发的。大家都还记得，普朗克假设，黑体在吸收和发射能量的时候，不是连续的，而是要分成“一份一份”，有一个基本的能量单位在那里。这个单位，被他称作“量子”，其大小则由普朗克常数h来描述。我再一次把量子的计算公式写在下面，供各位复习一遍：在这里笔者要停下来稍微交代两句。对于我们这次量子探险之旅的某些队员，特别是那些对数学没有亲切感觉的队员来说，一再遇到公式可能会引起头晕呕吐等不良症状，还请各位多多包涵体谅。史蒂芬·霍金（StephenHawking）在他的畅销书《时间简史》里面说，插入任何一个数学公式都会使作品的销量减半，所以他考虑再三，只用了一个公式E=mc2。我们的史话本是戏作，所以不考虑那么那么多，但就算列出公式，也不强求各位看客理解其数学意义。不过唯有这个E=hν，笔者觉得还是有必要清楚它的含义，这对于整部史话的理解也是有好处的。从科学意义上来说，它也绝不亚于爱因斯坦的那个E=mc2。所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述：E代表一个量子的能量，h是普朗克常数（6.626×10-34焦耳/秒），ν是辐射频率。最后宣布一个好消息：除此之外，读者在后面的旅途中如果对任何其他公式有不适反应，简单地跳过它们就是，这对于故事的整体影响不大。

  回到我们的史话中来。实验表明，增加光的强度只能打击出更多数量的电子，而不能增加电子的能量。要打击出更高能量的电子，则必须提高照射光线的频率。提高频率，提高频率。爱因斯坦突然灵光一闪：E=hν，提高频率，不正是提高单个量子的能量吗？而更高能量的量子，不正好能够打击出更高能量的电子吗？另外，提高光的强度，只是增加量子的数量罢了，所以相应的结果自然是打击出更多数量的电子！一切在突然之间，显得顺理成章起来。

  14楼引出爱因斯坦这个主角的语句是《上帝掷骰子吗》这本书文风的缩影，我就是从这段话种草这本书的。给我种草这本书的小伙伴说书中的很多公式可以忽略不看，因为主要在讲故事。虽然有心理准备，但看到15楼划线部分的语句还是被作者幽默到了。我很害怕老师们看到这么多字会不想看，所以分成两楼，真的很想通过这两楼的文字给大家种草上这本书。言语匮乏，只能说这本书很有意思，希望能吸引到大家。