量子江湖風雨錄 (1)  量子力學 與 光熱特徵和光電效應研究

來源: xavet

緣起：上次寫了《年輕的科學，古老的文化》引言，本來準備下來就寫關於中國文化的思考，然而事情卻有了一些變化。原以為科學昌明的今天，大家對科學的了解應該比較多了，但後來我驚訝的發現事實並不是這樣。這源自於我的那篇小文被意外地轉出了豆腐莊，被貼在了一個高知 雲集的論壇，而引起了一場不大不小的騷動。我在那篇小文中簡短地述說了精神意識在量子力學研究中的出現，因果律和客觀實在在量子力學研究中受到的衝擊，這 使得有些同學不舒服，個別同學則非常憤怒，而個同學還是學物理的，並在學校里給學生講授物理。他或者他們好象不知道這些問題在80年前就在量子物理的爭論 中被提了出來，是正宗的哥本哈根的觀點解釋或者推論。

這就使我想到了，現在仍需要科普，特別是量子力學這門革命性的深刻科學。但要寫一個關於量子力學革命的深入淺出的科普不容易，因為它提出的思想太顛覆我們 的傳統思維。我們顯然需要一個簡單易懂的量子革命發展史，但要寫卻比較困難，雖然我們有不少的科普著作論述量子力學的思想。倒是有一本書《上帝擲骰子 嗎？》把量子革命寫的很好，不過那是一本巨著，我想可能大家沒有那麼多的時間和興趣去啃它。這裡正好我有興趣，我便按照這本書的脈絡，把量子革命怎樣發展 的故事介紹給大家，希望能在數篇文章的篇幅內讓大家能夠領略量子革命的精髓，算對我前面那篇小文的補充和辯護。

好，言歸正傳。
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量子江湖風雨錄 (1) 【從牛頓力學 到 相對論 和 哥本哈根學派創立的量子力學】

0。[從牛頓力學,  拉普拉斯的《天體力學》,到愛因斯坦的相對論]

就象江湖上那經典的一幕，歷經三百多年風霜雪劍的恩怨情仇，一個超級的武林門派傲然出世。這個門派匯集了無數身經百戰的超一流好手，群英匯萃，氣象不凡， 所向披靡。它最後終於一統江山，名震江湖，成為唯一的超級霸主。任何其它的個人或者勢力在這個超級霸主面前都顯得那麼的脆弱，那麼的不堪一擊，也更凸顯出 這個超級霸主的威嚴、輝煌與驕傲。

這個超級霸主，不是別人，就是19世紀末的物理學大廈，金碧輝煌、雄偉壯觀、不可一世，以惟我獨尊的氣派統治着物理學界。

那時，牛頓力學控制着天上的行星和地上的石頭；波動理論在光學領域獨霸一方，後來又被新的電磁理論擴大到整個電磁世界；熱力學三大定律也亦基本建立；分子 運動論和統計熱力學也在一幫天才的努力下獲得成功。而最重要的是，這一切理論都是相互包容的，彼此沒有任何衝突和矛盾，最終形成了一個龐大的經典物理學大 同盟。

這時，最能表達物理學驕傲的應該是拉普拉斯的那句著名語錄，就是在1799年他的著作《天體力學》發表後，拿破崙問拉普拉斯：“在您宇宙體系的大作中，為 什麼沒有提宇宙的創造者？”而拉普拉斯的回答是：“陛下，我不需要上帝這個假設。”因為在拉普拉斯眼力，他的理論是那樣的完美，以至於在某一時刻，只要給 定宇宙所有粒子的初始條件，人們就可以把宇宙的過去、現在和將來都清楚地用方程描述出來，展現在世人的面前。

在經典物理學的大廈里，因果律支配着一切，一個與精神意識無關的客觀實在不以任何精神意志為轉移地存在着，而在物理學家的眼裡，19世紀末的物理定律已足 以完整地描述這個客觀世界。科學界普遍認為，物理學到達了她輝煌的終點，不再會出現新的驚喜，而偉大的科學家開爾文勳爵甚至說：“物理學的未來，將只有在 小數點第六位後面去尋找”。

一片歌舞昇平，一片喜氣洋洋，物理學界一片金色輝煌。但是，人們不禁要問, 真的是那樣嗎？

當然不是那樣，後來物理學的發展無情地摧毀了這種理性的傲慢。在人們還沒有來得及充分享受那個物理學大廈的輝煌的時候, 20世紀初，兩場摧枯拉朽的革命在物理學的領域裡粹然而至，不可思議。第一場革命改變了人們傳統的絕對時空觀念, 那就是愛因斯坦的相對論, 而第二場革命就是由以玻爾為領袖的哥本哈根學派創立的量子力學，直接衝擊着經典物理學賴以為基礎的因果律和不以精神意識為轉移的客觀物理實在性。

作為對傳統的反叛，愛因斯壇的相對論一出現就震動了整個學術界，他的反叛理論那麼的不可思議，那麼的革命，令整個學術界都目瞪口呆，難以接受。然而在理論和實驗面前，學術界不得不接受了他的相對論，儘管不那麼令人舒服。

然而，量子力學的反叛卻遠遠超過了愛因斯坦的相對論。如果說相對論使得經典物理學大廈發生劇烈的震動和搖晃的話，那麼量子力學則是從根本上要摧毀經典物理學的輝煌。也正因為如此，量子力學的出現才引起了物理學界的世界大戰。

當量子力學剛出現的時候，她的反叛思想深深地吸引了具有非凡反叛精神的愛因斯坦，愛因斯坦為量子力學的初期發展做出了不可磨滅的貢獻。然而，隨着量子力學 的理論向縱深發展，她所表現出來的反叛令愛因斯坦也深為震驚，終於使得愛因斯坦走向了量子力學的反面，成為反對量子力學陣營的精神領袖。

那麼，量子力學是怎樣出現和發展的？她又是怎樣反叛經典物理學的？何以能引起世界如此的震撼？

那就讓我們大概地領略一下量子力學的詭秘與迷茫，神奇與沮喪，以及成就與混亂。大家一定要記住創立量子力學的哥本哈根學派的精神領袖波爾的一句名言：

“假如一個人不為量子論感到困惑的話，那他就是沒有明白量子力學。”

1。《在熱和光動力理論上空的19世紀 烏雲》

上面說到，19世紀末，宏偉壯觀的經典物理學大廈落成，金碧輝煌，天空一片湛藍，這使得物理學的大廈更加光彩奪目。然而，不知何時，卻有兩朵小小的烏雲在 不經意間，慢慢地出現在了瓦藍的天邊。因為人們還沉浸於剛剛落成的經典物理學大廈，所以沒有太多的人注意這兩片小小的烏雲。

然而，這兩朵烏雲卻被德高望重的物理學家開爾文注意到了，那年他76歲，是1900年的4月27日，他發表了著名的演講《在熱和光動力理論上空的19世紀 烏雲》。他白髮蒼蒼，以這句話開頭：　“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽，顯得黯然失色了”。

其實，這兩奪烏雲在當時看來並不起眼，是物理學中在19世紀末遇到的難以理解的兩個問題。

一個是物理學家邁克爾遜和莫雷心血來潮，於1886年安排了更精確的實驗，想測量“以太”相對於地球的相對速度，而這個以太當時被認為是一個絕對靜止的參 考系，地球穿過以太運動。他們的設想是，地球在以太中運動，如果在不同的運動方向上測量兩束光在以太中的速度，從它們的差別中就可算出以太相對與地球的速 度。

大家沒有必要去考慮他們到底是怎麼計算的，而關鍵是當他們完成了多次的實驗後，他們驚異的發現，以太似乎對穿越於其中的光線速度毫無影響。他們認為這是一 個“失敗的實驗”，因為這個實驗似乎在否定以太作為絕對靜止參照系的存在，而以太這個絕對靜止的參照系是經典時空觀在經典物理學的一個基石，誰吃了熊心豹 子膽敢動這個基石？

第二朵烏雲來自黑體的輻射問題。19世紀末，人們開始對黑體輻射發生了濃厚的興趣，發現黑體輻射的能量與溫度有明確的函數關係。但究竟這個關係在理論上應該是什麼呢？

德國帝國技術研究所的物理學家維恩從從經典熱力學的思想出發，假設黑體輻射是由一些服從麥克斯韋速率分布的分子發射出來的，然後通過推演在1893年提出了一個輻射能量與溫度的分布公式。但這個公式卻只在短波範圍內與實驗數據吻合很好，在長波範圍就出現很大偏差。

後來英國的物理學家瑞利和意大利物理學家金斯共同努力從類波的角度出發推導出了另外一個公式，計算黑體輻射的公式。遺憾的是，這個公式與維恩的公式正好相反，只在長波範圍內與實驗數據吻合很好，在短波範圍會出現很大偏差。

大家可以不理會這朵烏雲具體是什麼，只要知道物理學家從經典物理學裡推導出了兩個公式來描述同一物理現象 – 黑體輻射，一個從經典粒子的角度出發去推導，另一個從類波的角度去推導，得到的公式只分別適用於短波或者長波，不能通用，很難解決。這就是個問題，說明經典物理學缺了些什麼。

儘管這兩朵烏雲令人百思不解，但由於它們不合時宜地出現在了經典物理學輝煌大廈的落成之時，物理學界還是充滿了樂觀，認為必定能在當時已有的理論框架內得以解決，不必擔心。

然而，令人料想不到的是，正是這出現在19世紀末的兩朵不起眼的烏雲，在短短20多年的時間內，先是在經典物理學大廈上空形成了滿天烏雲，繼而電閃雷鳴， 很快便颳起了狂風暴雨，將經典物理學的宏偉大廈連根拔起，摔得七零八落，同時也使得理論物理學走進了迷宮，至今沒有完全突圍出來。

第一朵烏雲導致了相對論的誕生，把人們拉入了時空物質相互糾纏的玄妙世界，迫使我們思考從沒有時間、沒有空間、沒有物質的狀況怎樣幻化出時間、空間和物質，並形成我們所處的這個豐富多彩的的世界，當然還包括我們人類的生命和精神意識。

第二朵烏雲導致了量子力學的誕生，由哥本哈根學派創立，在他們的解釋里，它衝擊我們原有的因果律，否定我們身外存在一個客觀的物理實在，在其推論中更將精神意識引入了物理學的領域裡面來。這個理論倔強地與相對論發生衝突，倔強地與很多其它解釋爭奪在物理學中的霸主地位。

限於篇幅，我們不去關注第一朵烏雲，就讓我們只關注第二朵烏雲吧，看它怎樣演變成了滿天烏雲，怎樣演變成了狂風暴雨，怎樣衝擊經典物理學的根基。

2。《黑體輻射，普朗克‘公式’，“不連續性”與 能量的量子化 》

對大學物理有些概念的人肯定都會記得大名鼎鼎的普朗克。普朗克當時是德國柏林大學(柏林一所大學？)的物理學教授，他對黑體輻射問題發生了興趣，他想一舉 解決這個難題。雖然他當時只知道維恩的公式(適合短波)，但他也知道黑體輻射在長波時的關係，雖然他不知道瑞利-金斯公式。

然而，經過了六年的艱苦努力，他沒有成功，這很令他沮喪。那時他已從朋友那兒知道了在長波時的瑞利-金斯公式。

後來普朗克想，要不我先玩個小聰明，利用數 學的內差法，先湊一個通用的公式出來，在短波時變成維恩公式，在長波時變成瑞利-金斯公式，其它以後再說。當然，這個不用有物理理論支持，細心湊就行了。

很快普朗克就湊了一個公式出來，他把新鮮出爐的公式發表在1900年10月在柏林召開的德國物理學會的一個會議上。

令人驚訝的是，他的公式很快就被證實與實驗數據十分精確的符合。普朗克自己也很驚訝，沒想到他僥倖湊的公式竟然有這麼大的威力。

雖然普朗克不知道這個湊出來的公式背後到底隱藏着什麼樣的秘密, 但普朗克通過六年的探索已經敏銳地感覺到那是個驚人的大秘密，會對整個熱力學和電磁學至關重要。他決定背水一戰，破釜沉舟，除了熱力學的兩個基本定律不能動外，他決定什麼都可以去挑戰。但他萬萬沒有想到的是，當他找到了那個秘密後，他自己先給嚇得魂不附體。

經過了一段時間的艱苦奮戰，普朗克終於找到了那個他後來得諾貝爾獎時說的“意想不到”的東西，就是：

“僅僅引入分子運動理論還是不夠的，在處理熵和幾率的關係時，如果要使得我們的新方程成立，就必須做一個假定，假設能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。”

大家可能覺得這並沒有什麼了不起的，就“假設能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的”不就行了嗎？但當你真正了解了這句話的含義後，你也就會膽戰心驚了。

大家要特別注意普朗克假設中的“不連續性”，因為連續性和平滑性假設是數學微積分的堅實基礎，而經典物理學的龐大體系就是建立在這個數學體系之上。在經典 物理學中，有了任何難以解決的問題，你動什麼都可以，唯獨這個基礎你連要碰的想法都不能有。就象普朗克最後想的那樣，他豁出去了，拼命了，他除了熱力學中 的兩個基本定律不能動外，他在熱力學中什麼都願意去挑戰。但那只是熱力學啊，他連那個基礎都不敢動。現在，他發現自己被迫要動整個經典物理學大廈的根基， 他能不嚇壞嗎？

最後，普朗克還是在1900年12月14日在德國物理學會的學術會議上發表了他的論文，提出了自己的假設。

他的假設令所有聽到這個假設的物理學家都震驚不已。但人們沒有想到的是，正是普朗克的假設啟動了量子力學的革命，而更多更大的震驚便接踵而來，一發而不可收拾。

量子力學革命在20世紀的第一年的最後一個月就爆發了，而能量的不連續性就是後來講的能量的量子化。

如果能量真是量子化的，那麼首當其衝受到質疑的就應該是麥克斯韋爾的電磁理論，在普朗克看來，這是不可能的。

他寧願相信能量的量子化只是數學上為了方便引入的一個假設而已，不是物理上的真實。

但很快，普朗克的量子化假設便被廣泛傳播，具有反叛精神的物理學家們開始把普朗克開創的量子化假設不斷推向前進，十幾年就出現了一個個意想不到反傳統的結果。普朗克則越來越害怕，終於拋棄了自己開創的量子化領域，並一再提醒大家，不到萬不得已，不要在量子化領域胡思亂想。

然而，普朗克一旦放出了”量子化“這個幽靈，他就再也收不回去了，也就註定了“量子化” 這個幽靈要將經典的物理世界攪個天昏地暗。

後事如何，下回分解。