量子江湖風雨錄 (2) 【“光電效應”， 愛因思坦“光量子”， 玻爾的量子化原子結構】

3。[赫茲光電實驗，光的波動說與‘粒子說’, 光能否打出電子?]

量子化的幽靈被偉大的普朗克放了出來，他自己被這個幽靈所展現的魔力所嚇倒，而想千方百計趕走這個幽靈。但為時已晚，這個幽靈落在了極具反叛精神的愛因斯坦手裡，愛因斯坦如獲至寶，要借着“量子化” 的幽靈給江湖一個震驚，比他震驚江湖的相對論更甚。

這要從一個著名實驗的附屬品說起。

1887年到1888年間，德國卡斯魯爾大學的物理學家赫茲做了一系列著名的光電實驗，證明了電磁波的存在，從而證實了買克斯韋的電磁理論，光也作為一種 電磁波很好地納入了電磁理論的解釋範圍，為經典物理學的成功寫上了重重的一筆。這時，光的波動說憑藉着電磁理論的強大威力，很快就統治了物理學界，老老年前 光的粒子說不得不銷聲匿跡。

然而，正是赫茲的實驗也打下了挑戰麥克斯韋電磁理論的伏筆，只是他當時沒有意識到罷了。

因為，當時赫茲的實驗主要是觀察電火花以驗證電磁理論，但偶然間他卻觀察到了一種怪現象，當有一定的光線照射到金屬表面電火花的發生處時，電火花的出現就 更容易一些，就會產生更多的電火花。赫茲把這個附帶的發現寫在了論文中，但沒人注意，大家都沉浸於麥克斯韋電磁理論成功被驗證的喜悅之中。

到了1897年，電子被發現了。

人們也很快發現當年赫茲不可理解的附帶現象是有由於光線照射到金屬表面時，打出了金屬表面的電子，產生了電火花。後來很多實驗室對此現象進行了深入研究， 發現不同種類的光線打到給定的金屬表面上時，有些能打出能量很高的電子，有些甚至打不出任何電子。也就是說，光能否打出電子，與光的頻率有關。這就是著名 的“光電效應”。

這時，經典的電磁理論解釋不了這個現象了。照理說電子是被束縛在金屬表面上的，要它脫離金屬表面，外部就要給予電子足夠的能量讓它逃出。而光這時被公認為 是波，那麼增強光的強度，就有更多的能量，為什麼有些光再增強它的強度也打不出電子，而對能打出電子的光來說，即使強度很弱也能打出電子？

沒人知道為什麼，偉大的麥克斯韋電磁理論不靈光了，這令物理學家很沮喪。一個小小的電子和光竟然不順服電磁理論！

該當量子理論要橫空出世，這時就是顯伸手的時候，給物理學界一個震動的時候到了。愛因斯坦來了，他要以反叛的面目給世人一個驚人的亮相，把量子革命的浪潮推向前進。

4。[愛因斯坦的“光子”]

愛因斯坦認真研究了那個令物理學家們沮喪的光電效應問題，1905年他在《物理學紀事》雜誌上發表了一篇劃時代的論文，題目叫做《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》，這篇論文一舉解決了令電磁理論失色的光電效應難題。

愛因斯坦正是藉助了前面說的普朗克放出來的“量子化”的幽靈，這個量子化是把能量看成不連續的，分成一份一份的，能量子就是能量的最小單位，叫量子。愛因 斯坦深深地理解了普朗克量子化的精義，認為光電效應是個瞬間的過程，某種量子化的東西在起作用，而麥克斯韋的電磁理論是描述平均現象的，不能適用於瞬間過 程。愛因斯坦決定反叛電磁理論。

愛因思坦順着普朗克的思路，把光也看成不連續的，其能量的最小單位就是“光量子”，正是這些單個的光量子與電子進行能量交換，從而打出電子。光量子強的光 線就能打出能量高的電子，而光量子弱的光線甚至不能打出電子。這就是為什麼能否打出電子跟光的頻率有關，因為從普朗克的能量分布的公式出發，一個光量子的 能量與光的頻率有關。由此，愛因斯坦推導出了一系列光電效應的公式。

愛因斯坦的這個假設把光電效應一下解釋得清清楚楚，他的光量子概念後來叫做“光子”。

愛因斯坦解決了這個難題，可能大家都很高興，心想一個難題終於解決了。然而大家可能沒有想到，愛因斯坦在這裡捅了一個天大的簍子，他把光線量子化後成為一個一個不連續的光子，分明是在說光是“粒子”。

但在經典物理學裡，不是才剛剛由麥克斯韋理論和赫茲的實驗把光定性為波了嗎？怎麼又由赫茲的附帶實驗結果和量子化概念搞出光是“粒子”呢？

愛因斯坦的光量子假設雖然提出來，但不被物理學界接受，光是一種電磁波已經被實驗證明，並有偉大的電磁理論作後盾，想輕易挑戰這些談何容易。人們要實驗證實愛因斯坦的假設。

到了1915年，美國物理學家密立根想要用實驗證明愛因斯坦的光量子假設是錯誤的，但他的實驗偏偏證明愛因斯坦的假設是對的。到了1923年，物理學家康普頓才由X射線實驗證明了光子象小球一樣不但有能量，還有衝量，這樣光子和電子相撞才能發生能量交換，打出金屬表面的電子。

看來，麻煩大了！後來愛因斯坦用“非常革命”的字眼來描述他的光量子概念，而對他的革命性成果相對論他也沒有用這些字眼。

一方面，光作為一種電磁波有實驗支持，有電磁波理論支持；另外一方面，光作為粒子現在也有實驗支持，也有量子化的理論支持。新一輪的“波-粒”大戰開始 了。這次大戰與以往不同，它從光的領域開始慢慢延伸到一切微觀粒子的領域，最後演變成了物理學界一場慘烈的混戰。而愛因斯坦自己最後也害怕了，象偉大的普 朗克一樣，終於走到了量子化的反面，成了對抗量子革命的反對派精神領袖。但量子革命本身卻以迅雷不及掩耳之勢迅速發展，“徹底的革命者”，後來成為哥本哈根學派“教皇”的玻爾要粉墨登場了。

5。[玻爾質疑盧瑟福“行星系統原子模型”]

1897年，英國劍橋的物理學家湯姆遜在研究陰極射線的時候，發現了原子中電子的存在。湯姆遜就假設了一個原子的結構模型。後來到了1910年姆湯遜的門生盧瑟福在曼徹斯特做教授，由於實驗中的新發現，不滿意恩師的模型而提出了自己的新原子模型，既“行星系統原子模型”。

這個新模型，他假設，有一個占據了絕大部分質量的“原子核”在原子的中心。而在這原子核的四周，帶負電的電子則沿着特定的軌道繞着它運行，像 一個行星系統（比如太陽系），原子核就像是我們的太陽，而電子則是圍繞太陽運行的行星們。

但其他物理學很快就發現這個新模型有致命的缺陷。因為如果他的模型是正確的話，那麼他要面對一個不可能的結果，那就是，“帶負電的電子繞着帶正電的原子核 運轉，這個體系是不 穩定的。兩者之間會放射出強烈的電磁輻射，從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價，它便不得不逐漸縮小運行半徑，直到最終‘墜毀’在原子核上為 止，整個過程用時不過一眨眼的工夫。換句話說，就算世界如同盧瑟福描述的那樣，也會在轉瞬之間因為原子自身的坍縮而毀於一旦。原子核和電子將不可避免地放 出輻射並互相中和，然後把盧瑟福和他的實驗室，乃至整個英格蘭，整個地球，整個宇宙都變成一團混沌”。

但我們的世界並沒有坍縮，是盧瑟福的原子結構模型有大問題，卻不能解決。這時年輕的丹麥籍留學生玻爾，來到了盧瑟福的實驗室，對這個原子模型難題產生了很大興趣。正是以這個問題為契機，玻爾走上了量子革命的不歸路。

作為年輕的革命青年，玻爾從一開始就把目標定在了量子假設這一目標上，他要用快速發展起來的量子觀念研究原子模型。到1912年他就發表了自己的第一篇關於原子結構方面的論文，雖然後來證明這篇論文並不那麼有意義，但量子革命的火種從此在玻爾的心裡紮下了根。

他在同年完成了學業，回到了丹麥的哥本哈根，在那裡他開始創造哥本哈根學派在量子革命中輝煌。

6。< 玻爾的量子化原子結構理論體系>

玻爾在原子模型上遇到的困境和愛因斯坦在光電效應難題上遇到的困境在思想方法上有非常相似的地方，那就是是否要放棄偉大的麥克斯韋和他的偉大理論 – 電磁理論。玻爾毅然決然地選擇了放棄電磁理論和他的創立者。

年輕的玻爾很有直覺和敏銳的洞察力，他非常善於捕捉那些在別人看來不起眼但卻真正有價值的東西。

一次偶然的機會，玻爾認識的一個人與玻爾談起了原子光譜的問題，那人說原子光譜雖然繁多，但有一定規律可循，瑞士的一位數學教師巴爾末就從中總結出了一個簡單明了的公式，其中有一個至關重要的數N是大於2的正整數。

這是一個經驗公式，從來沒有人知道這個公式背後隱藏的含義，也不知道用什麼理論才能推導出這個公式。但當玻爾看到這個公式後，他一下驚呆了，他馬上就把巴爾末公式與普朗克提出的能量的量子化公式聯繫了起來。很快他就形成了一個革命性的想法：“原子內部只能釋放特定量的能量，說明電子只能在特定的‘勢能位 置’之間轉換。也就是說，電子只能按照某些‘確定的’軌道運行，這些軌道，必須符合一定的勢 能條件，從而使得電子在這些軌道間躍遷時，只能釋放出符合巴耳末公式的能量來” ，而這些能級是離散的，量子化的，被神秘的規律控制着。

隨後他把這種量子化的大膽設想轉化成了理論推導和數學方程，一舉發表了三篇論文論原子結構的量子化解釋，於1913年發表在了《哲學雜誌》上。玻爾完成了量子革命的第三部曲，使得量子革命走到了青年時期，儘管還沒有完全擺脫舊的經典體系，但她已經顯示了震驚世界的力量。

玻爾推導的公式完全符合巴爾末經驗公式描述的原子譜線，其跟實驗誤差僅為千分之一。玻爾的公式更預測了一些新的譜線，後來都得到了實驗的證實。而且，玻爾的理論描述的更多，解釋力達到了空前的程度。他後來在1922年以他的量子化原子理論獲得了諾貝爾獎。

但在當時，這個理論卻不被正統的物理學界接受，有物理學家公開表示“如果這些要用量子力學才能解釋的話，那麼我情願不予解釋。”另有人聲稱，要是量子模型 是真實的話，他們寧願退出物理學界。因為，他們覺得玻爾的理論有推翻傳統電磁理論的企圖。但玻爾的量子化原子理論是那樣的成功，兩年後就被大家普遍接受 了。

玻爾的理論雖然很成功，卻仍然不能完全取代麥克斯韋的電磁理論。在被迫無奈的情況下，玻爾企圖調和他的量子理論與經典的電磁理論，提出了一個折衷的“對應”模型。他折衷的對應模型註定是短命的，因為量子革命的大潮不能容許這種妥協。

從根本思想上，量子化的離散性與傳統的連續性是對立的，而且，玻爾的量子化原子結構理論體系已經蘊藏了“隨機性”這個不見容於經典力學的重大思想。在玻爾 的量子化體系中，我們不能判斷一個電子何時何地會發生躍遷，從一個能級到另外一個能級，它是自發的，它表現為一種理論上不可能描述的隨機過程，而這個過程 不同於一般的隨機過程。一般的隨機過程，是有原因的，只是我們沒有足夠的信息描述這種原因，但理論上不排除描述的可能性。而玻爾量子化原子結構中電子的躍 遷的隨機性是無因之果，是自發的，至少從理論上沒有計算電子躍遷條件的可能性。這實際上是在衝擊傳統的因果律，是相當嚴重的問題。

據說1919年，當時量子物理的三大巨頭，玻爾，普朗克和愛因斯坦，聚集柏林就這個問題進行了探討。愛因斯坦對玻爾理論中衝擊因果律的反叛思想大為不滿，也埋下了玻爾與愛因斯坦這兩位科學巨匠長達幾十年大辯論的種子。

正因為這樣，玻爾折衷理論的短命就是是不可避免的，而玻爾也最終跨過了他那個折衷理論的屍體，領導他的團隊創立了量子革命正宗的“哥本哈根”學派。 1921年哥本哈根物理研究所成立，36歲的玻爾任所長。那些在量子力學中赫赫有名的大師們，就要正式登場了，他們將演繹一場驚心動魄的量子江湖戰爭。

7。[德布羅意 波, 電子的波-粒大戰 ]

首先登場的叫德布羅意，一個法國物理學家曾經師從鼎鼎大名的朗之萬。就是這個德布落意，在玻爾量子化原子結構理論遇到困境時，提出了一個革命性的設想，把電子也納入了波動的範疇，後來成為愛因斯坦陣營的一員猛將，與玻爾的哥本哈根陣營拼死角斗。

前面說到玻爾的量子化原子結構模型雖然取得了巨大的成功，為量子革命立下了汗馬功勞，但他的理論還不足以替代經典的麥克斯韋電磁理論，迫使玻爾走與電磁理論的折衷路線。

正是在這種困境中，德布羅意劍走偏鋒，力圖完全甩開麥克斯韋的電磁理論，考慮如何能夠在玻爾的原子模型裡面自然地引進一個周期的概念，以符合觀測到的數據。而這個條件在玻爾的模型里是被是強加在電子的量子化模式里的，不是理論的推導。

德布羅意的思想很奇特。他從愛因斯坦的相對論出發，開始推論：把愛因斯坦的相對論用到電子身上，愛因斯坦相對論的著名公式把電子的能量與電子的質量和光速 連接了起來，而普朗克著名的能量量子化公式又把能量和頻率連接了起來，這樣把兩者一合併，用公式一推導，對一個電子來說，就有一個內稟的頻率與之相隨相 伴。

這樣就不得了！德布羅意繼續推算，電子有一個內稟的頻率，可以換算成電子在運行時必定伴隨一個波！

結果便開始令人震驚了。

在此之前，無論是經典力學還是玻爾的量子化原子理論，都把電子看作是一個粒子，天經地義。但到了德布羅意這裡，怎麼七拐八拐把電子跟波扯到一塊去了？這不 麻煩大了嗎？在前面，我們看到愛因斯坦反叛傳統，用量子化思想挑戰傳統認定的光的波動性，引出了光的粒子性，使得光的波 - 粒對決空前火熱，氣氛相當火爆。而在光特性上的大戰硝煙正濃的時候，德布羅意卻在電子上把電子引向了波動的特性上來。

如果說光的波-粒大戰已經夠麻煩的了，那麼電子的波-粒大戰一定是不可收拾的爛攤子，因為電子是構成我們整個實實在在的宏觀物質的一種微觀粒子啊！當然，在後面我們可以看到，量子革命把構成實在物質的所有微觀粒子都拉入了這一範疇，發動了名符其實的世界大戰。

伴隨電子的這種波，後來被成為“德布羅意波”，儘管它的速度可以比光速快很多，但據說由於這種波被德布羅證明不攜帶能量和信息，所以不違背愛因斯坦相對論。

當德布羅意宣布他的理論說明電子是個波的時候，幾乎沒人相信。德高望重的物理學大師們，為年輕一輩的反叛精神而大搖其頭，直呼“人心不古，世道亂了”。據 說德布羅意的恩師朗之萬也對弟子的出格很傷腦筋，但還是把弟子的論文轉交給愛因斯坦。令人沒想到的是，愛因斯坦對德布羅意的理論卻給予了高度評價。

有愛因斯坦撐腰，電子的波動性才得到學術界的重視。現在需要是實驗證據，證明電子是波。

該當德布羅意成名，後來在1925年美國紐約的貝爾電話實驗室的一個失敗實驗，卻奇蹟般地證明了電子的波動性，電子能夠象光波一樣發生衍射圖案，其波動性數據與德布羅意的理論符合的非常好。

德布羅意成功了，理論和實驗都證明了電子是波。但物理學麻煩了，光到底是波還是粒子？電子到底是波還是粒子？

它們都有實驗做自己的後盾，都有理論做自己的後盾。各路人馬一起加入了這場的火熱的大戰，戰局正酣。但問題是，這場戰爭怎麼收場？

就在這個時候，玻爾哥本哈根陣營的一員猛將，海森保，要揚名立萬，威震江湖了。由於海森堡的加入，使得戰局更加混亂，更撲朔迷離。

後事如何，下回分解