量子江湖风雨录 (2) 【“光电效应”， 爱因思坦“光量子”， 玻尔的量子化原子结构】

3。[赫兹光电实验，光的波动说与‘粒子说’, 光能否打出电子?]

量子化的幽灵被伟大的普朗克放了出来，他自己被这个幽灵所展现的魔力所吓倒，而想千方百计赶走这个幽灵。但为时已晚，这个幽灵落在了极具反叛精神的爱因斯坦手里，爱因斯坦如获至宝，要借着“量子化” 的幽灵给江湖一个震惊，比他震惊江湖的相对论更甚。

这要从一个著名实验的附属品说起。

1887年到1888年间，德国卡斯鲁尔大学的物理学家赫兹做了一系列著名的光电实验，证明了电磁波的存在，从而证实了买克斯韦的电磁理论，光也作为一种 电磁波很好地纳入了电磁理论的解释范围，为经典物理学的成功写上了重重的一笔。这时，光的波动说凭借着电磁理论的强大威力，很快就统治了物理学界，老老年前 光的粒子说不得不销声匿迹。

然而，正是赫兹的实验也打下了挑战麦克斯韦电磁理论的伏笔，只是他当时没有意识到罢了。

因为，当时赫兹的实验主要是观察电火花以验证电磁理论，但偶然间他却观察到了一种怪现象，当有一定的光线照射到金属表面电火花的发生处时，电火花的出现就 更容易一些，就会产生更多的电火花。赫兹把这个附带的发现写在了论文中，但没人注意，大家都沉浸于麦克斯韦电磁理论成功被验证的喜悦之中。

到了1897年，电子被发现了。

人们也很快发现当年赫兹不可理解的附带现象是有由于光线照射到金属表面时，打出了金属表面的电子，产生了电火花。后来很多实验室对此现象进行了深入研究， 发现不同种类的光线打到给定的金属表面上时，有些能打出能量很高的电子，有些甚至打不出任何电子。也就是说，光能否打出电子，与光的频率有关。这就是著名 的“光电效应”。

这时，经典的电磁理论解释不了这个现象了。照理说电子是被束缚在金属表面上的，要它脱离金属表面，外部就要给予电子足够的能量让它逃出。而光这时被公认为 是波，那么增强光的强度，就有更多的能量，为什么有些光再增强它的强度也打不出电子，而对能打出电子的光来说，即使强度很弱也能打出电子？

没人知道为什么，伟大的麦克斯韦电磁理论不灵光了，这令物理学家很沮丧。一个小小的电子和光竟然不顺服电磁理论！

该当量子理论要横空出世，这时就是显伸手的时候，给物理学界一个震动的时候到了。爱因斯坦来了，他要以反叛的面目给世人一个惊人的亮相，把量子革命的浪潮推向前进。

4。[爱因斯坦的“光子”]

爱因斯坦认真研究了那个令物理学家们沮丧的光电效应问题，1905年他在《物理学纪事》杂志上发表了一篇划时代的论文，题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，这篇论文一举解决了令电磁理论失色的光电效应难题。

爱因斯坦正是借助了前面说的普朗克放出来的“量子化”的幽灵，这个量子化是把能量看成不连续的，分成一份一份的，能量子就是能量的最小单位，叫量子。爱因 斯坦深深地理解了普朗克量子化的精义，认为光电效应是个瞬间的过程，某种量子化的东西在起作用，而麦克斯韦的电磁理论是描述平均现象的，不能适用于瞬间过 程。爱因斯坦决定反叛电磁理论。

爱因思坦顺着普朗克的思路，把光也看成不连续的，其能量的最小单位就是“光量子”，正是这些单个的光量子与电子进行能量交换，从而打出电子。光量子强的光 线就能打出能量高的电子，而光量子弱的光线甚至不能打出电子。这就是为什么能否打出电子跟光的频率有关，因为从普朗克的能量分布的公式出发，一个光量子的 能量与光的频率有关。由此，爱因斯坦推导出了一系列光电效应的公式。

爱因斯坦的这个假设把光电效应一下解释得清清楚楚，他的光量子概念后来叫做“光子”。

爱因斯坦解决了这个难题，可能大家都很高兴，心想一个难题终于解决了。然而大家可能没有想到，爱因斯坦在这里捅了一个天大的篓子，他把光线量子化后成为一个一个不连续的光子，分明是在说光是“粒子”。

但在经典物理学里，不是才刚刚由麦克斯韦理论和赫兹的实验把光定性为波了吗？怎么又由赫兹的附带实验结果和量子化概念搞出光是“粒子”呢？

爱因斯坦的光量子假设虽然提出来，但不被物理学界接受，光是一种电磁波已经被实验证明，并有伟大的电磁理论作后盾，想轻易挑战这些谈何容易。人们要实验证实爱因斯坦的假设。

到了1915年，美国物理学家密立根想要用实验证明爱因斯坦的光量子假设是错误的，但他的实验偏偏证明爱因斯坦的假设是对的。到了1923年，物理学家康普顿才由X射线实验证明了光子象小球一样不但有能量，还有冲量，这样光子和电子相撞才能发生能量交换，打出金属表面的电子。

看来，麻烦大了！后来爱因斯坦用“非常革命”的字眼来描述他的光量子概念，而对他的革命性成果相对论他也没有用这些字眼。

一方面，光作为一种电磁波有实验支持，有电磁波理论支持；另外一方面，光作为粒子现在也有实验支持，也有量子化的理论支持。新一轮的“波-粒”大战开始 了。这次大战与以往不同，它从光的领域开始慢慢延伸到一切微观粒子的领域，最后演变成了物理学界一场惨烈的混战。而爱因斯坦自己最后也害怕了，象伟大的普 朗克一样，终于走到了量子化的反面，成了对抗量子革命的反对派精神领袖。但量子革命本身却以迅雷不及掩耳之势迅速发展，“彻底的革命者”，后来成为哥本哈根学派“教皇”的玻尔要粉墨登场了。

5。[玻尔质疑卢瑟福“行星系统原子模型”]

1897年，英国剑桥的物理学家汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在。汤姆逊就假设了一个原子的结构模型。后来到了1910年姆汤逊的门生卢瑟福在曼彻斯特做教授，由于实验中的新发现，不满意恩师的模型而提出了自己的新原子模型，既“行星系统原子模型”。

这个新模型，他假设，有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周，带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行，像 一个行星系统（比如太阳系），原子核就像是我们的太阳，而电子则是围绕太阳运行的行星们。

但其他物理学很快就发现这个新模型有致命的缺陷。因为如果他的模型是正确的话，那么他要面对一个不可能的结果，那就是，“带负电的电子绕着带正电的原子核 运转，这个体系是不 稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径，直到最终‘坠毁’在原子核上为 止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放 出辐射并互相中和，然后把卢瑟福和他的实验室，乃至整个英格兰，整个地球，整个宇宙都变成一团混沌”。

但我们的世界并没有坍缩，是卢瑟福的原子结构模型有大问题，却不能解决。这时年轻的丹麦籍留学生玻尔，来到了卢瑟福的实验室，对这个原子模型难题产生了很大兴趣。正是以这个问题为契机，玻尔走上了量子革命的不归路。

作为年轻的革命青年，玻尔从一开始就把目标定在了量子假设这一目标上，他要用快速发展起来的量子观念研究原子模型。到1912年他就发表了自己的第一篇关于原子结构方面的论文，虽然后来证明这篇论文并不那么有意义，但量子革命的火种从此在玻尔的心里扎下了根。

他在同年完成了学业，回到了丹麦的哥本哈根，在那里他开始创造哥本哈根学派在量子革命中辉煌。

6。< 玻尔的量子化原子结构理论体系>

玻尔在原子模型上遇到的困境和爱因斯坦在光电效应难题上遇到的困境在思想方法上有非常相似的地方，那就是是否要放弃伟大的麦克斯韦和他的伟大理论 – 电磁理论。玻尔毅然决然地选择了放弃电磁理论和他的创立者。

年轻的玻尔很有直觉和敏锐的洞察力，他非常善于捕捉那些在别人看来不起眼但却真正有价值的东西。

一次偶然的机会，玻尔认识的一个人与玻尔谈起了原子光谱的问题，那人说原子光谱虽然繁多，但有一定规律可循，瑞士的一位数学教师巴尔末就从中总结出了一个简单明了的公式，其中有一个至关重要的数N是大于2的正整数。

这是一个经验公式，从来没有人知道这个公式背后隐藏的含义，也不知道用什么理论才能推导出这个公式。但当玻尔看到这个公式后，他一下惊呆了，他马上就把巴尔末公式与普朗克提出的能量的量子化公式联系了起来。很快他就形成了一个革命性的想法：“原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的‘势能位 置’之间转换。也就是说，电子只能按照某些‘确定的’轨道运行，这些轨道，必须符合一定的势 能条件，从而使得电子在这些轨道间跃迁时，只能释放出符合巴耳末公式的能量来” ，而这些能级是离散的，量子化的，被神秘的规律控制着。

随后他把这种量子化的大胆设想转化成了理论推导和数学方程，一举发表了三篇论文论原子结构的量子化解释，于1913年发表在了《哲学杂志》上。玻尔完成了量子革命的第三部曲，使得量子革命走到了青年时期，尽管还没有完全摆脱旧的经典体系，但她已经显示了震惊世界的力量。

玻尔推导的公式完全符合巴尔末经验公式描述的原子谱线，其跟实验误差仅为千分之一。玻尔的公式更预测了一些新的谱线，后来都得到了实验的证实。而且，玻尔的理论描述的更多，解释力达到了空前的程度。他后来在1922年以他的量子化原子理论获得了诺贝尔奖。

但在当时，这个理论却不被正统的物理学界接受，有物理学家公开表示“如果这些要用量子力学才能解释的话，那么我情愿不予解释。”另有人声称，要是量子模型 是真实的话，他们宁愿退出物理学界。因为，他们觉得玻尔的理论有推翻传统电磁理论的企图。但玻尔的量子化原子理论是那样的成功，两年后就被大家普遍接受 了。

玻尔的理论虽然很成功，却仍然不能完全取代麦克斯韦的电磁理论。在被迫无奈的情况下，玻尔企图调和他的量子理论与经典的电磁理论，提出了一个折衷的“对应”模型。他折衷的对应模型注定是短命的，因为量子革命的大潮不能容许这种妥协。

从根本思想上，量子化的离散性与传统的连续性是对立的，而且，玻尔的量子化原子结构理论体系已经蕴藏了“随机性”这个不见容于经典力学的重大思想。在玻尔 的量子化体系中，我们不能判断一个电子何时何地会发生跃迁，从一个能级到另外一个能级，它是自发的，它表现为一种理论上不可能描述的随机过程，而这个过程 不同于一般的随机过程。一般的随机过程，是有原因的，只是我们没有足够的信息描述这种原因，但理论上不排除描述的可能性。而玻尔量子化原子结构中电子的跃 迁的随机性是无因之果，是自发的，至少从理论上没有计算电子跃迁条件的可能性。这实际上是在冲击传统的因果律，是相当严重的问题。

据说1919年，当时量子物理的三大巨头，玻尔，普朗克和爱因斯坦，聚集柏林就这个问题进行了探讨。爱因斯坦对玻尔理论中冲击因果律的反叛思想大为不满，也埋下了玻尔与爱因斯坦这两位科学巨匠长达几十年大辩论的种子。

正因为这样，玻尔折衷理论的短命就是是不可避免的，而玻尔也最终跨过了他那个折衷理论的尸体，领导他的团队创立了量子革命正宗的“哥本哈根”学派。 1921年哥本哈根物理研究所成立，36岁的玻尔任所长。那些在量子力学中赫赫有名的大师们，就要正式登场了，他们将演绎一场惊心动魄的量子江湖战争。

7。[德布罗意 波, 电子的波-粒大战 ]

首先登场的叫德布罗意，一个法国物理学家曾经师从鼎鼎大名的朗之万。就是这个德布落意，在玻尔量子化原子结构理论遇到困境时，提出了一个革命性的设想，把电子也纳入了波动的范畴，后来成为爱因斯坦阵营的一员猛将，与玻尔的哥本哈根阵营拼死角斗。

前面说到玻尔的量子化原子结构模型虽然取得了巨大的成功，为量子革命立下了汗马功劳，但他的理论还不足以替代经典的麦克斯韦电磁理论，迫使玻尔走与电磁理论的折衷路线。

正是在这种困境中，德布罗意剑走偏锋，力图完全甩开麦克斯韦的电磁理论，考虑如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念，以符合观测到的数据。而这个条件在玻尔的模型里是被是强加在电子的量子化模式里的，不是理论的推导。

德布罗意的思想很奇特。他从爱因斯坦的相对论出发，开始推论：把爱因斯坦的相对论用到电子身上，爱因斯坦相对论的著名公式把电子的能量与电子的质量和光速 连接了起来，而普朗克著名的能量量子化公式又把能量和频率连接了起来，这样把两者一合并，用公式一推导，对一个电子来说，就有一个内禀的频率与之相随相 伴。

这样就不得了！德布罗意继续推算，电子有一个内禀的频率，可以换算成电子在运行时必定伴随一个波！

结果便开始令人震惊了。

在此之前，无论是经典力学还是玻尔的量子化原子理论，都把电子看作是一个粒子，天经地义。但到了德布罗意这里，怎么七拐八拐把电子跟波扯到一块去了？这不 麻烦大了吗？在前面，我们看到爱因斯坦反叛传统，用量子化思想挑战传统认定的光的波动性，引出了光的粒子性，使得光的波 - 粒对决空前火热，气氛相当火爆。而在光特性上的大战硝烟正浓的时候，德布罗意却在电子上把电子引向了波动的特性上来。

如果说光的波-粒大战已经够麻烦的了，那么电子的波-粒大战一定是不可收拾的烂摊子，因为电子是构成我们整个实实在在的宏观物质的一种微观粒子啊！当然，在后面我们可以看到，量子革命把构成实在物质的所有微观粒子都拉入了这一范畴，发动了名符其实的世界大战。

伴随电子的这种波，后来被成为“德布罗意波”，尽管它的速度可以比光速快很多，但据说由于这种波被德布罗证明不携带能量和信息，所以不违背爱因斯坦相对论。

当德布罗意宣布他的理论说明电子是个波的时候，几乎没人相信。德高望重的物理学大师们，为年轻一辈的反叛精神而大摇其头，直呼“人心不古，世道乱了”。据 说德布罗意的恩师朗之万也对弟子的出格很伤脑筋，但还是把弟子的论文转交给爱因斯坦。令人没想到的是，爱因斯坦对德布罗意的理论却给予了高度评价。

有爱因斯坦撑腰，电子的波动性才得到学术界的重视。现在需要是实验证据，证明电子是波。

该当德布罗意成名，后来在1925年美国纽约的贝尔电话实验室的一个失败实验，却奇迹般地证明了电子的波动性，电子能够象光波一样发生衍射图案，其波动性数据与德布罗意的理论符合的非常好。

德布罗意成功了，理论和实验都证明了电子是波。但物理学麻烦了，光到底是波还是粒子？电子到底是波还是粒子？

它们都有实验做自己的后盾，都有理论做自己的后盾。各路人马一起加入了这场的火热的大战，战局正酣。但问题是，这场战争怎么收场？

就在这个时候，玻尔哥本哈根阵营的一员猛将，海森保，要扬名立万，威震江湖了。由于海森堡的加入，使得战局更加混乱，更扑朔迷离。

后事如何，下回分解