量子江湖风雨录 (1)  量子力学 与 光热特征和光电效应研究

来源: xavet

缘起：上次写了《年轻的科学，古老的文化》引言，本来准备下来就写关于中国文化的思考，然而事情却有了一些变化。原以为科学昌明的今天，大家对科学的了解应该比较多了，但后来我惊讶的发现事实并不是这样。这源自于我的那篇小文被意外地转出了豆腐庄，被贴在了一个高知 云集的论坛，而引起了一场不大不小的骚动。我在那篇小文中简短地述说了精神意识在量子力学研究中的出现，因果律和客观实在在量子力学研究中受到的冲击，这 使得有些同学不舒服，个别同学则非常愤怒，而个同学还是学物理的，并在学校里给学生讲授物理。他或者他们好象不知道这些问题在80年前就在量子物理的争论 中被提了出来，是正宗的哥本哈根的观点解释或者推论。

这就使我想到了，现在仍需要科普，特别是量子力学这门革命性的深刻科学。但要写一个关于量子力学革命的深入浅出的科普不容易，因为它提出的思想太颠覆我们 的传统思维。我们显然需要一个简单易懂的量子革命发展史，但要写却比较困难，虽然我们有不少的科普著作论述量子力学的思想。倒是有一本书《上帝掷骰子 吗？》把量子革命写的很好，不过那是一本巨著，我想可能大家没有那么多的时间和兴趣去啃它。这里正好我有兴趣，我便按照这本书的脉络，把量子革命怎样发展 的故事介绍给大家，希望能在数篇文章的篇幅内让大家能够领略量子革命的精髓，算对我前面那篇小文的补充和辩护。

好，言归正传。
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量子江湖风雨录 (1) 【从牛顿力学 到 相对论 和 哥本哈根学派创立的量子力学】

0。[从牛顿力学,  拉普拉斯的《天体力学》,到爱因斯坦的相对论]

就象江湖上那经典的一幕，历经三百多年风霜雪剑的恩怨情仇，一个超级的武林门派傲然出世。这个门派汇集了无数身经百战的超一流好手，群英汇萃，气象不凡， 所向披靡。它最后终于一统江山，名震江湖，成为唯一的超级霸主。任何其它的个人或者势力在这个超级霸主面前都显得那么的脆弱，那么的不堪一击，也更凸显出 这个超级霸主的威严、辉煌与骄傲。

这个超级霸主，不是别人，就是19世纪末的物理学大厦，金碧辉煌、雄伟壮观、不可一世，以惟我独尊的气派统治着物理学界。

那时，牛顿力学控制着天上的行星和地上的石头；波动理论在光学领域独霸一方，后来又被新的电磁理论扩大到整个电磁世界；热力学三大定律也亦基本建立；分子 运动论和统计热力学也在一帮天才的努力下获得成功。而最重要的是，这一切理论都是相互包容的，彼此没有任何冲突和矛盾，最终形成了一个庞大的经典物理学大 同盟。

这时，最能表达物理学骄傲的应该是拉普拉斯的那句著名语录，就是在1799年他的著作《天体力学》发表后，拿破仑问拉普拉斯：“在您宇宙体系的大作中，为 什么没有提宇宙的创造者？”而拉普拉斯的回答是：“陛下，我不需要上帝这个假设。”因为在拉普拉斯眼力，他的理论是那样的完美，以至于在某一时刻，只要给 定宇宙所有粒子的初始条件，人们就可以把宇宙的过去、现在和将来都清楚地用方程描述出来，展现在世人的面前。

在经典物理学的大厦里，因果律支配着一切，一个与精神意识无关的客观实在不以任何精神意志为转移地存在着，而在物理学家的眼里，19世纪末的物理定律已足 以完整地描述这个客观世界。科学界普遍认为，物理学到达了她辉煌的终点，不再会出现新的惊喜，而伟大的科学家开尔文勋爵甚至说：“物理学的未来，将只有在 小数点第六位后面去寻找”。

一片歌舞升平，一片喜气洋洋，物理学界一片金色辉煌。但是，人们不禁要问, 真的是那样吗？

当然不是那样，后来物理学的发展无情地摧毁了这种理性的傲慢。在人们还没有来得及充分享受那个物理学大厦的辉煌的时候, 20世纪初，两场摧枯拉朽的革命在物理学的领域里粹然而至，不可思议。第一场革命改变了人们传统的绝对时空观念, 那就是爱因斯坦的相对论, 而第二场革命就是由以玻尔为领袖的哥本哈根学派创立的量子力学，直接冲击着经典物理学赖以为基础的因果律和不以精神意识为转移的客观物理实在性。

作为对传统的反叛，爱因斯坛的相对论一出现就震动了整个学术界，他的反叛理论那么的不可思议，那么的革命，令整个学术界都目瞪口呆，难以接受。然而在理论和实验面前，学术界不得不接受了他的相对论，尽管不那么令人舒服。

然而，量子力学的反叛却远远超过了爱因斯坦的相对论。如果说相对论使得经典物理学大厦发生剧烈的震动和摇晃的话，那么量子力学则是从根本上要摧毁经典物理学的辉煌。也正因为如此，量子力学的出现才引起了物理学界的世界大战。

当量子力学刚出现的时候，她的反叛思想深深地吸引了具有非凡反叛精神的爱因斯坦，爱因斯坦为量子力学的初期发展做出了不可磨灭的贡献。然而，随着量子力学 的理论向纵深发展，她所表现出来的反叛令爱因斯坦也深为震惊，终于使得爱因斯坦走向了量子力学的反面，成为反对量子力学阵营的精神领袖。

那么，量子力学是怎样出现和发展的？她又是怎样反叛经典物理学的？何以能引起世界如此的震撼？

那就让我们大概地领略一下量子力学的诡秘与迷茫，神奇与沮丧，以及成就与混乱。大家一定要记住创立量子力学的哥本哈根学派的精神领袖波尔的一句名言：

“假如一个人不为量子论感到困惑的话，那他就是没有明白量子力学。”

1。《在热和光动力理论上空的19世纪 乌云》

上面说到，19世纪末，宏伟壮观的经典物理学大厦落成，金碧辉煌，天空一片湛蓝，这使得物理学的大厦更加光彩夺目。然而，不知何时，却有两朵小小的乌云在 不经意间，慢慢地出现在了瓦蓝的天边。因为人们还沉浸于刚刚落成的经典物理学大厦，所以没有太多的人注意这两片小小的乌云。

然而，这两朵乌云却被德高望重的物理学家开尔文注意到了，那年他76岁，是1900年的4月27日，他发表了著名的演讲《在热和光动力理论上空的19世纪 乌云》。他白发苍苍，以这句话开头：　“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”。

其实，这两夺乌云在当时看来并不起眼，是物理学中在19世纪末遇到的难以理解的两个问题。

一个是物理学家迈克尔逊和莫雷心血来潮，于1886年安排了更精确的实验，想测量“以太”相对于地球的相对速度，而这个以太当时被认为是一个绝对静止的参 考系，地球穿过以太运动。他们的设想是，地球在以太中运动，如果在不同的运动方向上测量两束光在以太中的速度，从它们的差别中就可算出以太相对与地球的速 度。

大家没有必要去考虑他们到底是怎么计算的，而关键是当他们完成了多次的实验后，他们惊异的发现，以太似乎对穿越于其中的光线速度毫无影响。他们认为这是一 个“失败的实验”，因为这个实验似乎在否定以太作为绝对静止参照系的存在，而以太这个绝对静止的参照系是经典时空观在经典物理学的一个基石，谁吃了熊心豹 子胆敢动这个基石？

第二朵乌云来自黑体的辐射问题。19世纪末，人们开始对黑体辐射发生了浓厚的兴趣，发现黑体辐射的能量与温度有明确的函数关系。但究竟这个关系在理论上应该是什么呢？

德国帝国技术研究所的物理学家维恩从从经典热力学的思想出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的，然后通过推演在1893年提出了一个辐射能量与温度的分布公式。但这个公式却只在短波范围内与实验数据吻合很好，在长波范围就出现很大偏差。

后来英国的物理学家瑞利和意大利物理学家金斯共同努力从类波的角度出发推导出了另外一个公式，计算黑体辐射的公式。遗憾的是，这个公式与维恩的公式正好相反，只在长波范围内与实验数据吻合很好，在短波范围会出现很大偏差。

大家可以不理会这朵乌云具体是什么，只要知道物理学家从经典物理学里推导出了两个公式来描述同一物理现象 – 黑体辐射，一个从经典粒子的角度出发去推导，另一个从类波的角度去推导，得到的公式只分别适用于短波或者长波，不能通用，很难解决。这就是个问题，说明经典物理学缺了些什么。

尽管这两朵乌云令人百思不解，但由于它们不合时宜地出现在了经典物理学辉煌大厦的落成之时，物理学界还是充满了乐观，认为必定能在当时已有的理论框架内得以解决，不必担心。

然而，令人料想不到的是，正是这出现在19世纪末的两朵不起眼的乌云，在短短20多年的时间内，先是在经典物理学大厦上空形成了满天乌云，继而电闪雷鸣， 很快便刮起了狂风暴雨，将经典物理学的宏伟大厦连根拔起，摔得七零八落，同时也使得理论物理学走进了迷宫，至今没有完全突围出来。

第一朵乌云导致了相对论的诞生，把人们拉入了时空物质相互纠缠的玄妙世界，迫使我们思考从没有时间、没有空间、没有物质的状况怎样幻化出时间、空间和物质，并形成我们所处的这个丰富多彩的的世界，当然还包括我们人类的生命和精神意识。

第二朵乌云导致了量子力学的诞生，由哥本哈根学派创立，在他们的解释里，它冲击我们原有的因果律，否定我们身外存在一个客观的物理实在，在其推论中更将精神意识引入了物理学的领域里面来。这个理论倔强地与相对论发生冲突，倔强地与很多其它解释争夺在物理学中的霸主地位。

限于篇幅，我们不去关注第一朵乌云，就让我们只关注第二朵乌云吧，看它怎样演变成了满天乌云，怎样演变成了狂风暴雨，怎样冲击经典物理学的根基。

2。《黑体辐射，普朗克‘公式’，“不连续性”与 能量的量子化 》

对大学物理有些概念的人肯定都会记得大名鼎鼎的普朗克。普朗克当时是德国柏林大学(柏林一所大学？)的物理学教授，他对黑体辐射问题发生了兴趣，他想一举 解决这个难题。虽然他当时只知道维恩的公式(适合短波)，但他也知道黑体辐射在长波时的关系，虽然他不知道瑞利-金斯公式。

然而，经过了六年的艰苦努力，他没有成功，这很令他沮丧。那时他已从朋友那儿知道了在长波时的瑞利-金斯公式。

后来普朗克想，要不我先玩个小聪明，利用数 学的内差法，先凑一个通用的公式出来，在短波时变成维恩公式，在长波时变成瑞利-金斯公式，其它以后再说。当然，这个不用有物理理论支持，细心凑就行了。

很快普朗克就凑了一个公式出来，他把新鲜出炉的公式发表在1900年10月在柏林召开的德国物理学会的一个会议上。

令人惊讶的是，他的公式很快就被证实与实验数据十分精确的符合。普朗克自己也很惊讶，没想到他侥幸凑的公式竟然有这么大的威力。

虽然普朗克不知道这个凑出来的公式背后到底隐藏着什么样的秘密, 但普朗克通过六年的探索已经敏锐地感觉到那是个惊人的大秘密，会对整个热力学和电磁学至关重要。他决定背水一战，破釜沉舟，除了热力学的两个基本定律不能动外，他决定什么都可以去挑战。但他万万没有想到的是，当他找到了那个秘密后，他自己先给吓得魂不附体。

经过了一段时间的艰苦奋战，普朗克终于找到了那个他后来得诺贝尔奖时说的“意想不到”的东西，就是：

“仅仅引入分子运动理论还是不够的，在处理熵和几率的关系时，如果要使得我们的新方程成立，就必须做一个假定，假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”

大家可能觉得这并没有什么了不起的，就“假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的”不就行了吗？但当你真正了解了这句话的含义后，你也就会胆战心惊了。

大家要特别注意普朗克假设中的“不连续性”，因为连续性和平滑性假设是数学微积分的坚实基础，而经典物理学的庞大体系就是建立在这个数学体系之上。在经典 物理学中，有了任何难以解决的问题，你动什么都可以，唯独这个基础你连要碰的想法都不能有。就象普朗克最后想的那样，他豁出去了，拼命了，他除了热力学中 的两个基本定律不能动外，他在热力学中什么都愿意去挑战。但那只是热力学啊，他连那个基础都不敢动。现在，他发现自己被迫要动整个经典物理学大厦的根基， 他能不吓坏吗？

最后，普朗克还是在1900年12月14日在德国物理学会的学术会议上发表了他的论文，提出了自己的假设。

他的假设令所有听到这个假设的物理学家都震惊不已。但人们没有想到的是，正是普朗克的假设启动了量子力学的革命，而更多更大的震惊便接踵而来，一发而不可收拾。

量子力学革命在20世纪的第一年的最后一个月就爆发了，而能量的不连续性就是后来讲的能量的量子化。

如果能量真是量子化的，那么首当其冲受到质疑的就应该是麦克斯韦尔的电磁理论，在普朗克看来，这是不可能的。

他宁愿相信能量的量子化只是数学上为了方便引入的一个假设而已，不是物理上的真实。

但很快，普朗克的量子化假设便被广泛传播，具有反叛精神的物理学家们开始把普朗克开创的量子化假设不断推向前进，十几年就出现了一个个意想不到反传统的结果。普朗克则越来越害怕，终于抛弃了自己开创的量子化领域，并一再提醒大家，不到万不得已，不要在量子化领域胡思乱想。

然而，普朗克一旦放出了”量子化“这个幽灵，他就再也收不回去了，也就注定了“量子化” 这个幽灵要将经典的物理世界搅个天昏地暗。

后事如何，下回分解。