版權所有：castor_v_pollux 原作　提交時間：04:39:19 05月17日

上帝擲骰子嗎——量子物理史話

序

如果要評選物理學發展史上最偉大的那些年代，那麼有兩個時期是一定會入選的：17世紀末和20世紀初。前者以牛頓《自然哲學之數學原理》的出版為標誌，宣告了現代經典物理學的正式創立；而後者則為我們帶來了相對論和量子論，並最徹底地推翻和重建了整個物理學體系。所不同的是，今天當我們再談論起牛頓的時代，心中更多的已經只是對那段光輝歲月的懷舊和祭奠；而相對論和量子論卻仍然深深地影響和困擾着我們至今，就像兩顆青澀的橄欖，嚼得越久，反而更加滋味無窮。

我在這裡先要給大家講的是量子論的故事。這個故事更像一個傳奇，由一個不起眼的線索開始，曲徑通幽，漸漸地落英繽紛，亂花迷眼。正在沒個頭緒處，突然間峰迴路轉，天地開闊，如河出伏流，一泄汪洋。然而還未來得及一覽美景，轉眼又大起大落，誤入白雲深處不知歸路……量子力學的發展史是物理學上最激動人心的篇章之一，我們會看到物理大廈在狂風暴雨下轟然坍塌，卻又在熊熊烈焰中得到了洗禮和重生。我們會看到最革命的思潮席捲大地，帶來了讓人驚駭的電閃雷鳴，同時卻又展現出震撼人心的美麗。我們會看到科學如何在荊棘和沼澤中艱難地走來，卻更加堅定了對勝利的信念。

量子理論是一個複雜而又難解的謎題。她像一個神秘的少女，我們天天與她相見，卻始終無法猜透她的內心世界。今天，我們的現代文明，從電腦，電視，手機到核能，航天，生物技術，幾乎沒有哪個領域不依賴於量子論。但量子論究竟帶給了我們什麼？這個問題至今卻依然難以回答。在自然哲學觀上，量子論帶給了我們前所未有的衝擊和震動，甚至改變了整個物理世界的基本思想。它的觀念是如此地革命，乃至最不保守的科學家都在潛意識裡對它懷有深深的懼意。現代文明的繁盛是理性的勝利，而量子論無疑是理性的最高成就之一。但是它被賦予的力量太過強大，以致有史以來第一次，我們的理性在勝利中同時埋下了能夠毀滅它自身的種子。以致量子論的奠基人之一玻爾（Niels Bohr）都要說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”

掐指算來，量子論創立至今已經超過100年，但它的一些基本思想卻仍然不為普通的大眾所熟知。那麼，就讓我們再次回到那個偉大的年代，再次回顧一下那場史詩般壯麗的革命，再次去穿行於那驚濤駭浪之間，領略一下暈眩的感覺吧。我們的快艇就要出發，當你感到恐懼或者震驚時，請務必抓緊舷邊。但大家也要時刻記住，當年，物理史上最偉大的天才們也走過同樣的航線，而他們的感覺，和我們是一模一樣的。

第一章 黃金時代

一

我們的故事要從1887年的德國開始。位於萊茵河邊的卡爾斯魯厄是一座風景秀麗的城市，在它的城中心，矗立着著名的18世紀的宮殿。鬱鬱蔥蔥的森林和溫暖的氣候也使得這座小城成為了歐洲的一個旅遊名勝。然而這些怡人的景色似乎沒有分散海因里希•魯道夫•赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）的注意力：現在他正在卡爾斯魯厄大學的一間實驗室里專心致志地擺弄他的儀器。那時候，赫茲剛剛30歲，也許不會想到他將在科學史上成為和他的老師赫耳姆霍茲（Hermann von Helmholtz）一樣鼎鼎有名的人物，不會想到他將和卡爾•本茨（Carl Benz）一樣成為這個小城的驕傲。現在他的心思，只是完完全全地傾注在他的那套裝置上。

赫茲的裝置在今天看來是很簡單的：它的主要部分是一個電火花發生器，有兩個相隔很近的小銅球作為電容。赫茲全神貫注地注視着這兩個相對而視的銅球，然後合上了電路開關。頓時，電的魔力開始在這個簡單的系統裡展現出來：無形的電流穿過裝置里的感應線圈，並開始對銅球電容進行充電。赫茲冷冷地注視着他的裝置，在心裏面想象着電容兩段電壓不斷上升的情形。在電學的領域攻讀了那麼久，赫茲對自己的知識是有充分信心的，他知道，隨着電壓的上升，很快兩個小球之間的空氣就會被擊穿，然後整個系統就會形成一個高頻的振盪迴路（LC迴路），但是，他現在想要觀察的不是這個。

果然，過了一會兒，隨着細微的“啪”的一聲，一束美麗的藍色電花爆開在兩個銅球之間，整個系統形成了一個完整的迴路，細小的電流束在空氣中不停地扭動，綻放出幽幽的熒光。

赫茲反而更加緊張了，他盯着那串電火花，還有電火花旁邊的空氣，心裏面想象了一幅又一幅的圖景。他不是要看這個裝置如何產生火花短路，他這個實驗的目的，是為了求證那虛無飄渺的“電磁波”的存在。那是一種什麼樣的東西啊，它看不見，摸不着，到那時為止誰也沒有見過，驗證過它的存在。可是，赫茲是堅信它的存在的，因為它是麥克斯韋（Maxwell）理論的一個預言。而麥克斯韋理論……哦，它在數學上簡直完美得像一個奇蹟！仿佛是上帝的手寫下的一首詩歌。這樣的理論，很難想象它是錯誤的。赫茲吸了一口氣，又笑了：不管理論怎樣無懈可擊，它畢竟還是要通過實驗來驗證的呀。他站在那裡看了一會兒，在心裏面又推想了幾遍，終於確定自己的實驗無誤：如果麥克斯韋是對的話，那麼在兩個銅球之間就應該產生一個振盪的電場，同時引發一個向外傳播的電磁波。赫茲轉過頭去，在實驗室的另一邊，放着一個開口的銅環，在開口處也各鑲了一個小銅球。那是電磁波的接收器，如果麥克斯韋的電磁波真的存在的話，那麼它就會穿越這個房間到達另外一端，在接收器那裡感生一個振盪的電動勢，從而在接收器的開口處也激發出電火花來。

實驗室裡面靜悄悄地，赫茲一動不動地站在那裡，仿佛他的眼睛已經看見那無形的電磁波在空間穿越。銅環接受器突然顯得有點異樣，赫茲簡直忍不住要大叫一聲，他把自己的鼻子湊到銅環的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在兩個銅球之間的空氣里閃爍。赫茲飛快地跑到窗口，把所有的窗簾都拉上，現在更清楚了：淡藍色的電花在銅環的缺口不斷地綻開，而整個銅環卻是一個隔離的系統，既沒有連接電池也沒有任何的能量來源。赫茲注視了足足有一分鐘之久，在他眼裡，那些藍色的火花顯得如此地美麗。終於他揉了揉眼睛，直起腰來：現在不用再懷疑了，電磁波真真實實地存在於空間之中，正是它激發了接收器上的電火花。他勝利了，成功地解決了這個8年前由柏林普魯士科學院提出懸賞的問題；同時，麥克斯韋的理論也勝利了，物理學的一個新高峰——電磁理論終於被建立起來。偉大的法拉第（Michael Faraday）為它打下了地基，偉大的麥克斯韋建造了它的主體，而今天，他——偉大的赫茲——為這座大廈封了頂。

赫茲小心地把接受器移到不同的位置，電磁波的表現和理論預測的絲毫不爽。根據實驗數據，赫茲得出了電磁波的波長，把它乘以電路的振盪頻率，就可以計算出電磁波的前進速度。這個數值精確地等於30萬公里/秒，也就是光速。麥克斯韋驚人的預言得到了證實：原來電磁波一點都不神秘，我們平時見到的光就是電磁波的一種，只不過它的頻率限定在某一個範圍內，而能夠為我們所見到罷了。

無論從哪一個意義上來說，這都是一個了不起的發現。古老的光學終於可以被完全包容於新興的電磁學裡面，而“光是電磁波的一種”的論斷，也終於為爭論已久的光本性的問題下了一個似乎是不可推翻的定論（我們馬上就要去看看這場曠日持久的精彩大戰）。電磁波的反射、衍射和干涉實驗很快就做出來了，這些實驗進一步地證實了電磁波和光波的一致性，無疑是電磁理論的一個巨大成就。

赫茲的名字終於可以被閃光地鐫刻在科學史的名人堂里，可是，作為一個純粹的嚴肅的科學家，赫茲當時卻沒有想到他的發現裡面所蘊藏的巨大的商業意義。在卡爾斯魯厄大學的那間實驗室里，他想的只是如何可以更加靠近大自然的終極奧秘，根本沒有料到他的實驗會帶來一場怎麼樣的時代革命。赫茲英年早逝，還不到37歲就離開了這個他為之醉心的世界。然而，就在那一年，一位在倫巴底度假的20歲意大利青年讀到了他的關於電磁波的論文；兩年後，這個青年已經在公開場合進行了無線電的通訊表演，不久他的公司成立，並成功地拿到了專利證。到了1901年，赫茲死後的第7年，無線電報已經可以穿越大西洋，實現兩地的實時通訊了。這個來自意大利的年輕人就是古格列爾莫•馬可尼（Guglielmo Marconi），與此同時俄國的波波夫（Aleksandr Popov）也在無線通訊領域做了同樣的貢獻。他們掀起了一場革命的風暴，把整個人類帶進了一個嶄新的“信息時代”。不知赫茲如果身後有知，又會做何感想？

但仍然覺得赫茲只會對此置之一笑。他是那種純粹的科學家，把對真理的追求當作人生最大的價值。恐怕就算他想到了電磁波的商業前景，也會不屑去把它付諸實踐的吧？也許，在美麗的森林和湖泊間散步，思考自然的終極奧秘，在秋天落葉的校園裡，和學生探討學術問題，這才是他真正的人生吧。今天，他的名字已經成為頻率這個物理量的單位，被每個人不斷地提起，可是，或許他還會嫌我們打擾他的安寧呢？

新浪首頁 > 論壇首頁 > 大話春秋 > 正文