量子物理通俗简史（１） - 未名交友(JiaoYou8.com)

量子物理通俗简史（１）

四海吟作本篇简史，意在概述当代物理重要分支之一：量子力学的历史及相关人物通史。量子物理及近代物理涵括如此之广，以至于任何想用寥寥数篇文章就一言以蔽之的意图都显得可疑并且狂妄。有鉴于此，我更愿意并且试图通过对其中一些重要概念及人物的描述，希望可以一叶知秋，重现这段人类历史上最辉煌的岁月之一。

人类历史的进步是有赖于智力与道德的双重进步；前者教会人类如何征服世界，后者教会人类如何正确对待世界。而人类智力的进步，在很大程度上是体现在科学的发展完善上；物理，作为科学最重要及最傲慢的分支之一，与哲学及数学交替影响发展，带来了今日人类世界高度发达的物质文明。

对于从未听说过量子物理的人来说，友好而简短扼要的定义是必须的。量子的英文是Quantum，意即微小的一份，德国物理学家普朗克（Planck）最初印入这个词来表达他的一个猜想：光的能量不是连续分布，而是由一份份最小能量单元组成，这每一份能量单元就叫量子。后来，这个猜想为物理学带来了一个与爱因斯坦相对论齐名的并列为２０世纪最伟大的理论：量子物理。然而，每一次革新都是令人不安的，也是无法预见并确信的，以致于普朗克自己也退缩怀疑并更正自己原先的理论，然而，其他科学家终于意识到这一理论的震撼性及强大的生命力，于是，这一理论的发展迅速扩展到物理学的各个层次，从数学架构到实际应用，也因此，１９１８年，诺贝尔评选委员会选中了普朗克，这位犹豫的早退者。量子物理涵括如此之广，以致于量子论的奠基人之一玻尔（Bohr）说过：「如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。」

在这一系列「量子物理通俗简史」短文中，我将尽力重现这如同史诗般宏大交响曲中一幕幕激动人心的华美乐章。第一章就从量子物理的起源说起。

１９世纪是经典物理学的黄金时代，牛顿力学，经典电动力学，经典热力学和统计力学形成了经典物理世界的支柱。彼时的物理学家们甚至相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，而不会再有任何真正激动人心的发现了。然而，凡事往往盛极必衰，１９００年，开尔文男爵（Kelvin）在他的《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》一文中提出了经典物理学盛世中的两朵乌云：迈克尔逊。莫雷实验和黑体辐射研究。前者最终导致了相对论的诞生，而后者则催生了量子理论。

首先说说，什么叫黑体。一个物体之所以看上去是白色的，那是因为它反射所有频率的光波；反之，如果看上去是黑色的，那是因为它吸收了所有频率的光波。物理上定义的黑体，指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体，比如一个空心的球体，内壁涂上吸收辐射的涂料，外壁上开一个小孔。那么，因为从小孔射进球体的光线无法反射出来，这个小孔看上去就是绝对黑色的，即是我们定义的黑体。

人们早就知道，温度和辐射有一定的关系。例如加热一块铁，随着温度的升高，颜色也随之变化，而颜色其实代表着辐射。然而，一切根据经典物理学推出的公式都无法正确描述温度和辐射之间的函数关系，这就是黑体辐射问题。

１９００年，普朗克提出了一个假设：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。这就是量子假设，而黑体问题也随之迎刃而解。这个假设背后的深远意义在于推翻了自牛顿以来２００多年被认为是坚不可摧的经典物理世界，彻底改变了人们对世界的最根本的认识。

量子理论也是诡异的，不仅仅在于其大悖常理的逻辑，也体现在一个奇怪的现象上：许多科学巨匠参予了推动它的工作，却终于因为不能接受它惊世骇俗的解释而纷纷反对他，就像是童话里的那个渔夫，亲手把魔鬼从封印的瓶子里放了出来，自己却反而被这个魔鬼吓个半死。这些科学巨匠除了普朗克外，还有一名妇孺皆知的巨人：爱因斯坦。大家都知道爱因斯坦的相对论和作为原子弹理论基础的质能公式。然而，爱因斯坦还有一个同样杰出的贡献：对光电效应的解释。

光电效应，简言之，就是光照射到金属上的时候，会从金属的表面打出电子来。经典物理认为光是一种波动，波的强度便代表了它的能量。但实验结果表明了光是否能够从金属的表面打击出电子只和光的频率有关，而和光的强度无关。增加光线的强度，能够做到的只是增加打击出电子的数量。

１９０５年是一个伟大的年份，因为这一年，物理学在２０世纪最重要的两个分支同时孕育出奇葩，而这一切，都发生在欧洲伯尔尼的瑞士专利局，而这个专利局在现代科学史上的意义也因此不啻于伊斯兰文化中的麦加城，有一种神圣的光辉在闪烁。

第一章结束，待续。。。

四海吟，2005年作。
※ 来源：未名交友 http://www.JiaoYou8.com ※