诸神之战――《量子物理史话》上

写在开头的话：

谢谢大家，作为量子学派的忠实粉丝，我在看完必修课程之后打算把必修课这一系列课程的书籍写一些书评，读后感和读书笔记，纪念一下，下面是该系列的第一单元第一篇。

第一单元：科学之美

它是一种客观的美，无我的美，它的美是深刻而真实的，比虚拟的梦想更美妙、神奇，甚至让人迷恋得不可自拔。

上帝掷骰子吗？

          ――《量子物理史话》曹天元

不管量子理论多么匪夷所思，它却是迄今为止最成功的理论，甚至比相对论还要成功。正是这种理论使我们有了电子显微镜、激光、半导体、核能....它是最吊诡的理论，也是最适用的理论。

这本书讲述了量子物理这一学科的前世今生发展历程，更重要的是由此伴随而来的长达数个世纪的诸神之战，震铄古今，荡气回肠……现在我把这些令全世界的勇士都感到心潮澎湃的史诗总结下来，一共有十大战役。

诸神第一战：

第一次波粒之战

1663年，波义耳提出“颜色是光照上去才产生的效果”，引起激烈争论，成为第一次波粒战争的导火索。1665年，波义耳助手兼他最优秀的学生胡克出版了《显微术》，明确支持波动说。一时之间，波动说占据了上风。

而牛顿支持微粒说，与胡克对撕。

与此同时，惠更斯加入波动说，1690年，惠更斯的著作《光论》把波动说带到了一个兴盛的顶点。

虽说胡克和惠更斯都是时代顶尖儿的人物，但是很遗憾，他们的对手可是科学巨人牛顿。

1704年，牛顿出版了划时代的《光学》，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。

这对波动学来说是一次摧枯拉朽般的打击。此时的牛顿，已经成为科学史上神话般的人物。而波动说这支的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固的堡垒，就遭到了全面坍塌的命运。

第一次波粒之战，波动说惨败。

诸神第二战：

第二次波粒之战

1773年诞生的天才——托马斯·杨，扭转了光学理论的乾坤。1801年和1803年杨分别发表论文，阐述了如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。这也成为第二次波粒之战的开端。

1809年，马吕斯发现了偏振现象，这和已知的波动论有抵触的地方，微粒派终于有底气开始回击。

决定性的时刻在1819年到来了。

一名法国工程师菲涅耳提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。论文里，菲涅耳以严密的数学推理，圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。

但是微粒派的泊松并不相信这一结论，亲自进行了严谨的审查，结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候，在阴影中间将会出现一个亮斑，这差点使菲涅尔的论文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果在关键时刻力挽狂澜，坚持要进行实验检测，结果发现真的有一个亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置亮度和理论符合得相当完美。

菲涅耳理论让波动说从第二次波粒战争中胜出。

到1887年，赫兹在他的实验室中成功证实了电磁波的存在和麦克斯韦理论的胜利。同时，赫兹根据实验数据，计算出电磁波的前进速度等于光速。这是一个名垂千古的发现，古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面，而“光是电磁波的一种”的论断，也为争论已久的光本性的问题下了一个似乎已经终结的定论。

纵观百年来的光粒之战，随着麦克斯韦的理论为赫兹的实验所证实，光的波动说终于成为了一个板上钉钉的事实。波动说已经彻底地将微粒说打得满地找牙，并且很快就拓土开疆，建立起一个空前的大帝国。

而可怜的微粒早已销声匿迹，似乎永远也无法翻身了，长眠于威斯敏斯特大教堂的牛顿，只怕在黑夜里悄悄慨叹后继无人。

诸神第三战：

乌云现世，量子诞生

1900年，已经76岁的伟大科学家开尔文发表了题目为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲，这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题，即人们在迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。

其中对于黑体辐射的研究最初是基于经典热力学，“黑体辐射”这个概念则是由基尔霍夫提出，并由斯特藩加以总结和研究的。

1893年，维恩提出了著名的辐射能量分布定律公式。虽然维恩公式在测到的短波长范围内的曲线和维恩公式符合得很好，但长波方面，实验与理论出现偏差。后来，英国物理学家瑞利和另一位物理学家金斯修改了维恩定律，得到瑞利-金斯公式。这样一来，这个理论在长波方面虽然符合了实验数据，但在短波方面却不符合。总的来说，这是一个拆东墙补西墙的典型。

正当人们为这个头痛不已的时候，一个留着小胡子，略微有些谢顶的德国人——马克斯·普朗克登上了历史舞台，这个名字将要光照整个20世纪的物理史。

1900年10月，普朗克在柏林大学终于凑出了一个公式，在长波的时候，它表现得就像正比关系一样；而在短波的时候，它则退化为维恩公式的原始形式。

数学家鲁本对这个公式进行了复证，发现在每一个波段里，这个公式给出的数据都十分精确地与实验值相符合。

但普朗克隐隐约约的感觉到这个公式里面还蕴藏着更强大的威力，在思考的过程中，他不得不做出了一个颠覆性的假设：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。这就是量子理论的最初的萌芽。

自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后，一切自然的过程就都被当成是连续不间断的，这种连续性，平滑性的假设，是微积分的根本基础，而牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，便建筑在这个地基之上，度过了百年的风雨。如果按照普朗克的不连续假设，那物理学所赖以建立的根本基础动摇了，那物理学家都得回家带孩子了。

1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上发表了那篇名留青史的《黑体光谱中的能量分布》论文。这一天就是量子力学的诞辰，记住这个打开潘多拉盒子的日子，量子的幽灵从普朗克的方程中脱胎出来，开始在欧洲上空游荡。几年以后，它将爆发出令人咋舌的力量，把一切旧的体系彻底打破，并与联合起来的保守派们进行一场惊天动地的决斗。

‍‍不幸的是，量子理论之生父普朗克本人对自己的儿子抱着比任何人都要大的戒心，他不断地告诫人们，在引用普朗克常数h的时候，要尽量小心谨慎。直到1915年，量子论的养父玻尔的模型取得了空前的成功后，普朗克才扭转了对量子的偏见。‍‍

量子论就像神话中的英雄海格力斯，一出生就被抛弃在荒野里，命运更为他安排了重重枷锁。他的所有荣耀，都要靠自己那非凡的力量和一系列艰难的斗争来争取。对普朗克本人来说，他从一个革命的创始者而最终走到了时代的反面，没能在这段振奋人心的历史中起到更多的积极作用，这无疑是十分遗憾的。

诸神第四战：

微粒说的反击和量子力学初露锋芒

赫兹发现如果有光照到接收器，淡蓝色的火花更容易出现，对于光与电之间的这种现象，后人称之为“光电效应”。

科学家们发现：光能否从金属表面打出电子，与光的频率有关。但是，后来科学家们想想觉得不对啊，光如果是波的话，就没道理会发生这种事情呀。然而所有的实验都指向相反的方向：光的强度决定电子数目，光的频率决定能否打出电子。

许多处女座的物理学家们还在苦思冥想，怎样可以把光电现象融入麦克斯韦理论中而不损害它的完美，他们却不知道这件事情比想象得要严重得多。这个问题的本质，只有最天才的人才能看的出来，恰好，科学史上最天才的爱因斯坦就生活在那个时代

1905年3月18日，爱因斯坦在《物理学纪事》杂志上发表了一篇论文，题目是《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，这是1905年一系列奇迹的一个开始，这篇论文将给他带来一个诺贝尔奖，也开创了属于量子论的一个新时代。

爱因斯坦的量子假设是从普朗克那里继承来的，他阅读了大量的被普朗克本人冷落的论文之后，天才的直觉告诉他，对于光来说，量子化也是一种必然的选择。

历史在转了一个大圈之后，又回到起点。关于光的本性问题，干戈再起，“第三次波粒之战”一触即发。

当年被波动说打败的微粒说此时再次以反叛的姿态登上了舞台，展开了绝地反击。

1915年美国物理学家密立根本来想用实验来证实光量子图象是错误的，但却在很大的程度上证实了爱因斯坦方程的正确性，实验数据相当有说服力地展示，在所有的情况下，光电现象都表现出量子化特征。

第三次波粒之战全面爆发的标志性事件，康普顿登场。如果说，上帝造了光，爱因斯坦指出了什么是光，而康普顿，则第一个在真正意义上“看到”了光。

康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候，发现部分散射出来的射线，比原来的射线波长要长，他大胆地引入了光量子的假设，把X射线看作能量为hν的光子束的集合，变长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。

现在再把时间转到1911年9月，26岁的尼尔斯.玻尔，量子理论的大神，爱因斯坦一生的对手，也是这次战争的灵魂人物，他渡过英吉利海峡，踏上了不列颠岛的土地。

1912年，玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文，在论文中他试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学所无法解释的难题。

可以说，玻尔的双手真正的打开了量子时代的大门。他发表的《论原子和分子的构造》、《单原子核体系》和《多原子核体系》，在量子物理历史上是划时代的文献，亦即伟大的“三部曲”。

一个完整的关于量子的理论体系第一次被建造起来。量子第一次使全世界震惊于它的力量，虽然它的意识还有一半仍在沉睡中，虽然它自己仍然置身于旧的物理大厦之内，但它的怒吼已经无疑地使整个旧世界摇摇欲坠，并动摇了延绵几百年的经典物理根基，可怕的风暴雨来临了。

诸神第五战：

硝烟再起，第三次波粒之战又开始了

因为伟大的量子三部曲，玻尔在歌本哈根大学建立了自己的量子王朝，与此同时，新的革命领导者是来自显赫贵族家庭的德布罗意。

德布罗意一直在思考一个问题，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，以符合观测到的现实。德布罗意想到了爱因斯坦的相对论，在推倒论证的过程中，他发现电子在前进时，总是伴随着一个波，没错，就是一个波。

此时康普顿效应正带领微粒说大举反攻，然而德布罗意却发现了电子的波动。假如说当时全世界只有一个人支持德布罗意的话，他就是爱因斯坦。

爱因斯坦对他予以了高度评价，称德布罗意“揭开了大幕的一角”。

1925年4月，戴维逊和革末在美国纽约的实验室做一个关于电子的实验，终于发现在某种情况下，电子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。

1927年，G.P.汤姆逊，在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。

不过，绅士的德布罗意在一次采访中充当了和事老的角色，他说：“当今的辐射物理被分成粒子和波两种观点，这两种观点应当以某种方式统一，而不是始终地尖锐对立——这不利于理论的发展前景。”总而言之，无论微粒还是波动，都没能在“德布罗意事变”中捞到实质性的好处。

最终带领整个物理学家走出迷雾的人，是一个来自德国的年轻人——维尔纳·海森堡。

1922年，玻尔应邀到哥廷根进行学术访问。最大的收获就是遇到了海森堡和泡利，这两个天才无限的年轻人。而这两人之后都会远赴哥本哈根，在玻尔的研究室和他一起工作。

哥本哈根学派就是在这段时间形成的。以著名量子物理学家玻尔为首，玻恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是这个学派的主要成员，在创始人玻尔的带领下对量子物理学有着深入广泛的研究，哥本哈根学派对量子力学的创立和发展作出了杰出贡献。和哥廷根，慕尼黑一起，成为了量子力学发展史上的“黄金三角”。

诸神第六战：

矩阵力学大战波动力学

1925年4月，海森堡开始重新着手研究氢原子的谱线问题。新的量子力学很快就要被建立起来，但那却是一种人们闻所未闻，之前连想都不敢想象的形式——Matrix（矩阵）。年轻的约尔当参与助战，很快写出了著名的论文《论量子力学》。

在欧洲大部分物理学家都还对海森堡，波恩和约尔当的力学一知半解，保罗·狄拉克重新审视海森堡的论文之后，一下子就把握住了其中的精髓，就是那奇怪的矩阵乘法规则：p×q≠q×p。

狄拉克找到了“泊松括号”，有了“泊松括号”，可以建立一种新的代数，这种代数同样不符合乘法交换率，狄拉克把它称作“q数”。

现在，在旧的经典体系的废墟上，矗立起了一种新的力学，由海森堡为它奠基，波恩，约尔当用矩阵那实心的砖块为它建造了坚固的主体，而狄拉克的优美的q数为它做了最好的装饰。

量子论的锐气和朝气，在那个神话般的年代，象征了科学永远不知畏惧的前进步伐，开创出一个前所未有的大时代来，“男孩物理学”这个带有传奇色彩的名词，也将在物理史上镌刻出永恒的光芒。

但好景不长，薛定谔也加入战斗。他说，不用那么复杂，也不用引入外部的假设，只要把我们的电子看成德布罗意波，用一个波动方程去表示它，那就行了。

名震20世纪物理史的薛定谔波函数，就是这样被提了出来，从数学上来说，这个函数叫做“本征函数”，求出的分立的解叫做“本征值”。

他还写了一篇《从微观力学到宏观力学的连续过渡》的论文，证明古老的经典力学只是新生的波动力学的一种特殊表现，它完全地被包容在波动力学内部。

当衰败的玻尔理论退出历史舞台，留下一个权力位置的时候，他们都想占有那一份无上的光荣。是海森堡的矩阵力学，还是薛定谔的波动力学？

经过一番激烈的大战，波动力学逐渐占据上风，获得越来越多人的支持，对矩阵力学形成了压倒性的优势。

同样是1926年的7月，当薛定谔接受玻尔的邀请前往哥本哈根的时候，波恩把骰子带进了物理学，掀起了轩然大波。围绕着这个核心解释所展开的争论激烈而尖锐，把物理学加热到了沸点。

波恩的概率解释无疑是对薛定谔传统波动解释的一个沉重打击，尽管如此，薛定谔理论仍然是坚实的。

到1927年，玻尔开始改变了对波动理论的看法，玻尔的转变很大程度上是因为波恩的概率解释，他已经毫不犹豫地准备接受这一理论并把它当作量子论的基础了。

矩阵力学生死一线。

诸神第七战：

海森堡的觉醒和第三次波粒大战的终结

1927年的冬天，越来越多的人转投向薛定谔的波动理论，就连海森堡的老师——玻尔，也站在了他的对立面，这让海森堡感到无比的委屈和悲伤。

某天愁肠百结的海森堡深夜起来散步，思考着……突然之间脑中似乎有一道闪电划过夜空，神台一阵清澈空明，来自灵感的提示让他总结出了“测不准原理”，也就是“不确定性原理”。

然后玻尔赶来与海森堡发生了争论。玻尔在这场争论中发现，不确定原理的普遍意义原来比他想象中的要大，他领悟到这个原理是量子论中最核心的基石之一。

这个认知成就了玻尔人生的又一个高峰，他提出了“互补原理”：波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中。玻尔的“互补原理”，它连同波恩的概率解释，海森堡的不确定性，三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心，至今仍然深刻地影响我们对于整个宇宙的终极认识。

三百年硝烟散尽，波和粒子以这样一种奇怪的方式达成了妥协：两者原来是不可分割的一个整体。虽然在每个确定的时刻，只有一面能够体现出来，但它们确实集中在一个人的身上。波和粒子是一对孪生兄弟，它们如此苦苦争斗，却原来是演出了一场物理学中的绝代双骄故事。

新的量子图景展现出一个前所未有的世界，它是如此奇特，难以想象，和人们的日常生活格格不入，甚至违背我们的理性本身。但是，它却能够解释量子世界一切不可思议的现象。

然而爱因斯坦说：“我不相信！”

…………

下期预告：

诸神第八战：爱因斯坦与玻尔的巅峰对决，一个最接近神的男人和神之间的战斗

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图片来源量子学派