量子力學“英雄時代”：上帝是不擲骰子的

“有史以來最聰明的照片”，第五次索爾維會議與會者的合影。從左至右分别是：（第三排）皮卡爾德、亨裏奧特、埃倫費斯特、赫爾岑、頓德爾、薛定谔、維夏菲爾特、泡利、海森堡、福勒、布裏淵；（第二排）德拜、努森、布拉格、克雷默、狄拉克、康普頓、德布羅意、玻恩、玻爾；（第一排）朗缪爾、普朗克、居裏夫人、洛倫茲、愛因斯坦、朗之萬、古耶、威爾遜、理查森

雙縫衍射實驗示意圖

作爲物理學界的大明星，量子論其實已經100多歲了，比相對論的年紀還大。愛因斯坦的相對論剛出生，便受到世人的矚目。而量子論呢？雖然已經超過100歲，但它或許尚未進入自己的“青春期”。

但是，這個被國際上公認爲科學史上目前爲止最成功的理論依然在過去的一個世紀内讓科技爆發出巨大的能量，人類文明會被徹底重寫。量子論的誕生充滿了英雄氣概，它改變了人類的一切，也像燭光一樣，還會繼續引導着人類走向更深、更廣闊的真理世界。

1 量子誕生

世界不再是“連續的”

“量子”誕生于1900年12月14日。這個新詞并非出現在原子核這個有關量子動力的研究中，而是首先出現在黑體輻射這個有關量子場的領域。上一世紀第一年年末出現的這個科學突破成爲20世紀中物理學革命的第一個突破口。

就在那一天，德國物理學家馬克思·普朗克(Max Planck)在德國物理學會會議上宣讀了一篇論文，提出了“黑體輻射定律”，他認爲原子在發射或吸收輻射時，存在着一個最小的固定單位，這個最小單位的能量叫做“能量子”(後改名爲“量子”)，它和輻射頻率成正比。

玻爾研究者戈革在《量子永壽》一文中做了有趣的解釋：“原子吸收輻射，可以說是原子‘吃’輻射，它不是像吃牛奶那樣地吃，而是像吃米粒那樣地吃，每個飯粒就是食物的最小單位……” 此前，人們認知的世界是連續、确定的，但是放在原子這一最小單位的時候，量子效應令傳統意義上的時空連續性喪失了，這颠覆了牛頓等人建立起來的傳統物理觀。

但是，新的問題也來了，當原子吸收了一個能量子之後，它的狀态從A“躍遷”到了B，因爲能量子已經是最小單位，不可分割了，因此這個“躍遷”是個瞬間發生的過程，沒有人知道它是怎麽發生的。“躍遷”開始了量子論神秘莫測的百年曆程，也将人類認知的方式從已知、确定的宏觀世界轉向了未知、不确定的微觀世界。

　2 理論争端

既生“波”，何生“粒”

你可以做這樣一個簡單實驗：将一支蠟燭放在兩張紙前，第一張穿了小孔，第二張開出兩道平行的縫隙。由第一張紙形成的點光源透過第二張紙的縫隙，投射到牆上，會出現一條條明暗交替的條紋。

說到這裏你或許已經想到，這就是中學物理課上曾經提及的雙縫衍射實驗。科學家用彈珠、水波和其他光源來代替蠟燭，均證明了光呈現出波而非微粒的特性，當麥克斯韋的電磁學理論将光歸入爲電磁波後，更加鞏固了光是一種波的主流說法。到了19世紀末，盡管有人說“物理學陽光燦爛的天空中漂浮着兩朵烏雲”，但大家還是認爲物理學研究已到盡頭。

事實證明，這還隻是開始。20世紀初期，經典物理學遭到了挑戰，以量子力學和相對論爲支柱的現代物理學開始蓬勃發展。

1905年，還在瑞士專利局任職員的青年愛因斯坦連續發表了6篇重要論文，不僅提出了狹義相對論、質能方程，而且也首次提出“光電效應”。在普朗克“能量子”的基礎上，愛因斯坦提出了“光量子”的概念：光以量子的形式吸收能量，沒有連續性，不能累積，一個光子打到金屬上，會激發出一個對應的電子。愛因斯坦證明光依然還隻是一種微粒(光子)。這令光是“波”還是“粒”的争吵再次成爲物理學界的焦點。

直到丹麥物理學家玻爾領導的“哥本哈根學派”的出現，才在量子層面終結了這場争吵。在玻爾看來，電子的波和粒子屬性在同一時刻是互斥的，卻在更高的層次上統一起來，它具有“波粒二象性”。按照這個設想，假設我們将一個“量子彈球”射出去，面對兩道縫，它可能通過一條縫，也可能通過另一條縫，如果在兩道縫上安裝探測器，則不是這條縫響，便是那條縫響，但在被測量之前，這個“量子彈球”處于一種不确定的“疊加态”。

電子走向哪裏去？正确的答案是：不知道！在“哥本哈根學派”看來，微觀粒子是不确定的，唯一确定的隻是宏觀意義上的統計概率。“不确定性”成了量子論的一個基礎，也撼動了經典物理學大廈下的堅固基石。不确定性甚至令愛因斯坦也受不了了。堅信世間萬物是可以通過因果關系，而非概率來解釋的愛因斯坦在“第五次索爾維會議”上抛出了一句世人皆知的話：“上帝是不擲骰子的！”這句話成了象征量子物理學的名言。

玻爾反擊的話同樣有名：“你沒法告訴上帝該做什麽！”

3 理論前景

步入“量子世紀”？

接下來的半個多世紀中，物理學家們一直都忙着弄清愛因斯坦和玻爾究竟誰對誰錯。物理學主流觀點認爲，從上世紀80年代到現在20多年中的無數次試驗，都證明了正統的量子理論是對的，而不支持愛因斯坦。但并非說愛因斯坦是胡說八道，他是第一個把量子論深刻含義提出來的人。

另一方面，雖然量子力學在理論上遠未達到成熟期，它令上世紀人類技術文明爆發出巨大的能量。很多持實用主義态度的科學家避開了理論上的讨論，而把量子力學放入到實際的研究中去，取得了很多成果。放眼望向20世紀的諾貝爾獎獲得者，很多人都是因爲和量子力學有關的實際科學成就而獲獎。此外，量子力學還積極地促進了生物學、數學、核物理學、化學、甚至心理學、哲學的發展。

大部分物理學家認爲，就對人類技術和日常生活來看，量子力學的影響可能是要超過相對論。相對論可能改變了人們的時空觀，但量子論直接導緻了晶體管的出現，如果我們想象沒有量子論的今天，或許我們身邊也根本不會出現電視機、收音機和計算機。它對新技術的促進，直接體現在量子信息學和量子工程學上。據中科院量子信息重點實驗室副主任周正威介紹，上世紀40年代信息論被提出，但直到上世紀90年代前，處理的都是經典世界裏的信息。此後，随着微電子工藝技術的迅速發展，人類對微觀世界的操縱能力越來越深入，這時量子力學的研究才對信息論産生了巨大的影響，并直接導緻通訊和計算機科學發生了革命性的變化，全球也進入信息時代。

量子理論依然看起來還是一個讓物理學家頭疼的神秘理論，但其推動人類科技文明的潛力依然無窮，或許真的如有人評價的那樣，18世紀和19世紀是機械世紀，20世紀是信息世紀，而21世紀則是量子世紀。

　量子力學“英雄時代”

【鏈接】

圍繞着量子論的發展，湧現了無數物理天才，在普朗克和愛因斯坦之後，玻爾、薛定谔、泡利、狄拉克等人陸續登場。他們幾乎都在30歲之前對量子論做出了重大诠釋。當時有人把量子力學戲稱爲“男孩物理學”。

“電子自旋”的概念剛誕生時。有一次，玻爾出門旅行，經過漢堡火車站時，泡利和斯特恩就在站台上詢問玻爾對此的看法，到達萊登以後，玻爾遇到了愛因斯坦和埃倫費斯特，繼續讨論了這個問題。返程途中，玻爾經過哥廷根，海森堡和約爾又出現在站台上與他讨論了同樣的問題。最後，當玻爾的火車抵達柏林時，泡利又出現了———他特地從漢堡一路趕到柏林，想聽聽玻爾一路上都有了些什麽新想法。

伴随着這些讨論，量子論得到迅速發展，并令上世紀前30年出現了物理界的“英雄時代”。

　　索爾維會議

【新知補丁】

索爾維國際物理學化學研究會由比利時企業家索爾維于1912年創辦，位于布魯塞爾。此前一年他通過邀請方式舉辦了第一屆國際物理學會議，即第一次索爾維會議。最著名的一次索爾維會議是1927年10月召開的第五次索爾維會議。此次會議主題爲“電子和光子”。這次會議上爆發了“玻爾-愛因斯坦論戰”。參加這次會議的29人中有17人獲得或後來獲得了諾貝爾獎。新京報

·标签关键字:量子力學“英雄時代”:上帝是不擲骰子的乐趣文章

上一篇：Tips for Handling Telemarketers
下一篇：三星一擊想把我DRAM廠打掛