颠覆:迎接第二次量子革命

**章 『量子』究竟是什么 简而言之，我所做的事情可以说不过是孤注一掷的一招。 ——马克斯 普朗克 一、“量子理论”的诞生 （一）经典物理的巅峰时刻 人类在长期探索大自然奥秘的历程中，逐渐将变幻莫测的自然现象在物理层面上归纳为三个不同的门类——力学、热力学和电磁学，并致力于寻找它们各自的运动规律。 1687年，艾萨克 牛顿（Isaac Newton）在《自然哲学的数学原理》一书中提出了力学的牛顿三定律和万有引力定律，并建立了统一的力学体系。随后的100多年，经过莱昂哈德 欧拉（Leonhard Euler）、让 勒朗 达朗贝尔（Jean le Rond d’Alembert）、约瑟夫 拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）和皮埃尔-西蒙 拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）等人的进一步努力，利用数学中的变分方法和*小作用量原理，他们建立了与牛顿力学等价的欧拉-拉格朗日方程。*终由威廉 卢云 哈密顿（William Rowan Hamilton）于1834年提出了哈密顿原理以及正则方程，完成了分析力学的全部理论，实现了牛顿力学理论的*后一次飞跃。到19世纪末，理论力学已经是一个非常完善的学科，在很多领域都实现了精确的计算。特别值得提到的是，1843年英国的约翰 柯西 亚当斯（John Couch Adams）利用力学理论，通过对天王星轨道偏离的计算，精确地预言了海王星的轨迹，并*终于1846年9月23日被天文观测所证实。这个成就标志着力学理论达到了前所未有的高度：上至宇宙中的各种天体，下至地面上的小小颗粒，都可以通过牛顿力学来了解它的运动。 在19世纪末，人们已经基本认识到热力学的三大定律。约西亚 威拉德 吉布斯（Josiah Willard Gibbs）在詹姆斯 克拉克 麦克斯韦（James Clerk Maxwell）和路德维希 玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）思想的基础上，明确地形成了系综这个热力学基本概念，并创立了系综的统计方法。系综统计方法的建立，将热学的唯象理论与分子运动论两个基本的研究方向整合到一个有机的研究体系中。 自1785年查理-奥古斯丁 德库仑（Charles-Augustin de Coulomb）发现库仑定律、开创定量研究电学现象以来，经过汉斯 克里斯蒂安 奥斯特（Hans Christian .ersted）、让 巴蒂斯特 毕奥（Jean-Baptiste Biot）、菲利克斯 萨伐尔（Felix Savart）、安德烈 玛丽 安培（Andre-Marie Ampère）、约翰 卡尔 弗里德里希 高斯（Johann Carl Friedrich Gauss）、迈克尔 法拉第（Michael Faraday）等人的努力，*终由麦克斯韦在1873年的《电磁通论》（A Treatise on Electricity and Magnetism）中建立了优美的麦克斯韦方程。即使以现在的观点来看，麦克斯韦方程依然是科学的美的光辉典范；它的优美、简洁、对称、深刻，折服和激励了一代又一代的物理学家。玻尔兹曼在看到麦克斯韦方程后也不由得惊呼：难道这是上帝写的吗？人们甚至认为，麦克斯韦方程是人类有史以来*优美的公式。麦克斯韦方程不仅成功地预言了电磁波的存在，而且进一步指出光是一种电磁波，从而实现了电磁学与光学的统一。电磁波的预言，被海因里希 鲁道夫 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）1887年的实验所证实（我们后面会提到，赫兹的实验还发现了光电效应），开启了人类的无线通信时代。 至19世纪末，经典物理的三大支柱——经典力学、经典电动力学以及经典热力学和统计力学都已经完整地建立起来了。这三个理论自身已经经受住各种实验检验，并广泛地应用于各自领域。更为重要的是，这三大支柱之间也是自洽的、相互融合的，一起形成了一个包括力、热、光、电、声的宏伟而完整的物理学体系。这个体系本身严谨而优美，蕴含了丰富、深刻、明晰的物理学概念。19世纪末是经典物理的“黄金时代”，科学从来没有像那时那么强大过：人们利用已知的理论，几乎可以解释已知的一切物理现象。连*伟大的物理学家都认为已经看到了上帝的底牌，找到了所有的基本物理原理，物理学已经到了尽善尽美的尽头。在这样的情况下，我们能做的就是对这座理论大厦的修修补补，而且只能在一些细节上做些补充（如更加精确地测量一些物理参数）。物理学家们甚至发出了“物理学的未来只有在小数点第六位以后寻找了”的感慨。然而事实真的如此吗？ （二）物理学的两朵“乌云” 1900年4月27日，顽固而保守的开尔文勋爵（Lord Kelvin），在伦敦的英国皇家研究所做了题为“在热和光动力理论上空的19世纪的乌云”的报告a。他在这个报告中开宗明义地指出：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵‘乌云’遮蔽得黯然失色了。**朵‘乌云’是随着光的波动理论而出现的。奥古斯丁-让 菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）和托马斯 杨（Thomas Young）都研究过光的波动理论，这个理论包含有这样一个未解的问题：地球如何能够在本质上是光以太的弹性固体中运动？而第二朵‘乌云’是麦克斯韦和玻尔兹曼关于能量均分的学说。”在20世纪之初，忧心忡忡的开尔文勋爵和一片欢呼的整个物理学界形成鲜明的对比。 开尔文勋爵说的**朵“乌云”与失败的迈克尔孙-莫雷实验相关。 在经典物理和经典时空观中，时间和空间都是绝对的。在这个绝对时空观中，需要引入一个绝对静止的参考系，人们称之为以太。任何物体相对于以太的运动，都是绝对运动。迈克尔孙-莫雷实验的初衷是测量以太相对于地球的运动速度。麦克斯韦的电磁波理论提供了一个高精度的测量以太相对地球的运动速度的方法。按麦克斯韦1879年提出的测量方法，光线分别在平行和垂直于地球运动方向上做等距的往返传播，如果以太理论正确的话，平行于地球方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间。 阿尔伯特 亚伯拉罕 迈克尔孙（Albert Abraham Michelson）出生于欧洲，四岁时随父母移民美国。1880～1881年，迈克尔孙就在亥姆霍兹的实验室中设计并组装了麦克斯韦建议的检验地球和以太的相对运动的干涉仪。1885年，迈克尔孙又和爱德华 威廉 莫雷（Edward Williams Morley）合作，以更高的精度重复了1881年的实验。迈克尔孙的实验结果清晰地表明：两束光根本就没有表现出任何的时间差。这是当时整个物理学界*精密的实验。迈克尔孙也由于其在精密光学仪器、光谱学、计量理论研究方面所取得的成果，获得了1907年的诺贝尔物理学奖，也是**位获此殊荣的美国公民。 虽然迈克尔孙的实验表明了以太理论的失败，但人们当时还没有意识到问题的严重性，普遍认为可以通过修订现有的以太理论来解决这个问题。即使是开尔文勋爵本人，当时也是这么认为的。当然，后来随着对这个问题的深入研究，人们逐渐认识到以太理论的不可救药，放弃了以太理论和绝对运动的概念，并*终由阿尔伯特 爱因斯坦（Albert Einstein）在1905年创造了相对论。 （三）黑体辐射：背景、问题、经典曲线 开尔文勋爵提到的第二朵“乌云”是能量均分问题，更确切地说是黑体辐射问题。“黑体辐射”的概念是德国海德堡大学的物理学家古斯塔夫 罗伯特 基尔霍夫（Gustav Robert Kirchho.）a在1859年为了简化分析提出来的。他所说的黑体是指对光能进行完美吸收的物体，按照他的想法，一个完美吸收的物体是没有任何辐射的，因而看起来就应该是黑的。那么，黑体应该长什么样呢？基尔霍夫把在一个面上开了一个细微的小孔的空盒子近似成一个黑体：无论是何种波段的光，也不管它从哪个方向通过小孔进入这个盒子，都会在盒子的各个面之间来回地反射，直到被完全吸收为止。基尔霍夫的研究表明，黑体辐射的分布与黑体的材料、黑体的几何尺寸等都没有关系，它只与两个参数有关——黑体的温度以及辐射的波长。尽管基尔霍夫的研究结果很明确，但在他所处的时代，人们还没有能力做出真正的黑体来验证它。