“紫外灾难”引爆“量子革命”

量子百年话创新^[10]

尼尔斯·玻尔：如果谁在第一次学习量子概念时，不觉得糊涂，那么，他就一点也没有懂。

“紫外灾难”引爆“量子革命”

灼热的物体会发热、发光。发热也好、发光也好，都是在发射电磁辐射，热辐射中包含很多红外辐射，即比红色光波长更长的辐射。红外取暖器就是利用这样的辐射。可见光（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）中红色光波长最长，频率最低；紫光波长最短，频率最高；比紫光波长再短的光，就是紫外光，再短就到X光、γ光。

灼热物体发热、发光所发出的辐射中包含有多种波长。那么，辐射的强度与辐射的波长有什么关系呢？例如，发出的红外光、红光、紫外光，其波长各不相同，哪一种波长的辐射所含的强度更高一点呢？这是19世纪即将结束时，科学家最关心的问题之一。当时有两位科学家，按经典理论导出的公式很好地解释了长波辐射与强度的关系，到了短波部分却出现了“紫外灾难”，即波长越短，频率越高，强度越大，那么，紫外光波长最短，所含强度就最大，即辐射强度都被紫外光分走了！显然与实验事实不符。经典物理出现了灾难性的后果，令人赞美不绝的，甚至被某些人认为已完美无缺的经典物理大厦的上空出现了令人不安的乌云！

1900年10月19日，普朗克凭借他丰富的经验凑出的一个公式，与最好的实验结果相比，符合得几乎天衣无缝！普朗克在喜出望外之余，下决心寻找此公式的理论根据。经过两个月的日夜奋斗，终于在12月14日从理论上导出了这一公式，先决条件是假定灼热物体吸收或发射辐射的能量必须是不连续的，即能量E＝nhν，其中n必须是整数，即1，2，3，……；ν是辐射的频率，h是常数，后被称为普朗克常数，它是能量最小化的量度，即分立性的量度。能量大小只能是一个hν、两个hν，而不能是半个或1．5个hν。量子的概念由此诞生，但是它与经典物理连续、平滑的概念相冲突，很难为人们所接受，连普朗克自己都不相信。他只好说，去商店买黄油，只能一块一块买，但回来后可由你任意切割。量子概念的深刻含义及其给20世纪科技带来的革命风暴那时尚无人能够预料与理解。

过了五年，爱因斯坦登场。1905年，爱因斯坦不仅发表了相对论，而且用量子论解释了1887年赫兹就已观察到的、经典物理无法理解的光电效应。在观念上，爱因斯坦比普朗克进了一步：不仅认为物体吸收、发射辐射时，能量是一份一份的，而且，辐射本身是量子化的。黄油不仅是一块一块包装，而且，从本质上是切不开的。爱因斯坦依据光的量子说解释了光电效应，获1921年诺贝尔物理学奖。

又过了八年，即1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔一连发表三篇文章，把量子观念引入原子。正像英国喜剧作家吉尔伯特（W．S．Gilbert，1836～1911）的喜剧《爱奥兰茜》中的大法官，在“仙女嫁凡人者死”中加了一个“不”：“仙女不嫁凡人者死”，摆脱了仙女王的困难。尼尔斯·玻尔在经典物理支柱之一，麦克斯韦经典电磁理论（“绕一个原子核旋转的各个电子会辐射其能量并沿螺旋线缩进原子核”，因此，原子无法稳定存在）中加了一个“不”字。玻尔大胆提出“电子不会辐射”！从而解脱了他的导师卢瑟福的模型（原子中电子绕中心核运动）的困难，使原子能稳定存在。玻尔把当时人们持极大怀疑的普朗克、爱因斯坦的量子化和当时无人承认的卢瑟福的模型，与表面上毫不相干的、当时属于化学范畴的光谱实验巧妙地结合了起来，解释了近30年之谜——巴尔默氢光谱公式！即氢光谱不是连续谱，而是分立谱，正好与量子化相对应。玻尔理论不仅得到了光谱实验的支持，而且还为与光谱完全独立的弗兰克—赫兹实验所证明，即实验中电子与原子相碰撞，电子的能量只能一份一份地被吸收，半份能量被原子所拒收，从而使量子概念有了可靠的实验依据。玻尔获得了1922年诺贝尔物理学奖。

玻尔与他的学生海森堡和泡利一直争论不休，他们分别获1922、1932、1945年诺贝尔奖。

为庆祝玻尔的成就，在玻尔获奖后，世界物理中心之一的德国哥廷根举行了“玻尔节”，请玻尔发表演讲。在听众中有一位年仅21岁的大二学生维尔纳·海森堡（1901年12月～1976年1月），他随导师索末菲来到演讲厅，一方面，他体验到了大师的演讲“每个字句都经过推敲，而且背后隐藏着深邃的思索”；另一方面，他真是初生牛犊不怕虎，面对物理大师，居然敢于提问，而且是极具挑战性的问题。玻尔立刻感到问题击中要害，而且还包含一种不寻常的概念。会后他邀请海森堡外出散步，作了颇为深入的讨论。后来，海森堡在很多场合中说过，包括我亲耳听过的报告（1964年我在哥本哈根听海森堡领取“玻尔奖”时的演讲），说那是他一生中最为重要的一次散步，是决定他命运的散步——“我的科学生涯从这次散步开始”。不久，玻尔邀请海森堡去哥本哈根工作一段时间，并让他住在哥本哈根大学理论物理研究所（1965年改名为“尼尔斯·玻尔研究所”）的阁楼上，而玻尔一家当时也住在旁边的一座小楼内。玻尔不仅在研究所内经常与海森堡等一批年轻人讨论，而且还与海森堡在他可爱的祖国——丹麦，作了三天徒步旅行。海森堡学到了物理学，他理解了玻尔的爱国主义精神，玻尔的精神气质！从此，诞生了海森堡的名言“科学扎根于讨论”。在海森堡与玻尔相遇后10年，他因“创建量子力学”而单独一人获1932年诺贝尔物理学奖。普朗克、爱因斯坦、玻尔的量子论，经过海森堡、泡利、薛定谔、狄拉克、玻恩等一批科学家的努力，终于发展成一门比较成熟的学科：量子力学。

尽管人们对量子力学的涵义还有争论，但是量子学说的革命性概念处处取得成功，量子力学在实际中得到了巨大应用。半导体、激光、超导无一不与量子论有关，现在甚至有人在谈论“量子计算机时代”快要到来！1988年的诺贝尔物理学奖得主莱德曼估计，当今世界国民经济总产值中25%来自与量子现象有关的技术。

敢于向世界说“不”

一百年前发生的量子革命是激动人心的，那一段时期发生的故事可以说是百听不厌！它们给我们的启示则是既深刻又发人深省。

普朗克之所以能解决“紫外灾难”，是依靠他深厚而又广博的物理学基础，他通晓物理学每个领域的基本知识。但他在当时毕竟已属老年辈了（42岁），新的量子概念与他熟知的经典物理是如此格格不入，致使他难以接受。普朗克在以后的十几年内总是想把量子概念纳入经典轨道，甚至对爱因斯坦的光量子说，他也批评为“迷失了方向”。

爱因斯坦（1905年时26岁）、玻尔（1913年时28岁）正处于风华正茂的年代，他们举起了创新旗帜，带领海森堡等一批年轻人向旧世界宣战。他们都是敢于向旧世界说“不”的人！

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20世纪最伟大的两位物理学家，爱因斯坦与玻尔争论了20余年，仍是好朋友。

不管普朗克愿意不愿意，他被实验事实逼上梁山，“孤注一掷”地提出，能量是不连续的；爱因斯坦深化了这个“不”字，而且在相对论里又说了一个“不”：光速是不变的；玻尔则说，在微观世界里，绕核运动的电子是不辐射的；海森堡更提出了量子力学中最关键的一个关系式“不确定关系式”，以一个“不”字与基于完全确定论的经典物理彻底决裂！

不过，所有这些“不”都不是无中生有，而是有坚实的实验事实为依据。“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验，有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升为理论，然后再在实践中加以检验。”（密立根，1923年获得诺贝尔物理学奖时的演说）

正是靠了黑体辐射实验、光电效应实验、原子光谱实验、弗兰克—赫兹实验……一连串的“不”字才能响彻云霄。

“不”字是一个否定意义的字。但是一百年前开始的物理革命风暴并非否定一切。牛顿力学、麦克斯韦电磁理论作为19世纪的伟大科学成果，仍然是当今科技世界的理论支柱，卫星上天、宇宙飞行、电气世界，都以它们为基础。只是当人们的探索范围深入到微观世界时，主宰分子、原子、粒子运动规律的是量子力量，描述高速（接近于光速）运动物体规律的是相对论！李政道、杨振宁提出“宇称不守恒”，只是指发生在弱相互作用范围的宇称不再守恒。创新是在已有基础上的创新，有旧，才有新。

要创新，必须有适合新事物成长的肥沃土壤。玻尔的贡献不仅在物理学，还在于他创造了一个和谐的、有利于创新的环境。在他成名以后，英、美、德的邀请源源而来，但是他立志在不到500万人口的祖国大地上创建世界物理中心。丹麦原先连物理学教授都没有，1916年才为玻尔专设了一个物理学教授的位置。1921年，在玻尔的努力下，哥本哈根大学理论物理研究所成立，它很快就成为了世界三大理论物理学的中心之一。在研究所里，既有22岁当讲师、27岁当教授、31岁获得诺贝尔奖的海森堡和作为“上帝的鞭子”、不断指出他人论文中缺陷的泡利（1945年获诺贝尔奖），又有开玩笑不讲分寸的朗道（1962年获诺贝尔奖），以及“几乎把画漫画、写打油诗作为主要职业，而把物理学变成副业”的伽莫夫（放射性衰变理论创造者之一）。

研究所很快成了“物理学界的朝拜圣地”，这个圣地的中心人物当然是玻尔。他事业心极强，夜以继日地工作，又幽默好客，不摆架子；他爱才如命，到处物色有希望的青年人来研究所工作；他积极提倡国际合作，以致被人誉为“科学国际化之父”。

哥本哈根的气氛使人感到繁忙、激动、活泼、欢乐、无拘无束、和蔼可亲。哥本哈根精神随着量子力学的诞生而诞生，并成了物理学界最宝贵的精神财富。

天空中又出现了乌云

21世纪的钟声已经敲响，当我们回首时，经典物理大厦已经屹立了一百多年了，现在依然宏伟壮观。随着经典大厦顶上的乌云的消失，更为金碧辉煌的、至今仍相当神秘的量子大厦已经建成。那么，有没有第三座大厦？它又会是怎么样的大厦？为对此做出回答，让我们先看看已在量子大厦上空出现的乌云。

人们对物质结构的认识，从分子、原子深入到原子核，再到中子、质子，进一步又深入到夸克。即分子由原子所组成，原子由原子核与电子所组成，原子核由中子与质子所组成，中子、质子由夸克所组成。随着1995年找到了最后一个夸克——顶夸克存在的依据，2000年找到了最后一个轻子（与τ子相联的中微子），物质的基本框架已构成。六个夸克（上夸克、下夸克、奇夸克、美夸克、底夸克、顶夸克）和六个轻子（电子、μ子、τ子以及与它们相联的三个中微子），总算在21世纪来临前夕团圆相聚。可是谁也没有直接看到孤立的夸克，它们总是成对、成堆地存在，永不分离！这是为什么？

物理学中的对称原理正受到一个又一个挑战，理论越来越对称，而实验越来越多地发现不对称。不对称倒成了普遍规律！这又是为什么？

抬头望明月，看星星，越来越好看。从伽利略发明的望远镜，到今天各类天文望远镜、射电望远镜，从地上望远镜到天上望远镜，从可见光看到X射线、γ射线。但看来看去只看到了茫茫宇宙的10%还不到，而90%以上（很可能是99%以上）都是看不见的暗物质，它们是什么？它们也是我们熟知的分子、原子、夸克、粒子吗？看来不像。

20世纪初，人们不理解光芒万丈照大地的太阳何以会光耀夺目，其能量从何而来。感谢相对论、感谢量子论，使我们对太阳能的来源了解得一清二楚。但是，今天我们已经知道，在那遥远的地方还有比太阳的能量大千万亿倍的星球（所谓类星体），它一直在发光，这样巨大的能量又从哪里来？是哪种能量在发威？看来，用现有的知识无法回答这些世纪难题。量子大厦的高空已升起了朵朵乌云。

20世纪的三大科学发现，即相对论、量子论、DNA双螺旋结构导致人类三大科技工程：曼哈顿工程（核武器，以及接着而来的核动力、核技术的广泛应用）、阿波罗工程（登月、航天与空间研究开发）和人类基因组工程。

在核技术广泛应用时，产生了一些核事故：例如2011年日本地震引发的核反应堆事故震动世界。固然，这是天灾，但更是人祸。不过，它同时使我们想起一个世界难题：上世纪三、四十年代，谁发现新的放射性，谁就能拿诺贝尔奖。今天，谁能消灭放射性，谁就能拿诺贝尔奖！

核能是巨大的，但是，从爱因斯坦的质量－能量转换公式看，导致日本广岛毁灭的第一颗原子弹的能量只是由0．71克质量转化而来。如果能使3公斤物质转化为能量，那么，10万人口的城市可依此供电100年。太阳中每天都在把质量转化为能量，但效率很低，如何有效地把质量转化为能量，是当今世界的又一难题！

现在我们面临的是与新世纪、新经济密切相关的三大科技前沿：信息科学、生命科学、材料科学以及引导我们不断去探索的自然奥秘——一朵又一朵的乌云！

科学发现最终必然导致新技术的创新，新生产力的出现，从而促使新的经济形态逐步替代旧的形态。新的乌云必然引起新的科学发现，人类的文明史就是如此日新月异地向前发展。