魏云峰

編者的叛逆話：近日，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予在美國(guó)進(jìn)行科研工作的誕生百年量子物理學(xué)家約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯，理論以表彰他們?cè)诤暧^量子力學(xué)領(lǐng)域的爭(zhēng)議中改發(fā)現(xiàn)。今年是變世量子力學(xué)誕生百年，1900年，叛逆德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出量子理論，誕生百年在爭(zhēng)議中為量子力學(xué)打下基礎(chǔ)。理論1925年量子力學(xué)初步形成，爭(zhēng)議中改然而，變世量子力學(xué)的叛逆“反常識(shí)”顛覆了人類對(duì)世界的傳統(tǒng)認(rèn)知，曾被愛因斯坦等科學(xué)家質(zhì)疑。誕生百年1947年科學(xué)家通過對(duì)量子力學(xué)的理論應(yīng)用，制造出二極管、爭(zhēng)議中改晶體管，變世人類從“電氣時(shí)代”邁入“信息時(shí)代”。誕生百年來，量子力學(xué)這一“叛逆”理論在爭(zhēng)議中逐漸改變世界。

一朵“烏云”帶來變革：1900年普朗克提出“量子理論”

19世紀(jì)末，很多物理學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)時(shí)的經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)“非常完美”。英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森1900年在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上演講稱，“物理大廈已經(jīng)落成，留給未來物理學(xué)家的只有一些修飾工作?！辈贿^，湯姆森在演講中提到，物理學(xué)理論中還存在兩朵“烏云”——也就是當(dāng)時(shí)用經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋的兩個(gè)“小問題”，一朵“烏云”是涉及光速的以太漂移實(shí)驗(yàn)，另一朵則涉及黑體輻射實(shí)驗(yàn)。湯姆森沒有想到，這兩朵“烏云”背后是規(guī)模空前的物理學(xué)大革命，“量子力學(xué)”就因黑體輻射實(shí)驗(yàn)這朵“烏云”而誕生。

經(jīng)典物理學(xué)與黑體輻射實(shí)驗(yàn)“不適配”

黑體輻射實(shí)驗(yàn)聽起來很神秘，但它卻與當(dāng)時(shí)的工業(yè)發(fā)展密不可分。人們?cè)缇驮诠こ虒?shí)踐中認(rèn)識(shí)到，物體發(fā)熱時(shí)發(fā)出的光線顏色是其溫度的“天然指示器”——隨著溫度增加，物體發(fā)出的光也會(huì)發(fā)生變化，紅色逐步向橙色、黃色、白色轉(zhuǎn)變，“白熱化”這個(gè)詞就很能說明顏色和溫度的關(guān)系。但在19世紀(jì)蓬勃發(fā)展的鋼鐵工業(yè)中，通過肉眼觀察爐溫的傳統(tǒng)方法已經(jīng)有些不夠精確——出爐的鋼材質(zhì)量不夠優(yōu)良、廢品率偏高，只有建立起“顏色”與“溫度”的精確數(shù)學(xué)關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)非接觸式精確測(cè)溫。對(duì)于物理學(xué)家而言，就是要找出黑體輻射的強(qiáng)度和頻率（光線的顏色取決于其頻率）之間的關(guān)系。

在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們已經(jīng)繪制出不同溫度下，黑體輻射強(qiáng)度隨輻射頻率波動(dòng)的分布曲線。但當(dāng)物理學(xué)家們?cè)噲D用當(dāng)時(shí)已有經(jīng)典物理學(xué)的公式來解釋這條曲線時(shí)，都失敗了。其中肯定有什么地方不對(duì)，但當(dāng)時(shí)物理學(xué)家們只推測(cè)是理論計(jì)算的公式推導(dǎo)有誤，沒有意識(shí)到整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的“地基”需要修正。

給物理學(xué)理論帶來“大麻煩”

當(dāng)時(shí)的德國(guó)物理學(xué)家普朗克也一直被黑體輻射問題所困擾。1900年的某一天，他突然“腦洞大開”：要不拋開物理學(xué)理論，用數(shù)學(xué)技巧解決一下？這次“頭腦風(fēng)暴”讓普朗克推導(dǎo)出了著名的普朗克公式，其完美適用于黑體輻射問題。但從數(shù)學(xué)角度推導(dǎo)出的普朗克公式卻給物理學(xué)理論帶來“大麻煩”，這個(gè)公式意味著，電磁波輻射的能量是由一個(gè)個(gè)不可分割的“最小能量單元”——量子組成的，而經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為能量是連續(xù)的。

1900年，普朗克通過自己的大膽假設(shè)和全新公式提出了“量子理論”，但沒有獲得物理學(xué)界的普遍認(rèn)同，大家都認(rèn)為普朗克拿出的東西過于“離經(jīng)叛道”。就連普朗克自己都認(rèn)為，“能量量子化”假說只是一個(gè)為解決特定問題而發(fā)明的特殊數(shù)學(xué)工具。此后，普朗克花費(fèi)大量時(shí)間，試圖借助經(jīng)典物理學(xué)來“修正量子化假說”，力求將其納入經(jīng)典物理學(xué)的理論框架中，但結(jié)果都以失敗告終。

“本想證偽，卻最終證實(shí)”

此時(shí)，物理學(xué)領(lǐng)域還有另一個(gè)廣受關(guān)注的問題無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋——光電效應(yīng)，是指在特定光線照射下，某些物體表面會(huì)釋放電子。經(jīng)典物理學(xué)對(duì)此的解釋是，光線照射到物體表面，會(huì)讓電子獲得額外的能量，使其得以從物體表面“逃逸”。但物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，并非所有光線的照射都能激發(fā)光電效應(yīng)，例如，再?gòu)?qiáng)的紅光都無法激發(fā)鋅等物質(zhì)釋放電子，而換成微弱的紫外光卻“立竿見影”，這些奇怪的現(xiàn)象無法用經(jīng)典物理學(xué)來解釋。

1905年，當(dāng)時(shí)的愛因斯坦還名不見經(jīng)傳，他在研究光電效應(yīng)時(shí)受普朗克的“能量量子化”理論啟發(fā)，創(chuàng)造性地提出“光量子”（后來被稱為光子）的理論假設(shè)，并進(jìn)一步推導(dǎo)出著名的“光電效應(yīng)方程”。愛因斯坦曾用“啤酒瓶”類比光量子——就像啤酒只能整瓶購(gòu)買，能量也只能被整份吸收。光線照射能否打出電子，不取決于光的“亮度”（強(qiáng)度，就像啤酒的總量），而取決于光的“顏色”（頻率，即單瓶啤酒的大?。?/p>

愛因斯坦的“光量子”理論是對(duì)普朗克“量子理論”的推進(jìn)，毫無疑問，在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界遭到了更強(qiáng)烈的質(zhì)疑和反對(duì)，幾乎所有主流物理學(xué)家都持否定態(tài)度。美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·密立根認(rèn)為，愛因斯坦的光電效應(yīng)方程“大膽而又輕率”，其結(jié)論違背了經(jīng)典物理學(xué)的常識(shí)。他決定通過設(shè)計(jì)精密的實(shí)驗(yàn)來推翻“光量子”假說。從1912年到1915年，密立根花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間，對(duì)不同金屬、在不同頻率的光照下進(jìn)行了無數(shù)次精密測(cè)量。但令他失望的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美地符合愛因斯坦的理論。他后來在論文中“矛盾地承認(rèn)”：“愛因斯坦的光電效應(yīng)方程目前似乎能夠精確地預(yù)測(cè)觀察到的結(jié)果……然而，這個(gè)理論所依賴的物理理論本身看起來是如此站不住腳?！?/p>

密立根的精密實(shí)驗(yàn)最后反倒成為論證愛因斯坦光量子理論的有力證據(jù)，也在科學(xué)史上留下“本想證偽，卻最終證實(shí)”的經(jīng)典故事。1921年，愛因斯坦因?yàn)槌晒忉尮怆娦?yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

普朗克和愛因斯坦的新理論逐步打破物理學(xué)家們的“傳統(tǒng)物理概念”，當(dāng)思維被打開，人們迎來了新的“物理時(shí)代”。

愛因斯坦發(fā)出質(zhì)疑：“我深信上帝不擲骰子”

1925年被認(rèn)為是現(xiàn)代量子力學(xué)的開端。這一年，物理學(xué)家沃納·海森堡、馬克斯·玻恩、帕斯庫爾·約爾當(dāng)?shù)热斯餐岢龊屯晟屏司仃嚵W(xué)；奧地利物理學(xué)家薛定諤則完成了波動(dòng)力學(xué)。矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的誕生標(biāo)志著量子力學(xué)初步形成。

在普通大眾眼中，物理學(xué)家熱衷討論量子力學(xué)已經(jīng)“放飛自我”，進(jìn)入各種反常識(shí)的“癲狂狀態(tài)”。愛因斯坦提出，光在某些條件下表現(xiàn)出粒子的屬性，在某些條件下又變成波，即光的“波粒二象性”，就已經(jīng)讓很多人難以理解。沒過幾年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意又進(jìn)一步提出設(shè)想，既然光這種傳統(tǒng)上被人們認(rèn)為是波的物質(zhì)，被發(fā)現(xiàn)具有粒子性，那么像電子、質(zhì)子甚至原子這些傳統(tǒng)上被認(rèn)為是粒子的物質(zhì)，也應(yīng)該具有波動(dòng)性——“波粒二象性”是自然界所有物質(zhì)的普遍特性。

海森堡提出的“不確定性原理”顯示，在量子世界中無法同時(shí)精確知道一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，只能預(yù)測(cè)各種可能的結(jié)果出現(xiàn)的概率。還有更晦澀難懂的“量子隧穿效應(yīng)”——當(dāng)普通小球撞擊墻壁時(shí)，它會(huì)被反彈回來；而微觀粒子卻能夠穿過看似不可能穿越的能量屏障，給量子力學(xué)增加更多“奇異色彩”。

一些量子力學(xué)理論過于“腦洞大開”，甚至被愛因斯坦質(zhì)疑，他堅(jiān)信“宇宙有嚴(yán)格的因果律和確定性”，因此與玻爾和海森堡領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根學(xué)派展開數(shù)十年的學(xué)術(shù)辯論。愛因斯坦尤其反對(duì)海森堡的“不確定性原理”，作為對(duì)哥本哈根學(xué)派核心思想——“概率性”與“不確定性”的反駁，他留下一句名言：“我深信上帝不擲骰子?！?/p>

作為愛因斯坦的支持者，薛定諤提出了一個(gè)著名思想實(shí)驗(yàn)“薛定諤的貓”。實(shí)驗(yàn)設(shè)想將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就處于死、活兩種狀態(tài)的疊加。也就是說，只要不去觀察，這只貓就“又死又活”，這顯然違背人們對(duì)世界的傳統(tǒng)認(rèn)知。薛定諤本想用這只貓來諷刺“哥本哈根學(xué)派的荒謬性”，然而讓愛因斯坦和薛定諤都沒有想到的是，后續(xù)的一系列物理實(shí)驗(yàn)基本都印證了哥本哈根學(xué)派的主張：宇宙在基本層面上，似乎真的具有某種內(nèi)在的隨機(jī)性。

改變世界的發(fā)明：1947年晶體管從量子力學(xué)中誕生

盡管大眾普遍對(duì)量子力學(xué)的“反常識(shí)”感到驚訝，它的影響卻早已經(jīng)深入我們的日常生活，從半導(dǎo)體技術(shù)到量子計(jì)算，從精密測(cè)量到量子通信，很多前沿科技都建立在量子力學(xué)的基礎(chǔ)之上。

量子力學(xué)解釋了為何有些材料是導(dǎo)體、有些是絕緣體，半導(dǎo)體則處于兩者中間，通過“摻雜”人為引入雜質(zhì)能級(jí)，我們得以精確控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，從而制造出二極管、晶體管這些現(xiàn)代電子文明的“細(xì)胞”。如果沒有量子力學(xué)，就不會(huì)有計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)。

20世紀(jì)40年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的核心任務(wù)之一是改進(jìn)通信技術(shù)。當(dāng)時(shí)被廣泛使用的真空管雖然能放大信號(hào)，但存在耗電高、發(fā)熱嚴(yán)重、體積大、壽命短等缺點(diǎn)，人們希望找到更適合充當(dāng)放大器的電子元件。通過量子力學(xué)的啟發(fā)，1947年物理學(xué)家約翰·巴丁、威廉·肖克利和沃爾特·布拉頓在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管。由此，人類從“電氣時(shí)代”邁入了“信息時(shí)代”。可以說，晶體管是第一個(gè)從量子力學(xué)理論中直接誕生、改變世界的發(fā)明。

量子力學(xué)帶來的“革命”還有很多，如今為大眾熟悉的還有量子通信，其核心是利用量子態(tài)的特性來保障信息安全。讓薛定諤難以接受的“疊加態(tài)”，如今催生出量子計(jì)算機(jī)，人們利用量子的“疊加態(tài)”原理，使量子計(jì)算機(jī)能夠并行處理海量數(shù)據(jù)。目前，量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為在解決諸如藥物分子模擬、優(yōu)化物流等特定問題上，具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法比擬的潛在優(yōu)勢(shì)。

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