“量子”百年話創(chuàng)新

作者簡介：楊福家院士，1958年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理系，1960年任復(fù)旦大學(xué)原子核科學(xué)系副主任，1963年作為新中國派往西方國家的第一批學(xué)者，在丹麥哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所任博士后研究員，1987年任上海原子核研究所所長，1991年當(dāng)選中國科學(xué)院院士及第三世界科學(xué)院院士，1993-1999年任復(fù)旦大學(xué)校長，2001年始任英國諾丁漢大學(xué)校長，中國科協(xié)副主席，2004年始任寧波諾丁漢大學(xué)校長。

尼爾斯·玻爾：如果誰在第一次學(xué)習(xí)量子概念時，不覺得糊涂，那么，他就一點也沒有懂。

1 “紫外災(zāi)難”引爆“量子革命”

灼熱的物體會發(fā)熱、發(fā)光。發(fā)熱也好、發(fā)光也好，都是在發(fā)射電磁輻射，熱輻射中包含很多紅外輻射，即比紅色光波長更長的輻射。紅外取暖器就是利用這樣的輻射。可見光，紅橙黃綠青藍(lán)紫；紅色波長最長、頻率最低；紫光波長最短、頻率最高；比紫光波長再短的光，就是紫外光，再短就到X光、γ光。

灼熱物體發(fā)熱、發(fā)光所發(fā)出的輻射中包含有多種波長。那么，輻射的能量大小與輻射的波長有什么關(guān)系呢？例如，發(fā)出的紅外、紅光、紫外，其波長各不相同，哪一種波長的輻射所含有的能量更高一點呢？這是上一世紀(jì)即將結(jié)束時，科學(xué)家最關(guān)心的問題之一。當(dāng)時有兩位科學(xué)家，按經(jīng)典理論導(dǎo)出的公式很好地解釋了長波輻射與能量的關(guān)系，到了短波部分卻出現(xiàn)了“紫外災(zāi)難”，即波長越短、頻率越高、能量越大。那么，紫外線波長最短，所含能量就最多，即輻射能量都被紫外光分走了，顯然與實驗事實不符。經(jīng)典物理出現(xiàn)了災(zāi)難性的后果，令人贊美不絕的、甚至被某些人認(rèn)為已完美無缺的經(jīng)典物理大廈的上空出現(xiàn)了令人不安的烏云。

1900年10月19日，普朗克憑借他豐富的經(jīng)驗湊出的一個公式，與最好的實驗結(jié)果相比，符合得幾乎天衣無縫！普朗克在喜出望外之時，下決心尋找此公式的理論根據(jù)。經(jīng)過兩個月的日夜奮斗，終于在12月14日從理論上導(dǎo)出了這一公式，先決條件是假定灼熱物體吸收或發(fā)射輻射的能量必須是不連續(xù)的，即能量E=nhν，其中n必須是整數(shù)，即1，2，3；ν是輻射的頻率，h是常數(shù)，后被稱為普朗克常數(shù)，它是能量最小化的量度，即分立性的量度。能量大小只能是一個hν、兩個hν…，而不能是半個或一個半hν…。量子的概念由此誕生，但是它與經(jīng)典物理連續(xù)、平滑的概念相沖突，很難為人們所接受，連普朗克自己都不相信。他只好說，去商店內(nèi)買黃油，只能一塊一塊買，但回來后可由你任意切割。量子概念的深刻含義及其給20世紀(jì)科技帶來的革命風(fēng)暴，那時尚無人能夠預(yù)料與理解。

過了五年，愛因斯坦登場。在1905年，愛因斯坦不僅發(fā)表了相對論，而且用量子論解釋了1887年赫茲就已觀察到的、經(jīng)典物理無法理解的光電效應(yīng)。在觀念上，愛因斯坦比普朗克進(jìn)了一步：不僅認(rèn)為物體吸收、發(fā)射輻射時，能量是一份一份的，而且，輻射本身是量子化的。黃油不僅是一塊一塊包裝，而且，從本質(zhì)上是切不開的。愛因斯坦依據(jù)光的量子說解釋了光電效應(yīng)，其理論的一系列預(yù)告被1912年里查德孫的實驗完全證實，即使如此，愛因斯坦對光量子的深邃眼光不被物理學(xué)界所接受。例如，在1913年，當(dāng)普朗克、能斯特（W. H. Nernst）、魯本斯（Heinrich Rubens）、瓦爾堡(O.H.Warburg)聯(lián)合提名愛因斯坦為普魯斯科學(xué)院院士時，在推薦書上說：

“我們可以說，幾乎沒有一個現(xiàn)代物理學(xué)的重要問題是愛因斯坦沒有做過巨大貢獻(xiàn)的。當(dāng)然他有時在創(chuàng)新思維中會迷失方向，例如，他對光量子的假設(shè)。”

但是愛因斯坦不理這些嘲笑，繼續(xù)向前邁進(jìn)。在1916年，他確定了光量子的動量。同年，密立根的實驗證實了愛因斯坦的光量子公式，并計算出普朗克常數(shù)。1921年愛因斯坦因解釋光電效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎（領(lǐng)獎是在1922年）。然而，對光量子概念的廣泛接受，是在1924年愛因斯坦對康普頓效應(yīng)的劃時代的認(rèn)識。

在1922年與愛因斯坦同時領(lǐng)諾貝爾獎的還有獲當(dāng)年物理獎的丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾。他在1913年一連發(fā)表三篇文章，把量子觀念引入原子。正像英國喜劇作家吉爾伯特(W.S. Gilbert， 1836-1911)的喜劇《愛奧蘭茜》中的大法官，在“仙女嫁凡人者死”中加了一個“不”：“仙女不嫁凡人者死”，擺脫了仙女與凡人相戀而引起的困難。尼爾斯·玻爾在經(jīng)典物理支柱之一麥克斯韋經(jīng)典電磁理論(“繞一個原子核旋轉(zhuǎn)的各個電子會輻射其能量并沿螺旋線縮進(jìn)原子核”，因此，原子無法穩(wěn)定存在)中加了一個“不”字。玻爾大膽提出“…電子不會輻射…”！從而解脫了他的導(dǎo)師盧瑟福的模型(原子中電子繞中心核運動)的困難，使原子能穩(wěn)定存在。玻爾把當(dāng)時人們持極大懷疑的普朗克、愛因斯坦的量子化和當(dāng)時無人承認(rèn)的盧瑟福的模型，與表面上毫不相干的、當(dāng)時屬于化學(xué)范疇的光譜實驗巧妙地結(jié)合了起來，解釋了近30年之謎——巴爾末氫光譜公式，即氫光譜不是連續(xù)譜，而是分立譜，正好與量子化相對應(yīng)。玻爾理論不僅得到了光譜實驗室的支持，而且還為與光譜完全獨立的夫蘭克 赫芝實驗所證明，即實驗中電子與原子相碰撞，電子的能量只能一份一份地被吸收，半份能量被原子所拒收，從而使量子概念有了可靠的實驗依據(jù)。玻爾獲得了1922年諾貝爾物理學(xué)獎。

為慶祝玻爾的成就，在玻爾獲獎一年后，世界物理中心之一的德國哥庭根舉行了玻爾節(jié)，請玻爾發(fā)表演講。在聽眾中有一位年僅20歲的大二學(xué)生，維爾納·海森堡，他隨導(dǎo)師索末菲來到演講廳，一方面，他體驗到了大師的演講“每個字句都經(jīng)過推敲，而且背后隱藏著深邃的思索”，另一方面，他真是初生牛犢不怕虎，面對物理大師，居然敢于提問，而且是極具挑戰(zhàn)性的問題。玻爾立刻感到問題擊中要害，而且還包含一種不尋常的概念。會后他邀請海森堡外出散步，作了頗為深入的討論。后來，海森堡不止一次地說，這是他一生中最為重要的散步，決定他命運的散步——“我的科學(xué)生涯從這次散步開始”。不久，玻爾邀請海森堡去哥本哈根工作一段時間，并讓他住在哥本哈根大學(xué)理論物理研究所(1965年改名為玻爾研究所)的閣樓上，而玻爾一家當(dāng)時也住在旁邊的一座小樓內(nèi)。玻爾不僅在研究所內(nèi)經(jīng)常與海森堡等一批年輕人討論，而且還與海森堡在他可愛的祖國——丹麥，作了三天徒步旅行。海森堡學(xué)到了物理學(xué)，他理解了玻爾的愛國主義精神，玻爾的精神氣質(zhì)。由此，誕生了海森堡的名言：科學(xué)扎根于討論。在海森堡與玻爾相遇后10年，他因“創(chuàng)建量子力學(xué)”而一人獲1932年諾貝爾物理學(xué)獎。普朗克、愛因斯坦、玻爾的量子論，經(jīng)過海森堡、泡利、薛定諤、狄拉克、玻恩等一批科學(xué)家的努力，終于發(fā)展成一門比較成熟的學(xué)科：量子力學(xué)。

盡管人們對量子力學(xué)的涵義還有爭論，但是量子學(xué)說的革命性概念處處取得成功，量子力學(xué)在實際中得到了巨大應(yīng)用，戰(zhàn)無不勝。半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)無一不與量子論有關(guān)，現(xiàn)在甚至有人在談?wù)摗傲孔佑嬎銠C時代”就快要到來。1988年的諾貝爾物理學(xué)獎得主李特曼估計，當(dāng)今世界國民經(jīng)濟(jì)總值中25%來自與量子現(xiàn)象有關(guān)的技術(shù)。

2 敢于向世界說“不”

百年前發(fā)生的量子革命是激動人心的，那一段時期發(fā)生的故事可以說是百聽不厭，它們給我們的啟示則是既深刻又不斷發(fā)人深省。

普朗克之所以能解決“紫外災(zāi)難”，是靠深厚而又廣博的基礎(chǔ)，他通曉物理學(xué)每個領(lǐng)域的基本知識。但他在當(dāng)時畢竟已屬老年輩了(42歲)，新的量子概念與他熟知的經(jīng)典物理是如此格格不入，致使他難以接受。普朗克在以后的十幾年內(nèi)總是想把量子概念納入經(jīng)典軌道，甚至對愛因斯坦的光量子說，他也批評為“迷失了方向”。

愛因斯坦(1905年時26歲)、玻爾(1913年時28歲)，正處于風(fēng)華正茂的年代，他們舉起了創(chuàng)新旗幟，帶領(lǐng)海森堡等一批年青人向舊世界宣戰(zhàn)。他們都是敢于向舊世界說“不”的人！

不管普朗克愿意不愿意，他被實驗事實逼上梁山，“孤注一擲”地提出，能量是不連續(xù)的；愛因斯坦深化了這個不字，而且在相對論里又說了一個不：光速是不變的；玻爾則說，在微觀世界里，繞核運動的電子是不輻射的；海森堡更提出了量子力學(xué)中最關(guān)鍵的一個關(guān)系式“不確定關(guān)系式”，以一個“不”字與基于完全確定論的經(jīng)典物理徹底決裂。

不過，所有這些“不”都不是無中生有，而是有堅強的實驗事實為依據(jù)。“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗，有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面。但只有使用兩條腿，才能前進(jìn)。在實驗過程中尋找新的關(guān)系，上升為理論，然后再在實踐中加以檢驗”(密立根，1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎時的演說)。

正是靠了黑體輻射實驗、光電效應(yīng)實驗、原子光譜實驗、夫蘭克赫茲實驗……，一連串的“不”字才能響徹云霄。

“不”字是一個否定詞。但是百年前開始的物理革命風(fēng)暴并非否定一切。牛頓力學(xué)、麥克斯韋電磁理論，作為19世紀(jì)的偉大科學(xué)成果，仍然是當(dāng)今科技世界的理論支柱，衛(wèi)星上天、宇宙飛行、電氣世界，都以它們?yōu)榛A(chǔ)。只是當(dāng)人們的探索范圍深入到微觀世界時，主宰分子、原子、粒子運動規(guī)律的是量子力量，描述高速(接近于光速)運動物體規(guī)律的是相對論。李政道、楊振寧提出“宇稱不守恒”，只是指發(fā)生在弱相互作用范圍的宇稱不再守恒。創(chuàng)新是在已有基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，有舊，才有新。

要創(chuàng)新，必須有適合新事物成長的肥沃土壤。玻爾的貢獻(xiàn)不僅在物理學(xué)，還在于他創(chuàng)造了一個和諧的、有利于創(chuàng)新的環(huán)境。在他成名以后，英、美、德的邀請源源而來，但是他立志在不到500萬人口的祖國大地上創(chuàng)建世界物理中心。丹麥原先連物理學(xué)教授的位置都沒有，在1916年才為玻爾專設(shè)了一個物理學(xué)教授的位置。在1921年，在玻爾的努力下，哥本哈根大學(xué)理論物理研究所成立，它很快就成為了世界三大理論物理學(xué)的中心之一。在研究所里，既有22歲當(dāng)講師、27歲當(dāng)教授、31歲獲得諾貝爾獎的海森堡和作為“上帝的鞭子”、不斷指出他人論文中缺陷的泡利(1945年獲諾貝爾獎)，又有開玩笑不講分寸的朗道(1962年獲諾貝爾獎)，以及“幾乎把畫漫畫、寫打油詩作為主要職業(yè)，而把物理學(xué)變成副業(yè)”的伽莫夫(放射性衰變理論創(chuàng)造者之一)。

研究所很快成了“物理學(xué)界的朝拜圣地”，這個圣地的中心人物當(dāng)然是玻爾。他事業(yè)心極強，日以繼夜地工作，但又幽默好客，不擺架子；他愛才如命，到處物色有希望的青年人來所工作；他積極提倡國際合作，以致被人譽為“科學(xué)國際化之父”。

哥本哈根的氣氛使人感到繁忙、激動、活潑、歡樂、無拘無束、和藹可親。哥本哈根精神隨著量子力學(xué)的誕生而誕生，并成了物理學(xué)界最寶貴的精神財富。

3 天空中又出現(xiàn)了烏云

21世紀(jì)的鐘聲已經(jīng)敲響，當(dāng)我們回首時，經(jīng)典物理大廈已經(jīng)屹立了整整一百多年了，現(xiàn)在依然宏偉壯觀。隨著經(jīng)典大廈頂上的烏云的消失，更為金碧輝煌的、至今仍相當(dāng)神秘的量子大廈已經(jīng)建成。那么，有沒有第三座大廈？它又會是怎么樣的大廈？為對此有所回答，讓我們先看看已在量子大廈上空出現(xiàn)的烏云。

人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，從分子、原子深入到原子核，再到中子、質(zhì)子，進(jìn)一步又深入到夸克，即分子由原子所組成，原子由原子核與電子所組成，原子核由中子與質(zhì)子所組成，中子、質(zhì)子由夸克所組成。隨著1995年找到了最后一個夸克——頂夸克存在的依據(jù)，2000年找到了最后一個輕子(與τ子相聯(lián)的中微子)，構(gòu)成了物質(zhì)的基本框架，六個夸克(上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克)和六個輕子(電子、μ子、τ子以及與它們相聯(lián)的三個中微子)，總算在21世紀(jì)來臨前夕團(tuán)圓相聚。可是誰也沒有直接看到孤立的夸克，它們總是成對、成堆地存在，永不分離！這是為什么？

物理學(xué)中的對稱原理，正受到一個又一個挑戰(zhàn)，理論越來越對稱，而實驗越來越多地發(fā)現(xiàn)不對稱。不對稱倒成了普遍規(guī)律！這又是為什么？

抬頭望明月、看星星，越來越好看。從伽利略發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡，到今天各類天文望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡，從地上望遠(yuǎn)鏡到天上望遠(yuǎn)鏡，從可見光看到X射線、γ射線。但看來看去只看到了茫茫宇宙的4%，而96%都是看不見的暗物質(zhì)、暗能量。2007年5月15日美國宇航局報告說，一個天文學(xué)家小組利用哈勃望遠(yuǎn)鏡，探測到了位于遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中呈環(huán)形分布的的暗物質(zhì)。這是迄今為止能證明暗物質(zhì)存在的最有力的證據(jù)。它們是什么？它們也是我們熟知的分子、原子、夸克、粒子嗎？看來都不像。

20世紀(jì)初人們不理解光芒萬丈照大地的太陽何以會光耀奪目？其能量從何而來？感謝相對論、感謝量子論，使我們對太陽能的來源了解得一清二楚。但是，今天我們已經(jīng)知道，在那遙遠(yuǎn)的地方還有比太陽的能量大千萬億倍的星球(所謂類星體)，它一直在發(fā)光，這樣巨大的能量又從哪里來？是哪種能量在發(fā)威？看來，用現(xiàn)有的知識無法回答這些世紀(jì)難題。量子大廈的高空已升起了朵朵烏云。

20世紀(jì)的三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)：相對論、量子論、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致人類三大科技工程：曼哈頓工程(核武器，以及接著而來的核動力、核技術(shù)的廣泛應(yīng)用)、阿波羅工程(登月、航天與空間研究開發(fā))和人類基因組工程。現(xiàn)在我們面臨的是與新世紀(jì)、新經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)的三大科技前沿：信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)以及引導(dǎo)我們不斷去探索的自然奧秘——一朵又一朵的烏云！

科學(xué)發(fā)現(xiàn)最終必然導(dǎo)致新技術(shù)的創(chuàng)新，新生產(chǎn)力的出現(xiàn)，從而促使新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)逐步替代舊的形態(tài)。新的烏云必然引起新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，人類的文明史就是如此日新月異地向前發(fā)展。

(欄目編輯廖伯琴)