【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】 ———————————————— 量子永寿 ——为纪念量子概念诞生100周年而作 戈革   2000年刚刚开始时,为了迎接新世纪和新千年的到来,全世界的 人们各自举行了狂欢节式的运动。在外国的电视屏幕上,人们可以看到这 种活动在整个地球的不同地区依次开展的情况,那景象据说是非常热烈而 动人的。但是我不知道,在这种及其他庆典中,可曾有人认真想想今天这 种现代文明是从哪里来的,其最基本的根源到底何在?要知,这样的反思 是十分重要的,因为任何意义下的“忘本”倾向到头来都会受到历史的嘲 弄。   新世纪到来之际,有许多人热衷于评选诸如20世纪的“十大伟人” 之类。这种事情若做得好,当然会起一定的振奋人心的作用,但若由于主 持者和评选者的见解低劣和方法错误而搞得非驴非马,那肯定也会造成误 导群众和混淆视听的影响。我曾见到一份据说是由“大英广播公司” (BBC)炮制而成的“十大物理学家”名单,所列人选既不公允,对各 人功绩的论述尤多信口开河、张冠李戴之处,那确实太丢人了!   在这一类的“光容榜”上,名列榜首的往往是爱因斯坦。这也使人莫 名其妙、哭笑不得。因为你可以相信,那些把爱因斯坦挂在嘴边的“考官” (评选者)们,一万个人中也不见得有几个人真正明白爱因斯坦是“老几”, 更不用说能稍微理解一点他的相对论了。仅仅根据一点模糊印象就来进行 这种“评选”,那只能说是乱点排行榜了。   大凡天下之混人,最喜欢奢谈“实用”。一提到某种学术成就,他们 就会蠢态可掬地问你:“那有什么用?”按照这种傻蛋“逻辑”,人类文 化中的许多领域都会被“批判”为不值得支持和没有存在的必要。这真是 人类文明的耻辱!然而说也奇怪,唯有对于爱因斯坦,众人却能高抬“贵” 手,不去追究他的相对论到底“有什么用”。这也算是一种很特别的社会 心理现象了!   稍有头脑的人谁也不会否认爱因斯坦是20世纪一位非常了不起的科 学家和思想家。他的相对论确实是人类文化史上不可多得的瑰宝。但是我 们也愿意指出,按照某些俗物的标准,爱因斯坦的相对论可以说是没有 “用处”的。换句话说,假如我们只有相对论而没有量子物理学的兴起和 蓬勃发展,20世纪的精神文明和物质文明就会是另一种样子:那样的话, 人们就绝不会有现在这种形式的原子物理学、固体物理学、原子核物理学、 基本粒子物理学等等,从而也就不会有现在这种形式的收音机、电视机、 录音机、录象机、大大小小的计算机、各种网络装置和自动控制装置,从 而也不会有什么原子弹、氢弹、导弹、核电站、核潜艇、雷达系统、激光 装置和宇宙飞船。因此我们可以说,没有量子理论的发展,人类的理论思 维和物质文明都会缺少很大的一个基本部分,而现代的物理科学也将萎缩 得不成模样。正因如此,才有一些物理学家和科学史学家反复断言,量子 理论是20世纪物理科学“独一无二”的思维方式。例如,今年7月间刚 刚去世的美籍犹太物理学家派斯,被美国人称为“爱因斯坦专家”,他对 相对论的了解肯定比BBC的记者之流高明万倍,他也认为量子理论是20 世纪物理科学“独一无二”的思维方式。   说也凑巧,量子理论的最初起点,恰恰是在距今100年前,即在20 世纪的第一年出世的。它现在已经活过了一个世纪,今年是它的百年“整 寿”。   现在且说,1900年12月14日,德国物理学家马克斯·普朗克 在柏林的德国物理学会的聚会上宣读了一篇题为《关于正常光谱之能量分 布定律》的论文,文中提出了他的量子概念或量子假说。因此,有人就把 12月14日这一天定为量子概念或整个量子理论的“诞辰”。   当时普朗克研究的是一个相当专门的物理问题。要把这个问题尽可能 深入浅出地讲清楚,就需要定义许多概念,介绍许多历史情况,那不是现 在这篇短文就能完成的任务。我们只能说,普朗克所说的“正常光谱之能 量分布规律”,现在常称为“黑体辐射定律”,指的是能量按辐射频率的 分布规律。   在当时,人们通过巧妙的实验,相当准确地求出了表示这种能量分布 的经验曲线。当时的任务是要通过理论的考虑来推出这种曲线的数学表达 式。这本来是一个经典的物理任务,但是许多人的努力得到的都是很不成 功的结果。就是说,推导出的不同表达式都和实验曲线符合得不够好,甚 至导致了“紫外灾难”之类的荒谬推论。这样,一时之间“黑体辐射”成 了理论物理学家们的一道难题。   在普朗克提出他的辐射理论以前,整个物理学理论都毫不含糊地属于 “经典(宏观)理论”的范畴:它们研究的是所谓宏观物体:这种物体具 有相当的“直观性”,就是说,它们全都看得见、摸得着,因此,它们的 运动多少有些“形象化”。另一方面,像原子那么小乃至更小的物体却不 然。这些物体叫做“微观物体”,用倍数多高的显微镜也看不到它们,而 即使能用显微镜看出来了,看到的也只是它们的“影子”。因此,微观物 体的运动规律从根本上说是抽象的,全无“形象”可言。这就给人们对它 们的认识和描述带来了根本的困难。   普朗克在他的黑体辐射理论中理性地开始了对微观世界的进军,通过 他的量子假设而打响了20世纪物理学革命的第一枪。这种假说的详细内 容和意义,解释起来也会扯得太远。简单地说,这假说认为,原子在发射 或吸收频率为ν的辐射时,不是想发射或吸收多少就发射或吸收多少,而 是有一个固定的最小单位,这一最小的能量ε叫做“能量子”,它与辐射 频率成正比,也就是说,ε=hν,比例常数h叫做“作用量子”或“普 朗克常数”。   你会说,这有什么值得大惊小怪的。这不是很简单、很好懂吗?其实 大大地不然。以吸收为例,“形象地说”,原子吸收辐射,可以说是原子 “吃”辐射。它不是像喝牛奶那样地“吃”,而是像吃米饭那样地“吃”, 每一个饭粒就是食物的最小单位。你仍然觉得这还是很好懂,谁家吃饭不 是“一口口地吃”?但是不然。原子吸收辐射和人吃饭到底不一样,因为 一个原子每吞掉一个能量子就发生显著的状态改变,这真是“一口吃成胖 子了”。“量子汽车”示意图中的小汽车代表一个原子:停在A站表示它 的一个状态,停在B站表示它的另一个状态。当原子吸收了一个能量子时, 它就会从状态A“跃迁”到状态B,这种跃迁是一下子就完成了的,不经 过任何的中间状态。就是说,不经过A、B之间的任何一点就突然在A点 消失而同时在B点出现。这就使人们“想不通”了,因为任何人都没有 “见过”这样的事情!其实这并不奇怪,因为人们从来没有也不可能见过 微观物体的运动。这就是我们(追随着玻尔)所强调的微观现象的“非形 象化特点”。尽管在逻辑上能够讲得通,这种非形象化特点还是使描述微 观现象的量子理论带上了一种抽象的、难以“捉摸”的本性,以至于许多 很伟大的物理学家都常常对它若即若离!特别是,那些从内心深处排斥抽 象思维的人们将永远不能真正掌握量子理论。   当普朗克刚刚提出他的量子概念时,人们并没有立即意识到这一概念 巨大的“革命性”,当时连德国物理学会的文摘刊物也只是顺便提到了它。 只是到了后来,当这一概念被应用到越来越多的物理问题中时,它才在物 理学界和哲学界掀起了空前巨大的思维波涛。   普朗克是一位老派的学者。他为人正直高尚、奉公守法、谦虚谨慎, 从来不愿意炫耀自己。他自称没有特殊的天才,不能同时处理许多不同的 问题。在学术工作中,他主张尽可能地谨慎,不到万不得已不愿意打破传 统的“框框”。他把自己的量子假说称为“孤注一掷”的办法。就是说, 只是在实验事实的逼迫下,他才终于“上了梁山”。因此,人们常说他是 一个“不情愿的革命者”。   当普朗克提出自己真正划时代的量子概念时,他是柏林大学的教授, 年仅42岁。那时爱因斯坦刚刚大学毕业(得到博士学位),年仅21岁。 玻尔还没有进大学,年仅15岁。这三个人,被称为早期(旧)量子理论 的三大先驱,普朗克当然是开山祖师;爱因斯坦对量子理论作出了贡献, 后来成了量子理论物理诠释的反对派;玻尔大大推进了这一理论的发展、 表达和哲学诠释,成了20世纪量子理论的思想领袖。   当普朗克提出他的量子概念时,后来在新量子力学的创立和发展中起 了重要作用的那些人还基本上没有登上历史的舞台。当时薛定谔13岁, 路易·德布罗伊8岁,泡利刚刚出生几个月,而海森伯、狄拉克和约尔丹 则还没有出生。年龄最大的是玻恩,他当时18岁,但也还没有进大学。 但是过了20多年,这些人都已经大大地出了名。因此,当时德国人曾把 量子力学戏称为“男孩物理学”,而玻恩在哥廷根大学主持的理论讨论班 也被说成了“玻恩幼儿园”!   那时普朗克已经成了德国和全世界众望所归的科学大师,许多德国学 者都处于他的荫护之下。他本人和所有德国人一起经历了第一次世界大战, 他的长子在战争中伤重身亡。然而,更大的不幸还在等着他。在后来的岁 月中,他受尽了纳粹政权的压迫和屈辱,他的次子也被纳粹匪帮杀害,他 的住房在战争中被炸毁,藏书和文稿毁于一旦。然而这一切的苦难反而提 高他的声望。直到今天,人们提到马克斯·普朗克这个名字,没有不肃然 起敬的!   时至今日,经过100年的蓬勃发展,量子物理学已经蔚为大观,形 成了经典物理学旁边另外一座金碧辉煌、千门万户的巍然大厦。由于理论 认识方面“非形象化”的特点,许多人仍然怀着一种胆怯的或怀疑的心理 来瞻望这座大厦,觉得它里面有许多神秘的“迷宫”。但无论如何,在今 天的情况下,多么狂傲的人物也不敢否认这座巨厦的伟大和重要,即使在 最落后的地方,也不太可能有人再像当年的纳粹分子那样把量子物理学 (和爱因斯坦的相对论)骂成“犹太物理学”了。相反地,量子物理学毕 竟早已掌握了群众,早已深入人心,早已成了在全世界大学中普遍教授的 必修课。   当回顾19世纪的历史发展时,有人曾经指出,从长久的文化影响来 看,应该认为19世纪最重大的历史事件是法拉第-麦克斯韦电磁学的创 立和发展。和这一事件相比,其他事件,例如美国的南北战争,都将显得 黯然失色而只有地区意义了(参看美国物理学家理查德·费曼的《物理学 讲义》第二卷)。这是一种真正尊重科学、尊重历史的很有根据、很有见 解的观点,是值得一切有头脑的人们认真考虑的。遵照这样的思路,我们 也要说,从对人类生活和思想多方面的深刻影响来看,量子物理学的兴起 和发展肯定应被认为是20世纪最重要的历史事件,而其进行过程的激动 人心和千变万化,甚至远远超过了19世纪电磁学的兴起和发展。量子概 念这一最初的星星之火后来形成了燎原之势,而“孤注一掷”地提出这一 概念的,正是那位正直的、高尚的、慎重的、伟大的马克斯·普朗克! (《科学画报》2000年12期) ———————————————— 【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】