魏云峰

編者的叛逆話：近日，2025年諾貝爾物理學(xué)獎被授予在美國進(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，理論以表彰他們在宏觀量子力學(xué)領(lǐng)域的爭議中改發(fā)現(xiàn)。今年是變世量子力學(xué)誕生百年，1900年，叛逆德國物理學(xué)家普朗克提出量子理論，誕生百年在爭議中為量子力學(xué)打下基礎(chǔ)。理論1925年量子力學(xué)初步形成，爭議中改然而，變世量子力學(xué)的叛逆“反常識”顛覆了人類對世界的傳統(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)家通過對量子力學(xué)的理論應(yīng)用，制造出二極管、爭議中改晶體管，變世人類從“電氣時代”邁入“信息時代”。誕生百年來，量子力學(xué)這一“叛逆”理論在爭議中逐漸改變世界。

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)時的經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)“非常完美”。英國物理學(xué)家威廉·湯姆森1900年在英國皇家學(xué)會上演講稱，“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)時用經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋的兩個“小問題”，一朵“烏云”是涉及光速的以太漂移實驗，另一朵則涉及黑體輻射實驗。湯姆森沒有想到，這兩朵“烏云”背后是規(guī)?？涨暗奈锢韺W(xué)大革命，“量子力學(xué)”就因黑體輻射實驗這朵“烏云”而誕生。

經(jīng)典物理學(xué)與黑體輻射實驗“不適配”

黑體輻射實驗聽起來很神秘，但它卻與當(dāng)時的工業(yè)發(fā)展密不可分。人們早就在工程實踐中認(rèn)識到，物體發(fā)熱時發(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)出的光也會發(fā)生變化，紅色逐步向橙色、黃色、白色轉(zhuǎn)變，“白熱化”這個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，才能實現(xiàn)非接觸式精確測溫。對于物理學(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。

在長期的生產(chǎn)實踐和實驗中，當(dāng)時的物理學(xué)家們已經(jīng)繪制出不同溫度下，黑體輻射強(qiáng)度隨輻射頻率波動的分布曲線。但當(dāng)物理學(xué)家們試圖用當(dāng)時已有經(jīng)典物理學(xué)的公式來解釋這條曲線時，都失敗了。其中肯定有什么地方不對，但當(dāng)時物理學(xué)家們只推測是理論計算的公式推導(dǎo)有誤，沒有意識到整個經(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)時的德國物理學(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”，這個公式意味著，電磁波輻射的能量是由一個個不可分割的“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，普朗克花費大量時間，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”

此時，物理學(xué)領(lǐng)域還有另一個廣受關(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，某些物體表面會釋放電子。經(jīng)典物理學(xué)對此的解釋是，光線照射到物體表面，會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，再強(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)時的愛因斯坦還名不見經(jīng)傳，他在研究光電效應(yīng)時受普朗克的“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”理論是對普朗克“量子理論”的推進(jìn)，毫無疑問，在當(dāng)時的物理學(xué)界遭到了更強(qiáng)烈的質(zhì)疑和反對，幾乎所有主流物理學(xué)家都持否定態(tài)度。美國物理學(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。他決定通過設(shè)計精密的實驗來推翻“光量子”假說。從1912年到1915年，密立根花費了數(shù)年時間，對不同金屬、在不同頻率的光照下進(jìn)行了無數(shù)次精密測量。但令他失望的是，實驗結(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)測觀察到的結(jié)果……然而，這個理論所依賴的物理理論本身看起來是如此站不住腳?！?/p>

密立根的精密實驗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”的經(jīng)典故事。1921年，愛因斯坦因為成功解釋光電效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

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力學(xué)。矩陣力學(xué)和波動力學(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精確知道一個粒子的位置和動量，只能預(yù)測各種可能的結(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，它會被反彈回來；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。愛因斯坦尤其反對海森堡的“不確定性原理”，作為對哥本哈根學(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。”

作為愛因斯坦的支持者，薛定諤提出了一個著名思想實驗“薛定諤的貓”。實驗設(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，會觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；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)的一系列物理實驗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

盡管大眾普遍對量子力學(xué)的“反常識”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)到量子計算，從精密測量到量子通信，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，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)，就不會有計算機(jī)和智能手機(jī)。

20世紀(jì)40年代，美國貝爾實驗室的核心任務(wù)之一是改進(jìn)通信技術(shù)。當(dāng)時被廣泛使用的真空管雖然能放大信號，但存在耗電高、發(fā)熱嚴(yán)重、體積大、壽命短等缺點，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·布拉頓在貝爾實驗室發(fā)明點接觸晶體管。由此，人類從“電氣時代”邁入了“信息時代”?？梢哉f，晶體管是第一個從量子力學(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)”，如今催生出量子計算機(jī)，人們利用量子的“疊加態(tài)”原理，使量子計算機(jī)能夠并行處理海量數(shù)據(jù)。目前，量子計算機(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)典計算機(jī)無法比擬的潛在優(yōu)勢。

(責(zé)任編輯：探索)