魏云峰
編者的叛逆話(huà)：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(guān)量子力學(xué)領(lǐng)域的爭議中改發(fā)現。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。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(lèi)對世界的傳統認知，曾被愛(ài)因斯坦等科學(xué)家質(zhì)疑。誕生百年1947年科學(xué)家通過(guò)對量子力學(xué)的理論應用，制造出二極管、爭議中改晶體管，變世人類(lèi)從“電氣時(shí)代”邁入“信息時(shí)代”。誕生百年來(lái)，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(lái)變革：1900年普朗克提出“量子理論”
19世紀末，很多物理學(xué)家認為，當時(shí)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(huì )上演講稱(chēng)，“物理大廈已經(jīng)落成，留給未來(lái)物理學(xué)家的只有一些修飾工作?！辈贿^(guò)，湯姆森在演講中提到，物理學(xué)理論中還存在兩朵“烏云”——也就是當時(shí)用經(jīng)典物理學(xué)理論無(wú)法解釋的兩個(gè)“小問(wèn)題”，一朵“烏云”是涉及光速的以太漂移實(shí)驗，另一朵則涉及黑體輻射實(shí)驗。湯姆森沒(méi)有想到，這兩朵“烏云”背后是規?？涨暗奈锢韺W(xué)大革命，“量子力學(xué)”就因黑體輻射實(shí)驗這朵“烏云”而誕生。
經(jīng)典物理學(xué)與黑體輻射實(shí)驗“不適配”
黑體輻射實(shí)驗聽(tīng)起來(lái)很神秘，但它卻與當時(shí)的工業(yè)發(fā)展密不可分。人們早就在工程實(shí)踐中認識到，物體發(fā)熱時(shí)發(fā)出的光線(xiàn)顏色是其溫度的“天然指示器”——隨著(zhù)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、白色轉變，“白熱化”這個(gè)詞就很能說(shuō)明顏色和溫度的關(guān)系。但在19世紀蓬勃發(fā)展的鋼鐵工業(yè)中，通過(guò)肉眼觀(guān)察爐溫的傳統方法已經(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”的精確數學(xué)關(guān)系，才能實(shí)現非接觸式精確測溫。對于物理學(xué)家而言，就是要找出黑體輻射的強度和頻率（光線(xiàn)的顏色取決于其頻率）之間的關(guān)系。
在長(cháng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和實(shí)驗中，當時(shí)的物理學(xué)家們已經(jīng)繪制出不同溫度下，黑體輻射強度隨輻射頻率波動(dòng)的分布曲線(xiàn)。但當物理學(xué)家們試圖用當時(shí)已有經(jīng)典物理學(xué)的公式來(lái)解釋這條曲線(xiàn)時(shí)，都失敗了。其中肯定有什么地方不對，但當時(shí)物理學(xué)家們只推測是理論計算的公式推導有誤，沒(méi)有意識到整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的“地基”需要修正。
給物理學(xué)理論帶來(lái)“大麻煩”
當時(shí)的德國物理學(xué)家普朗克也一直被黑體輻射問(wèn)題所困擾。1900年的某一天，他突然“腦洞大開(kāi)”：要不拋開(kāi)物理學(xué)理論，用數學(xué)技巧解決一下？這次“頭腦風(fēng)暴”讓普朗克推導出了著(zhù)名的普朗克公式，其完美適用于黑體輻射問(wèn)題。但從數學(xué)角度推導出的普朗克公式卻給物理學(xué)理論帶來(lái)“大麻煩”，這個(gè)公式意味著(zhù)，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)認為能量是連續的。
1900年，普朗克通過(guò)自己的大膽假設和全新公式提出了“量子理論”，但沒(méi)有獲得物理學(xué)界的普遍認同，大家都認為普朗克拿出的東西過(guò)于“離經(jīng)叛道”。就連普朗克自己都認為，“能量量子化”假說(shuō)只是一個(gè)為解決特定問(wèn)題而發(fā)明的特殊數學(xué)工具。此后，普朗克花費大量時(shí)間，試圖借助經(jīng)典物理學(xué)來(lái)“修正量子化假說(shuō)”，力求將其納入經(jīng)典物理學(xué)的理論框架中，但結果都以失敗告終。
“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(wèn)題無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋——光電效應，是指在特定光線(xiàn)照射下，某些物體表面會(huì )釋放電子。經(jīng)典物理學(xué)對此的解釋是，光線(xiàn)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，并非所有光線(xiàn)的照射都能激發(fā)光電效應，例如，再強的紅光都無(wú)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(jiàn)影”，這些奇怪的現象無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)來(lái)解釋。
1905年，當時(shí)的愛(ài)因斯坦還名不見(jiàn)經(jīng)傳，他在研究光電效應時(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(lái)被稱(chēng)為光子）的理論假設，并進(jìn)一步推導出著(zhù)名的“光電效應方程”。愛(ài)因斯坦曾用“啤酒瓶”類(lèi)比光量子——就像啤酒只能整瓶購買(mǎi)，能量也只能被整份吸收。光線(xiàn)照射能否打出電子，不取決于光的“亮度”（強度，就像啤酒的總量），而取決于光的“顏色”（頻率，即單瓶啤酒的大?。?。
愛(ài)因斯坦的“光量子”理論是對普朗克“量子理論”的推進(jìn)，毫無(wú)疑問(wèn)，在當時(shí)的物理學(xué)界遭到了更強烈的質(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·密立根認為，愛(ài)因斯坦的光電效應方程“大膽而又輕率”，其結論違背了經(jīng)典物理學(xué)的常識。他決定通過(guò)設計精密的實(shí)驗來(lái)推翻“光量子”假說(shuō)。從1912年到1915年，密立根花費了數年時(shí)間，對不同金屬、在不同頻率的光照下進(jìn)行了無(wú)數次精密測量。但令他失望的是，實(shí)驗結果完美地符合愛(ài)因斯坦的理論。他后來(lái)在論文中“矛盾地承認”：“愛(ài)因斯坦的光電效應方程目前似乎能夠精確地預測觀(guān)察到的結果……然而，這個(gè)理論所依賴(lài)的物理理論本身看起來(lái)是如此站不住腳?！?/p>
密立根的精密實(shí)驗最后反倒成為論證愛(ài)因斯坦光量子理論的有力證據，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(ài)因斯坦因為成功解釋光電效應而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
普朗克和愛(ài)因斯坦的新理論逐步打破物理學(xué)家們的“傳統物理概念”，當思維被打開(kāi)，人們迎來(lái)了新的“物理時(shí)代”。
愛(ài)因斯坦發(fā)出質(zhì)疑：“我深信上帝不擲骰子”
1925年被認為是現代量子力學(xué)的開(kāi)端。這一年，物理學(xué)家沃納·海森堡、馬克斯·玻恩、帕斯庫爾·約爾當等人共同提出和完善了矩陣力學(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)的誕生標志著(zhù)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(ài)因斯坦提出，光在某些條件下表現出粒子的屬性，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(méi)過(guò)幾年，法國物理學(xué)家德布羅意又進(jìn)一步提出設想，既然光這種傳統上被人們認為是波的物質(zhì)，被發(fā)現具有粒子性，那么像電子、質(zhì)子甚至原子這些傳統上被認為是粒子的物質(zhì)，也應該具有波動(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(wú)法同時(shí)精確知道一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，只能預測各種可能的結果出現的概率。還有更晦澀難懂的“量子隧穿效應”——當普通小球撞擊墻壁時(shí)，它會(huì )被反彈回來(lái)；而微觀(guān)粒子卻能夠穿過(guò)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(guò)于“腦洞大開(kāi)”，甚至被愛(ài)因斯坦質(zhì)疑，他堅信“宇宙有嚴格的因果律和確定性”，因此與玻爾和海森堡領(lǐng)導的哥本哈根學(xué)派展開(kāi)數十年的學(xué)術(shù)辯論。愛(ài)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?！?/p>
作為愛(ài)因斯坦的支持者，薛定諤提出了一個(gè)著(zhù)名思想實(shí)驗“薛定諤的貓”。實(shí)驗設想將一只貓關(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。根據量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒(méi)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(shuō)，只要不去觀(guān)察，這只貓就“又死又活”，這顯然違背人們對世界的傳統認知。薛定諤本想用這只貓來(lái)諷刺“哥本哈根學(xué)派的荒謬性”，然而讓愛(ài)因斯坦和薛定諤都沒(méi)有想到的是，后續的一系列物理實(shí)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在的隨機性。
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)的基礎之上。
量子力學(xué)解釋了為何有些材料是導體、有些是絕緣體，半導體則處于兩者中間，通過(guò)“摻雜”人為引入雜質(zhì)能級，我們得以精確控制半導體的導電性，從而制造出二極管、晶體管這些現代電子文明的“細胞”。如果沒(méi)有量子力學(xué)，就不會(huì )有計算機和智能手機。
20世紀40年代，美國貝爾實(shí)驗室的核心任務(wù)之一是改進(jìn)通信技術(shù)。當時(shí)被廣泛使用的真空管雖然能放大信號，但存在耗電高、發(fā)熱嚴重、體積大、壽命短等缺點(diǎn)，人們希望找到更適合充當放大器的電子元件。通過(guò)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)驗室發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管。由此，人類(lèi)從“電氣時(shí)代”邁入了“信息時(shí)代”?？梢哉f(shuō)，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(lái)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(lái)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，人們利用量子的“疊加態(tài)”原理，使量子計算機能夠并行處理海量數據。目前，量子計算機被認為在解決諸如藥物分子模擬、優(yōu)化物流等特定問(wèn)題上，具有經(jīng)典計算機無(wú)法比擬的潛在優(yōu)勢。
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