我們的宇宙 從量子理論到量子力學

要回答這個問題，我們可以從科普暢銷書說起。眾所周知，科普是聯繫科學家和普通大眾最終的紐帶，生動有趣的內容和深入淺出的解析一直是科普讀物的兩大法寶。我們可以看一下，市場上哪一類科普讀物最多。榮獲2006年第三屆「吳大猷科普獎」的《量子物理史話——上帝擲骰子嗎？》不斷加印再版，始終佔據著國內科普讀物霸主的地位。美籍日裔加來道雄博士所著的《平行宇宙》也是一部量子力學的著作。這本經典的科普書屬於《科學還可以這樣看》系列，裡面包含了《量子糾纏：上帝效應，科學中最奇特的現象》《量子宇宙：一切可能發生的正在發生》《量子理論：愛因斯坦與玻爾關於世界本質的偉大論戰》等多部與量子力學有關的科普讀物。我想，現在可以回到文章開始那個問題。時下物理學最熱門的就是量子力學。

與量子力學相關的科普讀物

喜歡看科幻小說的人對時間穿越和平行宇宙的概念都不陌生，這些概念同時也滋生了許多悖論，為了讓小說自洽，聰明的科幻作者們選擇了使用量子力學來解釋這些悖論。任何頭疼的問題，彷彿一碰到量子力學就會迎刃而解。因此，即使不看科普書，許多科幻迷也從科幻小說里早早知道了量子力學。

這其實很容易理解，基礎物理髮展了幾個世紀，已經日臻完善，現代物理學家想要有所突破是非常小概率的事件，而且，後來發現的許多現象，比如黑體輻射，或者針對比原子還小的粒子，基礎物理已經無法給出合理的解釋。在這種情況下，量子理論應運而生，並且一直到今天成為許多物理學家主要的研究方向。從諸多科普作品也可以看出來，大眾對於這方面的知識需求也特別饑渴。在通訊發達的今天，人們對於科學研究有了前所未有的熱忱和關注。

科學史上，大部分學科都不是一人之力完成的，量子力學發展到今天離不開眾多科學家的努力，其中包括普朗克、尼玻爾、海森堡、薛定諤、泡利、德布羅意、玻恩、費米、狄拉克、愛因斯坦、康普頓等大家耳熟能詳的科學家們。

第五屆索爾維會議留影：後排左起：A.皮卡爾德（A.Piccard） E.亨利厄特（E.Henriot）P.埃倫費斯特（P.Ehrenfest） Ed.赫爾岑（Ed.Herzen）Th.德唐德（Th.de Donder） E.薛定諤（E.schrodinger）E.費爾夏費爾特（E.Verschaffelt） W.泡利（W.Pauli）W.海森堡（W.Heisenberg） R.H.富勒（R.H.Fowler）L.布里淵（L.Brillonin）

中排左起：P.德拜（P.Debye） M.克努森（M.Knudsen）W.L.布拉格（W.L.Bragg） H.A.克萊默（H.A.Kramers）P.A.M.狄拉克（P.A.M.Dirac） A.H.康普頓（A.H.Compton）L.德布羅意（L.de Broglie） M.波恩（M.Born）N.波爾（N.Bohr）

前排左起：I.朗繆爾（I.Langmuir） M.普朗克（M.Planck）M.居里夫人（Mme Curie） H.A.洛侖茲（H.A.Lorentz）A.愛因斯坦（A.Einstein） P.朗之萬（P.Langevin）ch.E.古伊（ch.E.Guye） C.T.R.威爾遜（C.T.R.Wilson）O.W.理查森（O.W.Richardson）

量子力學的建立是一個相對其他學科來說並不算漫長的過程，從1900年開始至今也不過一百多年。但這一百多年卻湧現出了大批優秀的物理學家和許多著名的理論，這些人和他們所做的研究影響、改變了我們的世界。

隨著科學發展，人們對於「大」和「小」的認知也在不斷變化著，以前人們以為的「大」就是天，或者說地球本身，再後來到太陽系、銀河系乃至全宇宙；以前人們以為的「小」是螞蟻，是組織，是細胞，是原子，然後是各種各樣繁多的基本粒子。這些基本粒子給物理學家帶來了頭疼和困擾，他們發現，當他們把經典力學的理論套用在這些幽靈一般不可捉摸的基本粒子之上時，那些一直被他們奉為圭臬的理論失效了，不再適用，很多測量到的現象都無法用經典力學來解釋，在這種情況下，量子理論應運而生。

基本粒子

導致量子論出現的是一個古典熱力學難題即黑體輻射問題。1900年，世紀之交，普朗克提出了量子假說，假定黑體以hv為單位不連續的發射和接收輻射，計算出了黑體輻射能量分布公式，成功地從理論上解釋了黑體輻射現象。普朗克將最小的不可再分的能量單元稱作「能量子」或「量子」。當年12月14日，他將這一假說報告了德國物理學會，宣告了量子論的誕生。所以有觀點稱普朗克為量子力學的創始人，從這一點來看並不為過。因為他不但提出了「量子」這一概念，還通過學說報告的方法向世人展示了量子論。1905年愛因斯坦引進光量子的概念，推導出光子的能量、動量與輻射的頻率和波長之間的方程式，解釋了光電效應。

1913年，一直跟愛因斯坦論戰的玻爾提出了以他命名的玻爾模型。玻爾認為電子只能在一定能量的軌道上運轉。外層軌道比內層軌道可以容納更多的電子；較外層軌道的電子數決定了元素的化學性質。如果外層軌道的電子落入內層軌道，將釋放出一個帶固定能量的光子。1924年，玻恩在一篇論文中使用「量子力學」這個辭彙。這也標誌著以普朗克、愛因斯坦和玻爾對量子力學所做的研究告一段落，同時開啟了量子力學研究百花齊放的新篇章。

薛定諤於推出了一個相對論的波動方程。而薛定諤關於一隻放在裝有毒氣盒子里的貓是死是活的經典問題也成為量子力學一個著名的假設；海森堡創立了解決量子波動理論的矩陣方法；狄拉克改進了矩陣力學的數學形式，使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。

量子力學解釋了平行宇宙，也解釋了我們的宇宙

在那幾年，幾乎每一天都有關於量子力學領域的新發現，這些發現鼓舞著科學家們繼續前行的同時，也逐漸完善了量子力學的理論系統。量子力學使得我們對世界的認知越來越清晰，這不僅僅是一個玄妙的理論，這對於我們的日產生活和生產也有著巨大的推動，從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學圖像顯示裝置，都依靠了量子力學的原理和效應。對半導體的研究導致了二極體和三極體的發明就是藉助量子力學的支撐。在核武器的發明過程中，量子力學的概念至關重要。至今為止，僅僅萬有引力無法使用量子力學來描述。

從經典物理到量子理論再到如今的量子力學，這是歷史發展的必要。也許有很多人覺得這些跟我們的生活沒什麼關聯，其實正是因為這些理論，我們才擁有了今天的生活。

本作品為「科普中國-科技創新里程碑」原創 轉載時務請註明出處