走近量子糾纏-2-男孩物理學

要正確地理解量子力學，追溯其發展歷史是非常必要的。量子力學不同於相對論和牛頓力學，它更少有被罩上個別偉人的光環。它可說成是有史以來最出色和最富激情的一代物理學家集體努力的成果。綜觀量子力學發展史，真可謂是群星璀璨、光彩紛呈。因此，讓我們先回頭看看歷史。

說到當時的"那一代』物理學家，最令人矚目的是他們的年齡。在這點上，量子論的發展可與近年來互聯網公司的發展相提並論：都是一夥年輕人的天下！看看當年那一批爭奇鬥豔，光彩奪目的科學明星吧，當他們對量子力學作出重要貢獻時，大多數是20-30歲的年齡。這也就是為什麼在當時，量子力學被人們稱為「男孩物理學」的原因。

讓我們細數"男孩』們對量子力學的貢獻：

愛因斯坦1905年提出光量子假說，26歲。

玻爾1913年提出原子結構理論，28歲。

德布羅意1923年提出德布羅意波，31歲。

海森堡1925年創立矩陣力學，1927年提出測不準原理，24-26歲。

還有更多的年輕人：泡利25歲，狄拉克23歲，烏侖貝克25歲，古德施密特23歲，約爾當23歲……

和他們比起來，36歲的薛定諤，43歲的波恩，42歲的普朗克，該算是老叔叔老爺爺了。

物理學家們將量子力學的誕生之日，定為1900年12月14日，普朗克在柏林宣讀了他關於黑體輻射的論文的那一天。在此之前，牛頓力學加上麥克斯韋方程建造的宏偉物理大廈雖然還巍然挺立，但天空已經陰雲密布，一片"山雨欲來風滿樓』的氣氛瀰漫其間。42歲的"老爺爺』普朗克戰戰兢兢地伸出腦袋看看天，身邊是潘多拉的盒子，這妖精該不該放出來呢？也許它能驅除烏雲，恢復藍天，也許它將如同石頭縫裡蹦出的孫猴子，揮動金箍棒，將世界擾得地覆天翻？普朗克的直覺告訴他，結論會是後者。但是，妖精總是要出來的，天意不可違啊。於是，盒子被打開，量子力學這個怪物就此誕生了。

之後的100多年，儘管量子物理學一個里程碑又一個里程碑，成果斐然，但由於它驚世駭俗、不同凡響的本質，孫悟空難跳出如來佛的掌心，量子論每前進一步似乎都舉步維艱。

其實，整個物理學在爭論些什麼呢？說穿了也很簡單。那是最古老也最困惑人的問題：「光，到底是什麼？物質，又是什麼？」

用現代的語言，說得再具體一些：「光和物質，到底是粒子還是波？」這個粒子說波動說糾纏不清的問題，穿越時空幾百年，引發了各種學說理論，伴隨著越來越精確的實驗驗證，也招來了一場又一場連綿不斷的口水戰。

在量子力學誕生之前，對此問題的爭論有過一段時期的平靜。那就是上文所說的"牛頓力學加上麥克斯韋方程建造的宏偉物理大廈』輝煌鼎盛之時。當時的物理學界以為一切完滿天下太平，古老的問題已經不是問題，答案猶如鐵板釘釘：「光是一種電磁波，符合美妙無比的麥克斯韋方程，其餘的物質粒子，則符合放之四海而皆準的牛頓力學。」。

連躲在天國中的拉普拉斯妖也俯首下望，而且沾沾自喜地向世界宣稱他的決定論：「一切都在控制之中。給我宇宙現在的狀態，我將可以告訴你宇宙的過去和未來!」。

然而，科學家們對世界的探索永遠不會停止，探索的結果使晴朗的天空飄起了兩片不起眼的小烏云：那是邁克爾遜－莫雷實驗和有關黑體輻射的研究。兩片小烏雲使物理學界陷入困境。一切想驅散烏雲的努力都適得其反。烏雲日積月累，越來越大，以至於發展到了壓頂之勢。

再後來，第一片烏雲動搖了牛頓力學，引發了愛因斯坦的相對論革命，從第二片烏雲中，則誕生了本文所討論的量子理論。

黑體輻射問題到底給經典物理造成了些什麼麻煩呢？物理學是以實驗為基礎的，當理論解釋不了實驗結果的時候，麻煩就來了。所謂黑體，是指對光不反射、只吸收，但卻能輻射的物體。經典理論認為光是一種電磁波，然而，由經典物理、麥克斯韋方程推導而出的"維恩公式』和"瑞利－金斯公式』，卻與黑體輻射的實驗結果不相符合，甚至導致"當輻射的頻率趨於無窮大時，輻射能量發散』的所謂"紫外災難』這種荒謬結論。

當年的普朗克使用了一個巧妙而新穎的思想方法：假設黑體輻射時，能量不是連續的，而是一份一份地發射出來的話，就可以導出一個新的公式，這個公式在頻率較小時自動回到瑞利-金斯公式，在頻率大時又自動回到維恩公式。因此，新公式在所有的頻率範圍，都與實驗符合得很好！這就是普朗克1900年論文的主要內容。

普朗克畢竟是一個傳統而保守的德國物理學家，他只是按照科學方法辦事，並未奢望要掀起一場革命，連自己都不知道自己已經把"量子』這個妖精引進了物理學，這個妖精的標籤是一個著名的普適常數h，被稱為普朗克常數。當他用戰粟發抖的手，打開了潘多拉盒子之後，蹦出來的妖精第一棒就將他自己打暈了。因為在經典物理里，能量應該是連續的，而普朗克的新理論卻假設能量只能是一份一份地被發射出來，這看上去不是不可思議嗎？普朗克認為自己製造的這個"量子妖精』破壞了物理學的完美，因此，他極力企圖把它給收回到潘多拉盒子中去。普朗克曾經花費了15年的時光，試圖找到一種經典物理方法，來導出同樣的公式，以解決黑體輻射問題。但是這個試探卻沒有成功，"量子妖精』放出來之後，便一發不可收拾，後來更是四方揮舞金箍棒，大鬧天宮。

普朗克不喜歡這個妖精，也沒有提出光量子的思想，直到1905年，26歲的愛因斯坦對光電效應的貢獻才真正使人們看到了量子概念所閃現的光芒。

愛因斯坦比普朗克更進了一步，認為不僅僅場的能量是一份一份輻射出來的，而且光本身就是由不連續的光量子組成，每一個光量子的能量E = hν，它只與光的頻率ν有關，而與強度無關。這兒的h便是普朗克常數，那個被普朗克釋放到世上來的小妖精！

啊，光不就是一種電磁波嗎？它能精確地被麥克斯韋方程所描述，如今怎麼又變成一個一個的光量子了呢？這不就像是已經被打倒在地的階級敵人-牛頓時代光的微粒說，又反攻倒算打回來了么？其實，豈止反攻倒算，而是已經鳥槍換大炮，裝備精銳，完全改頭換面而來！還好，早在愛因斯坦出生的那一年，愛因斯坦還是個7、8個月大的嬰兒時，麥克斯韋就48歲英年早逝了，沒有聽到這個令他傷心的消息。麥克斯韋一生反對進化論，想必也接受不了"量子論』這種古怪的妖精。不過，他對基督的虔誠勝於科學，臨終時念念不忘的，不是他的電磁理論，而是他的老婆。他的臨終遺言是：「我的天父，求你看顧我的妻子！」

光量子的概念好像也不符合我們的日常生活經驗。"波光粼粼』，多麼富有詩意，誰能看出光是一粒一粒的呢！不過，這點倒不難理解，因為一個光量子的能量實在是太小了，比如，藍光頻率v=6.2796912×10^14(Hz)，普朗克常數h＝6.6×10^(-34)。因此，一個藍光子的能量E=hv=4×10^-19焦耳。這個數值很小，使我們感覺不到一份一份光量子的存在。

1913年，28歲的波爾提出了他的量子化的原子結構理論。當時，盧瑟福將原子類比於太陽系的"行星模型』，碰到了根本性的困難：在經典力學的框架下，這種結構將是不穩定的。為此，波爾在盧瑟福模型中引進了普朗克常數h，又是這個小妖精，又是使用這個公式E=hv。波爾認為，和行星圍繞太陽旋轉有所不同，原子中的電子軌道，不是連續而任意變化的，而是只能處於一個一個分立的能級中。也就是說，電子軌道是量子化的。

這個量子化的波爾原子理論，在當時取得了極大成功，成功地解釋了原子穩定性，原子光譜譜線等問題，使人們再一次體會到這個量子妖精，蹦跳在微觀物理世界中時產生的巨大力量。這時的量子力學，終於算是長成了一個調皮頑劣的大男孩，正在努力操練絕世武功，企圖伺機大展身手咧。

但是，波爾的原子理論的基礎仍然是建立在經典物理的大地上，不是徹底革命的量子理論。因此，在它誕生的那一刻，就種下了"短命』的禍根，只迎來了10年左右的輝煌。

接著便到了1923年，31歲的德布羅意提出德布羅意波。1925年，24歲的海森堡創立矩陣力學，以及1926年，37歲的薛定諤建立薛定諤方程。

在這接踵而至的一大批"男孩』們的努力下，"男孩物理學』-- 量子力學，進入了它的成熟期。

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參考資料：

有關「男孩物理學」的說法來自於下列博文：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4bf87f3f0100md50.html