我們正在解讀《上帝擲骰子嗎,？》作者曹天元。

如果說這世界上只有一本書能讓我搞懂量子理論的話,，那就是它了,。讓我們一起回到當(dāng)年，沿著量子論走過的道路展開一次奇幻探險,。前情回顧

熱力學(xué)之父開爾文,，在演講中提到了兩朵小小的烏云，其中一朵是黑體輻射實驗,，引爆了量子論革命,。

物體輻射的頻率與溫度之間存在函數(shù)關(guān)系，當(dāng)時科學(xué)家們分別從粒子和電磁波兩個角度出發(fā),，推導(dǎo)出了兩套公式,。可是一套只對短波有效,，另一套只對長波有效,，沒辦法協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1900年,，普朗克已經(jīng)研究黑體問題有6年之久,，一天下午他靈光乍現(xiàn)，決定放棄理論推導(dǎo),，直接用數(shù)學(xué)的方法拼湊出一套適用于所有波長的公式,，于是得到了普朗克黑體公式。

這套公式背后的物理意義想要成立,，必須有一個前提假設(shè),。能量在傳遞的時候不能是連續(xù)的,，而是一份一份的，要有一個最小單位,，于是量子誕生,。

但是，這個假設(shè)等于是直接移走了經(jīng)典物理大廈的地基,。量子之父普朗克自己都認為這是不可接受的,，因此一再強調(diào),，量子并非物理事實,，而僅僅只是為了方便計算的假設(shè)。

量子雖然降生,，卻備受冷落,。

1905年，愛因斯坦用量子論解釋了光電效應(yīng),，提出了光量子假說,。光的本質(zhì)到底是微粒還是波，爭論又陷入到長期的僵持狀態(tài),。

1911年,，第一節(jié)索爾維會議召開，全世界最頂尖的24位科學(xué)家齊聚布魯塞爾,，從這個時開始,，量子就真正來到物理世界舞臺的正中央。

諾貝爾獎得主的幼兒園

說到這里,，尼爾斯·玻爾就要登場了,，他為量子力學(xué)的發(fā)展做出了奠基性的貢獻，更是哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人,。1885年,，玻爾出生在丹麥。1903年,，18歲的玻爾進入哥本哈根大學(xué)攻讀物理,。8年之后，26歲獲得博士學(xué)位的玻爾渡過英吉利海峽,，來到英國劍橋大學(xué)繼續(xù)深造,。

一次非常偶然的機會，玻爾結(jié)識了剛剛從第一界巫師盛會上歸來,，同時也是自己十分仰慕的科學(xué)家盧瑟福,。

兩人是一見如故，相談甚歡,，隨后玻爾便轉(zhuǎn)戰(zhàn)曼切斯特,，加入了盧瑟福的實驗室,。當(dāng)時盧瑟福在一個物理問題的研究上取得了不小的成功，這個課題是關(guān)于原子的,。

早在古希臘時期,，就有哲學(xué)家猜測，萬事萬物都是由原子這個最小單元組成的,。在19世紀(jì)初的時候,，科學(xué)家們證實了原子。原子還可以再分嗎,？

1897年,，英國科學(xué)家在原子中找到了電子，它帶負電,，是目前我們所找到的,，這個世界上最小的存在了。

因為電子帶負電,，而原子整體呈現(xiàn)電中性,，因此當(dāng)時人們提出了葡萄干蛋糕結(jié)構(gòu)的原子模型。電子就像很小的葡萄干,，塞在帶正電的物質(zhì)中,，整個就是原子。

但是這個結(jié)構(gòu)模型很快就被推翻了,，因為盧瑟福用帶正電的阿爾法粒子去轟擊一張極薄的金箔,。如果按照葡萄干蛋糕模型，那應(yīng)該部分被反彈,，部分穿透,。可結(jié)果卻是絕大部分粒子都穿過去了,，只有極少部分反彈了回來,。

這說明原子內(nèi)大部分都是空的，只有當(dāng)粒子打到那很小的同樣帶正電的硬核的時候,，才會被反彈回來,。

因此我們在中學(xué)物理教科書上看到的原子模型，就是盧瑟福提出的,，和我們的行星系統(tǒng)很像,，原子核在中間就像是太陽，而電子則像行星圍繞著原子核運動,。

盧瑟福自己是一位偉大的物理學(xué)家,，同時還是一位非常偉大的物理導(dǎo)師。他用自己敏銳的眼光去發(fā)現(xiàn)那些天才,，再以偉大的人格去關(guān)懷他們,，挖掘出他們的潛力,。盧瑟福身邊的助手和學(xué)生，后來都成長得非常出色,，其中不乏卓越之才,。

他一生培養(yǎng)出了10位諾貝爾獎得主，其中最出名的像是20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一,，我們馬上就要說的玻爾,，量子論創(chuàng)始人之一的狄拉克等等。

盧瑟福的實驗室,，被后人稱為諾貝爾獎得主的幼兒園,。他的頭像被印在新西蘭的百元大鈔上，作為國家對他最崇高的尊敬和紀(jì)念,。

玻爾模型

盧瑟福的行星系統(tǒng)模型,，當(dāng)時是一個巨大的進步,，但是這個模型存在一個沒法解釋的問題,。就是根據(jù)麥克斯韋理論，這個系統(tǒng)是極其不穩(wěn)定的,，帶負電的電子圍繞帶正電的原子核運動,，過程中無可避免的要釋放出電磁輻射，導(dǎo)致電子失去能量,，最終墜毀在原子核上,。

原子會因為自身的坍縮而在瞬間毀于一旦?？晌覀冎赃€能在這兒討論這個問題,，就說明世界并沒有因為原子的坍縮而毀滅掉。

于是這個問題就擺在了玻爾面前,，要么放棄盧瑟福的模型,，要么放棄偉大的麥克斯韋理論。這是不是很像當(dāng)年普朗克面對黑體輻射問題,，以及愛因斯坦面對光電效應(yīng)時的情況,？他們都是通過引入量子化，來解決問題的,。

還記得普朗克的量子假設(shè),，能量的傳遞是一份一份的，不連續(xù)的,。愛因斯坦也認為光是由光量子組成,，能量不可疊加，一個光量子對應(yīng)打出一個電子,。

玻爾呢,？他面對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題,，也引入了量子化假設(shè)。

當(dāng)進入到原子的微觀世界之后,，在這個地方,，我們在宏觀世界所得到一切常識都不管用了，接下來同學(xué)們需要展開足夠的想象力,，試著去體會這個光怪陸離的奇境,。

玻爾假定，因為能量的傳遞是量子化的,，所以電子對于原子核的相對距離也是量子化的,，這個距離可以是1可以是2可以是3，但是不能在1和2之間,，2和3之間,。當(dāng)電子處在這些地方的時候，它就是穩(wěn)定的,，也就是處在穩(wěn)態(tài)之中,，因此整個系統(tǒng)也就不會崩潰，這叫做穩(wěn)態(tài)假設(shè),。

他的這個穩(wěn)態(tài)是什么意思呢,？就像是我上樓梯，我可以上一級臺階,，可以上兩級臺階,，我站在樓梯上的狀態(tài)就是穩(wěn)定的，但是我絕對不會處在1.5級臺階的地方,，否則我不就懸空了嗎,？

同時玻爾也允許電子在各級軌道之間轉(zhuǎn)換，稱之為躍遷假設(shè),。但是躍遷的也是一種量子化的行為,。比方說，我從3樓做電梯到1樓,，必然要經(jīng)過2樓,，并且是經(jīng)過空間中每一個點，我的運動軌跡一定是連續(xù)的,。而電子的躍遷是不連續(xù)的,，就很像是游戲中的閃現(xiàn)。電子在3樓突然消失,，與此同時在1樓突然出現(xiàn),。

為什么會有這種神奇的想法？因為能量的獲得與釋放是量子化的，那么因為能量變化而帶來的位置改變也就是跳躍,，不連續(xù)的,。

當(dāng)年，玻爾的理論非常成功,。它可以很好的解釋觀察到的氫原子內(nèi)部的行為,，也因此獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎。

在他獲得獲獎之前的1919年,，應(yīng)普朗克的邀請,，玻爾訪問了戰(zhàn)后的柏林。在那里普朗克與愛因斯坦熱情的接待了他,。量子力學(xué)三大巨頭坐在了一起展開了討論,。玻爾就說電子在軌道間的躍遷是不可預(yù)測的，愛因斯坦對此大搖其頭,，認為任何的物理過程都是確定的和預(yù)測的,。在這里就已經(jīng)埋下了兩個人曠日持久爭論的種子。

又過了兩年,，玻爾回到哥本哈根,，組建研究所，自己擔(dān)任所長,。玻爾的人格魅力像磁場一樣,，吸引各地才華橫溢的年輕人向這里涌來,，在玻爾的主導(dǎo)之下,，凝結(jié)成了一種富有激情、活力與進取的哥本哈根精神,。不久,，這里就成了物理學(xué)界人們眼中的圣地，深遠的影響著量子力學(xué)的未來,。

但是,，玻爾原子模型理論的壽命竟然非常的短，僅僅13年它就過時了,。

一方面,，在玻爾的理論中，雖然引入了量子論,，但和經(jīng)典理論還是沒有決裂,，他始終想把二者調(diào)和起來。后人評論玻爾理論,，常會說它是半經(jīng)典半量子的,。在玻爾模型中，電子就如同一位變臉大師，當(dāng)在單一軌道上運行的時候,，表現(xiàn)出了經(jīng)典力學(xué)的面孔,，而一旦軌道變換，立刻就成了量子化的模樣,。

當(dāng)然,，更重要的是因為它本身還不夠完備，雖然能很好的解釋氫原子,，但是面對更加復(fù)雜的原子就束手無策了,。

量子論革命，實際上是一場非常徹底的革命,，只有完全與舊的理論割裂之后,，才能真正理解量子帶給我們的意義。1920年代,，是物理史上最偉大的黃金年代之一,，很快，一批更加年輕,，更加富有朝氣的天才即將出現(xiàn),。

德布羅意與物質(zhì)波

接下來我們又要說回波粒戰(zhàn)爭。第三次波粒戰(zhàn)爭進入高潮,，竟然是因為一個年輕人的推波助瀾,。

故事是這樣的：

有一位年輕的法國人，叫做德布羅意,。他們家族從17世紀(jì)開始就為法王服務(wù),，祖先中出了很多的將軍、元帥和部長,，所以他們家族被授予公爵稱號,，德布羅意他爸還當(dāng)過法國總理。

年輕的德布羅意本來是學(xué)歷史的,。話說他哥哥作為物理學(xué)家參加了1911年第一屆索爾維巫師盛會,，把會議記錄帶回了家里。德布羅意看到了這些令人激動的科學(xué)思想之后,，熱情完全被激發(fā)了出來,，于是半路出家，轉(zhuǎn)投物理學(xué)的懷抱,。讀到博士畢業(yè)的時候,，要寫博士論文了。

德布羅意認真學(xué)習(xí)了愛因斯坦通過光量子假說來解釋光電效應(yīng)的理論之后,，他想既然愛因斯坦可以認為作為電磁波的光具有粒子性,，那我是不是能反過來,，一個電子，一個實物粒子,，它是不是也能具有波動性呢,？德布羅意提出了物質(zhì)波假設(shè),，所有物質(zhì)其實都是波,。

于是他從愛因斯坦的理論出發(fā)，把推導(dǎo)證明過程寫成了論文,，交給了自己的導(dǎo)師,。最戲劇性的故事情節(jié)來了,。

他的論文僅僅就寫了兩頁紙，導(dǎo)師一看怒了,，哪里有人博士論文只寫兩頁紙的,？德布羅意說我不管，多了我也寫不出來,，你看著辦吧,。

導(dǎo)師怎么辦呢？人家可是公爵,，惹不起,。于是想了個辦法，把這兩頁紙直接寄給了愛因斯坦,，說：“我有一位學(xué)生叫德布羅意,。他發(fā)展了你的光電效應(yīng)理論，說粒子也有波動性,，你看看對不對,。如果你說對，那么他就能畢業(yè),。如果能順利畢業(yè),，他是法國公爵，那以后你來法國肯定很受歡迎,。”言下之意如果你說他不對,，那么以后法國你也就不用來了,。

愛因斯坦多聰明啊，一看那他說的很有道理啊,，于是回了一封信,。拿著愛因斯坦的回信，德布羅意就畢業(yè)了,。

畢業(yè)之后德布羅意的工作就和物理沒啥關(guān)系了,，成天游手好閑。過了幾年，要頒發(fā)諾貝爾獎了,，突然發(fā)現(xiàn)德布羅意說的是對的,，于是把獎給了他。他是世界上第一個憑借博士論文拿到諾獎的人,。

怎么樣,？這個故事是不是非常的有趣，但其實完全是杜撰的,。

德布羅意不是不學(xué)無術(shù)的官二代,，而是一位極具洞察力的科學(xué)家。導(dǎo)師確實把他的大膽見解交給愛因斯坦點評,，愛因斯坦是贊賞有加,，稱德布羅意是揭開了大幕的一角。整個物理學(xué)界在聽到愛因斯坦的評論之后大吃一驚,，這才開始全面關(guān)注德布羅意的工作,。

之前我們說玻爾的原子模型，強行規(guī)定了電子的量子化行為,，但卻沒法解釋為什么會這樣,。而德布羅意提出的物質(zhì)波，就可以為玻爾模型提供理論解釋,。

更重要的是,，德布羅意還做了預(yù)言，既然粒子是具有波動性的,，那么就一定可以觀察到實物粒子的干涉和衍射現(xiàn)象,。但是因為實物粒子的波長太短了，現(xiàn)象非常不明顯,，很難被觀測到,，但理論上是一定存在的。

后來在1927年,，人們真就觀察到了電子的衍射現(xiàn)象,，證實了德布羅意是正確的。

確實,，科學(xué)研究大多數(shù)時候都是非常辛苦的,，絕大多數(shù)能拿諾獎的人，都是做了很多的試驗與推演,。相比之下,，德布羅意所做的工作確實輕松很多。他從愛因斯坦的理論出發(fā),，解釋了玻爾的量子化理論,，并且預(yù)言了電子的干涉與衍射現(xiàn)象,，最終又被玻恩的概率波所解釋。

其中提到的每一樣都是諾貝爾物理學(xué)獎的成果,，而德布羅意的物質(zhì)波理論則像是一座橋梁,，把它們?nèi)慷冀o鏈接了起來。

德布羅意的物質(zhì)波理論一提出,，物理界一片嘩然,。

微粒與波動這兩只軍隊一直都僵持不下，電子竟然是一個波的爆炸性新聞很快就傳遍了雙方的陣營,。光到底是什么似乎還有余地慢慢討論,，而電子呢？我們世間的一切都是原子組成的,，那這問題可就大了,。不僅僅是光的本質(zhì)，如今整個物質(zhì)世界都陷入到了波動與微粒的戰(zhàn)爭之中,。第三次波粒戰(zhàn)爭被推向了高潮,，熊熊戰(zhàn)火燃遍了物理世界的每一個角落。

物理學(xué)真正走到了一個十字路口,。眾人迷茫而困惑,，不知道前途何去何從。長期的波粒戰(zhàn)爭讓物理學(xué)的基礎(chǔ)處在崩潰的邊緣,，人們甚至都不知道自己到底是站立在什么東西之上,。

當(dāng)時有一個非常流行的笑話，說理學(xué)家們不得不在每個星期的一三五把世界看成是粒子的,，在二四六又把世界當(dāng)成波,。那星期天呢？他們也不知如何是好,，因此只能在家里默默的向上帝祈禱,。

我們也無需過多擔(dān)心，這樣的混亂很像是黎明前的黑暗,。物理學(xué)很快將會迎來自己的曙光,。幸運的是，就像當(dāng)年盧瑟福遇到了自己的接班人玻爾,，而玻爾也將遇到自己的接班人,，他是誰？后面的故事又將如何,？我們下期節(jié)目接著聊。