【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】 ———————————————— 量子概念：一个史诗时代的开端 □戈革 　　 一 　　每值年底，当“圣诞节”将届之际，孤独如老夫者一般也会收到 几张颇为别致的贺卡，为我这种贫乏而黯淡的生涯平添几分温馨的色 彩，殊不易也。 　　在1999年收到的贺卡中，最有特色的一张是美国AIP物理学史中心 的主任维尔特博士（Dr．Spencer R．Weart）寄来的。卡上除了他手写 的祝词外，还以AIP全体人员的名义印上了“为新世纪而致以最佳祝愿” 的字样，而尤其发人深思的是，卡上居然印上玻尔和他母亲的合影。 AIP是美国物理科学各专门学会的联合组织。为了迎接和庆贺新世纪的 到来，他们没有选用最伟大的美国公民爱因斯坦而却选用了丹麦学者 玻尔来作为自己的形象典范，这恐怕不是完全偶然的吧？ 　　曾记得美国天才物理学家费曼（R．Fegman）有一段议论： 　　从人类历史的一种长久的观点来看——例如从自今以后一万年间 的观点来看，几乎没有疑问的就是，19世纪最重要的事件，将被认为 是麦克斯韦的发现电动力学规律，而比起这个在相同的10年内发生的 重要科学事件来，美国的内战将褪色而成为只有地区意义的事件。 　　在那个被誉为“给予人类以文明和文化”的19世纪中，当然也充 满了许多浩气冲天、杀人盈野、登基加冕、山崩海啸、歌功颂德、狗 仗人势、不亦乐乎、呜呼哀哉……的大事件，但是在费曼教授的心目 中，所有那一切都只好“小姐权且落后”，全都比不上麦克斯韦的电 动力学。从人类文明的角度来看，这种观点绝不是耸人听闻，而是有 很深刻的道理的。费曼不是科学史家，但是当谈论人类历史时，却显 示出很高的“史识”，绝非那种妄自尊大、生拉硬扯的妄人所能企及！ 　　仿照这种思路，我们可以试行评选20世纪中最重要的历史事件。 至少照鄙人看来，首先需要考虑的就是量子理论的兴起和发展，也就 是从1900年普朗克首先提出量子概念到1927年海森伯提出测不准原理 和玻尔宣布互补性概念的那段历史事件。 　　有一位备受许多外行人推崇而却被专业科学史家们批评得体无完 肤的梅拉（J．Mehra）先生，立志要写一部九卷本的量子物理学史。 但是他写了五卷就写不下去了，至今未见下文。然而他对量子理论发 展史的看法却颇有精到之处，很值得我们借鉴。他说： 　　量子理论在20世纪中的发现和发展，是一个史诗式的故事，…… 千万个问题共同交织成了量子理论的构造，……量子理论在科学史和 人类智能史上是独一无二的，它比……狭义相对论和广义相对论更加 独特得多。它在观念上和过去进行了完全的决裂，而塑造了一种关于 物质结构和辐射的以及关于许多基本自然力的新世界观。 　　梅拉是一位“多产作家”，他写了许多书也编了许多书；因为贪 多求快，难免有时出现疏漏（老夫自惭亦有此病），但是他的这段关 于量子史的议论却颇有见地。 　　如此说来，要稍许妥当地介绍一下量子理论的发展，就必须写许 多本（例如九卷）书，而短短的一篇文章是根本不可能“一口吞尽西 江水”的。现在我们只能简单地谈谈普朗克在一百年前提出量子概念 的情况。 　　　　 二 　　历史的发展从来是不可能按照拉普拉斯式的因果原理来进行的。 你可以从各种方面来寻索一个事件的前因后果，但是你绝不能证明那 一事件的逻辑必然性。例如，众所周知，德国理论物理学家马科斯· 普朗克是在研究“黑体辐射”时发现了微观过程的量子特征的。但是， 如果有人问，为什么得出这样的发现的恰恰是普朗克这个人，为什么 恰恰是在研究黑体辐射时得出的，等等，谁也作不出必然的回答。老 实讲，这样的问题，并没有什么本质的意义（只能起一定的启发作用）。 　　按照一百年前的理解，一切的物质实体都是由原子构成的，而所 谓的辐射则简单地被看成电磁波。所谓黑体辐射，就是和周围的物体 处于温度平衡的辐射。设想把一个厚壁中空的物体保持在不变的均匀 的温度下，则其空腔内部所包含的就是黑体辐射。人们设计了实验装 置，巧妙地测定了黑体辐射的能量按辐射波长（或频率）的分布曲线， 而当时理论家的任务就是从理论上推导出这种经验曲线的公式（理论 解释）。 　　当时所能用的，就是经典理论中的热力学和统计力学。这些理论 已经证明在许多别的领域颇为有效。在这种统计力学中，有一条最基 本的“能量均分原理”。简单地说就是，按一定程度计算出来的平均 能量，和物理对象的温度成正比。但是，当考虑实物和辐射的平衡时， 这条原量却从一开始就遇到了困难。 　　原来，那时多数人同意，一切物质实体都是由原子构成的。当用 统计力学的方法来处理它们时，每一个原子都可以看成一个简单的、 具有三个自由度的质点。一个或几个物体中不论含有多少亿个原子， 其数目总是有限的，从而它们的自由度总数也是有限的。另一方面， 辐射被看电磁波，它的状态要由所在空间中每一点上的强度来定义。 不论多么小的一部分空间，它所包含的数目都是“连续的无限大”， 从而任意小的一部分即辐射的自由度数也肯定是无限大。如果把“均 分原理”应用到由物质和场构成的一个体系上，那就会得出无法接受 的结果了。因为，体系的总能量无论如何是有限的，而只要存在很小 的一小部分场，体系的总自由度数就是无限的。“均分”时分子有限 而分母无限，得到的平均能量必然是零。按照玻耳兹曼关系式，这一 平均能量应等于1／2KT；K不等于零，故T必为零。于是体系的温度在 理论上必为绝对零度。就是说，不论体系的总能量多么大，它都会不 断地被吸收到场中去，而使所有的物质实体都处于绝对零度的状态。 只有这时实物和场才能达到平衡。显然，这种荒谬的（佯谬的）结论 是任何一个物理学家都不能相信的，最不能相信的想必是发现了“热 力学第三定律”的能斯特（W．Nerst）。 　　在19世纪末期，某些物理学家（例如英国的开耳文勋爵）已经清 楚地意识到了这种困难。但是在具体的“理论研究计算”中，人们还 是想尽了办法来回避这种困难，而普朗克则是在这种探索中取得成功 的第一人。 　　众所周知，在普朗克以前，已有人推导过黑体辐射的能量分布公 式，得出的结果和实验符合得很不好，而普朗克的公式则和实验符合 得非常令人满意。如果不是在推导中列入了十分奇特的“量子概念”， 这样的成就或许只能在科学史上被人顺便提及，而不会给普朗克带来 不朽的令名。 　　　　 三 　　普朗克的论文刚刚发表时，德国物理学界的文摘刊物只用短短的 一句话报道了它，而普朗克本人也还对自己的理论基础远远没有心安 理得。特别是，普朗克是一个谦虚谨慎的君子，绝不是那种胡吹乱捧、 动不动就沾沾自喜的小人。因此，有人说他在发现了量子概念以后曾 对自己的儿子自夸“作出了牛顿以后最大的发现”，那恐怕不太可能 是“历史的真实”而更加可能是“艺术的夸张”。 　　然而，从历史回顾的角度来看，量子概念的引入，确实不愧为牛 顿以后最伟大的发现。普朗克的工作打响了20世纪物理学革命的第一 枪。它带来了出人意料的科学上、技术上、社会上、哲学上的多种多 样的巨大后果，而量子理论也逐渐成了20世纪物理学中的“唯一思想 模式”。随着人们对量子概念的逐步理解、应用和发展，也通过他自 己在科学上、教育上和学术行政上的辛勤努力和无私奉献，马克斯· 普朗克渐渐变成了当时德国学术界的领袖，成了国际上深孚众望的学 术伟人。他经历了两次世界大战，经历了不堪忍受的物质匮乏、离乱、 压迫和屈辱。但是他的学术贡献和高尚人格，永远受到了全世界学人 的景仰。 　　德国原有“威廉皇帝学会”，约与英国的“皇家学会”相当。二 战以后，该会改名为“马克斯·普朗克学会”，其所属的物理学研究 所改名为“马克斯·普朗克物理学及天体物理学研究所”（在慕尼黑）。 　　当普朗克提出自己真正划时代的量子概念时，他是柏林大学的教 授，年仅42岁。那时爱因斯坦刚刚大学毕业（得到博士学位），年仅 21岁。玻尔还没有进大学，年仅15岁。这三个人，被称为早期（旧） 量子理论的三大先驱。普朗克当然是开山祖师；爱因斯坦对量子理论 作出了贡献，后来成了量子理论物理诠释的反对派；玻尔大大推进了 这一理论的发展、表达和哲学诠释，成了20世纪量子理论的思想领袖。 　　此时，后来在新量子力学的创立和发展中起了重要作用的那些人 还基本上没有登上历史的舞台。当时薛定谔13岁，路易·德布罗伊8岁， 泡利刚刚出生几个月，而海森伯、狄拉克和约尔丹则还没有出生。年 龄最大的是玻恩，他当时18岁，但也还没有进大学。但是过了20多年， 这些人都已经大大地出了名。因此，当时德国人曾把量子力学戏称为 “男孩物理学”，而玻恩在哥廷根大学主持的理论讨论班也被说成了” 玻恩幼儿园”！ 　　时至今日，经过100年的蓬勃发展，量子物理学已经蔚为大观，形 成了经典物理学旁边另外一座金碧辉煌、千门万户的巍然大厦。由于 理论认识方面“非形象化”的特点，许多人仍然怀着一种胆怯的或怀 疑的心理来瞻望这座大厦，觉得它里面有许多神秘的“迷宫”。但无 论如何，在今天的情况下，多么狂傲的人物也不敢否认这座巨厦的伟 大和重要。即使在最落后的地方，也不太可能有人再像当年的纳粹分 子那样把量子物理学（和爱因斯坦的相对论）骂成“犹太物理学”了。 相反地，量子物理学早已深入人心，成了在全世界大学中普遍教授的 必修课。 （中华读书报2000年12月27日） ———————————————— 【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】