量子力学的发展史的六个阶段（鬼魅的量子力学）

文/老余

本系列的上一篇，我们说了物理学晴朗天空的边缘，有两朵小乌云：

• 一朵是光速到底是相对于谁的？这直接催生出了爱因斯坦的相对论（相对论系列已经写完，文末点击链接查看）；
• 一朵是黑体辐射（黑暗中的人体就是一个黑体辐射源）为何经典物理学解释不了？这直接洞开了量子力学的大门。

当一个理论能分毫不差地解释99.9999%的真实世界，却对那0.0001%毫无办法时，往往这小到可以忽略不计的“0.0001”，就是打开另一个广阔天地的窄门钥匙。

就像《桃花源记》里那条曲径通幽的窄道。

你看光速，经典物理学能解释万事万物的速度都是相对的，却单单无法解释光的速度是相对于谁的。

这速度世界里“0.0001%的异类”被爱因斯坦当做钥匙，打开了相对论的大门。

你再看黑体辐射，经典物理学用一个简洁的公式就能描述万事万物的热运动，甚至是一团乱糟糟空气的运动也能毫分不差，却单单在解释黑体辐射时，经典物理学折戟沉沙、无能为力。

热运动世界里这“0.0001%的异类”被普朗克、爱因斯坦当做钥匙，洞开了量子力学的那扇窄门，由此人类就进入了一个全新的世界：

——鬼魅般的量子世界。

1900年，反其道而行之的普朗克如有神助，不从物理意义而直接从数学出发，为黑体辐射生生地凑出一个能精准描述其特性的公式，但接下来尴尬的事发生了：

这个公式在物理学上的意义是什么？普朗克以及整个物理学界始终无法搞明白。

与此同时，还有一个问题让物理学界无法解释：

按照麦克斯韦的理论，当用一束光打金箔，电子跑不跑出来只与光的强度有关，而与光的颜色（也就是频率）无关。

但实验结论却恰恰相反——电子是否跑出来与光的颜色有关，而与光的强度无关。

比如用红光（频率低）打金属板，无论亮度如何，都不会有电子跑出来；但如果用蓝光（频率高）打，即使光很暗，都会有电子跑出来，且速度非常快。

这让物理学家们一筹莫展。

这两个问题得再等五年才能得到解决，解决者现在刚刚毕业于苏黎世联邦理工大学，正为毕业后的生计发愁。

年轻帅气的爱因斯坦

（一）爱因斯坦的高光时刻之一：解释光电效应洞开量子力学之门

1905你那，瑞士普通的一个专利局里，一个26岁的年轻人在工作之余完美地解决了以上两个问题，他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦，他说：

金箔里的电子之所以碰到高频率的光才会跑出来，是因为光是一份一份的，普朗克老先生为黑体辐射凑那个精准公式时不是说了嘛，只有光是一份一份的，他的那个公式才能够成立，他是正确的；

一份光的能量E=hf（“h”被后世称为普朗克常数=6.626×10^（-34）焦耳·秒，“f”是光的频率），所以这束光的频率越高，那一份一份光的能量就越大。

这就完美地解释了“光电效应”：红光为何打不动金箔里的电子，因为频率低能量就低；而蓝光之所以能把金箔里的电子打出来，是因为蓝光的频率高所以能量就大。

这个公式的计算结果与实验结果完美契合，由此爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔奖。

在普朗克的基础上，爱因斯坦把「特殊」推演到了「普遍」：

• 普朗克说黑体辐射光的能量是一份一份的，但爱因斯坦说不只是黑体辐射的光，所有的光，能量都是一份一份的；
• 既然光携带的能量是一份一份的，那光也应该不是连续的，而是由一个个光子组成的。由此，“光量子”的概念被提出来。

在此，你可能会问：什么是量子？

其实很简单，比如光，宏观看一束光是连续的，但未观看这束光是由最基本粒子——光量子组成的。这就像看高清电视，我们坐在沙发上看是连续的高清画面，但你贴近屏幕一看，是由一个个光点组成的，且光点之间是有空隙的，并不连续。

后世物理学家也学爱因斯坦把普朗克的学说普遍化，有人认为我们这个世界就是量子世界，就连连续的引力、连续的空间其实都不是连续的，都是量子的。

他们说之所以身在其中的我们感觉不到那种“颗粒感和不连续感”，是因为普朗克常数实在是太小了（6.626×10^（-34）），这比8K高清电视的分辨率要高千亿亿亿亿亿倍，这个数量的不连续性是人类的感官系统远不能感知到的。

不只是我们，当年爱因斯坦提出光量子的概念，大部分物理学家是完全无法接受这个“新思想”的。比如普朗克，虽然爱因斯坦是站在他的肩膀上解释了“光电效应”，但普朗克的下半辈子，都不接受这一理论。

为何会这样？

我们继续往下看。

普朗克

（二）在经典物理学看来，光怎么可能是由粒子组成的呢？

到普朗克这会儿，100多年来物理学家之所以坚定不移地相信光是一种波，是因为自从1803年英国的一个叫托马斯·杨的医生做了那个著名的“双缝实验”后，无数人用各种光验证过，得出的结论是一致的：

——光就是一种波。

托马斯·杨的双缝实验

如果光是一种粒子，那就只能走直线，光线通过双缝后就只能打在正前方，其他地方完全不可能有所谓的“干涉条纹”。

啥是干涉条纹？

就是“明暗相间”的纹路。之所以有这样的纹路，是因为过两缝的光相互作用（干涉）：

• 如果波峰与波峰相遇就会彼此叠加，打在背景板上比原来更亮；
• 如果波峰与波谷相遇就会相互抵消，打在背景板上就是暗的。

这样一圈一圈地交替相遇，背景板上就有了明暗相间的条纹。

只有波才会有这样的性质，所以光是一种波，且所有的波都有这样的性质，水波、光波、声波都是这样的。

我们现在用的降噪耳机之所以有效，并不是因为它的隔音好，而是运用声波可以相互抵消的原理：

——耳机根据外界声音，自身制造出一种反向同频的声波去抵消它。

回到光是一种波，100多年来实验结果反复验证了这一点，且计算结果与实验结果分毫不差，光既然是波，怎么可能又是粒子呢？这两者就像水与火一样对立，永远无法统一。

如果你是普朗克——一个把经典物理学奉为圭臬的伟大物理学家，会接受爱因斯坦对光的新解释吗？

我设身处地，我要是他，肯定是打死也无法接受的！

巧的是，爱因斯坦那篇讲“光电效应”论文的审稿人恰好就是普朗克，虽然无法接受，但他的公正、正直和学识还是让这篇论文发表了。

后来，普朗克一直在经典物理学的框架内寻找光电效应的新解释，但很可惜，物理学殿堂里是一代新人替旧人，普朗克始终没有找到答案。

但是，他那种“我不喜欢你的观点，但我誓死捍卫你说话权力”的风范，值得我辈敬仰。

（三）结语

爱因斯坦虽然是站在普朗克的肩上，才得出了光的粒子性，但普朗克却从来没有支持过这一学说；

虽然是爱因斯坦洞开了量子力学之门，但他下半辈子却一直在反对量子力学。

为何会这样？

这些人类史上最聪明的头脑之所以如此，并不是针对谁，只是因为量子的世界真的是太颠覆了，太让人难以接受了，就像前一篇说的一样，你接受的科学训练越多，你可能就会越反对它。

但物理学的历史也是车轮滚滚，一直向前，经典物理学认为「光是一种波」，爱因斯坦说「光是一种粒子」。

这两种水火不容的解释真的就不能统一起来吗？

不会的，有牛人能把他们统一，就像当初哥白尼统一了天与地，就像麦克斯韦当年统一了电与磁。

这个人很快就出现了，他是谁？他是怎么做到的？

篇幅有限，我们下回分解。

（完）

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本文相关：

鬼魅的量子力学（1）：你越相信科学，就越无法容忍它

《相对论》系列：

「相对论」到底牛在哪？这次给你讲清楚（1）

「相对论」到底牛在哪？这次给你讲清楚（2）

「相对论」到底牛在哪？这次给你讲清楚（3）

「相对论」到底牛在哪？这次给你讲清楚（完结篇）

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