《上帝掷骰子吗？——量子物理史话》的读书报告 李微中

《上帝掷骰子吗？——量子物理史话》是一本关于量子物理发展历程的科普小书，一方面，量子力学为我们展现的与常识格格不入的真相令人惊异，另一方面，作者曹天元以小说笔调写科普文章的方式效果显著，起码我自己看书的时候可是大呼过瘾的。 有些话要写在前面，本书的作者以对物理学的深刻了解，才能抽丝剥茧的将百年来的量子物理历史浓缩成一本小书，笔者自认是没有这个能力的，所以这篇文章只会介绍前几章的内容，让大家简单了解一下书里的内容吧。 首先让我们来看看全书的目录：黄金时代、乌云、火流星、白云深处、曙光……乍看之下与量子物理实在扯不上什么关系，反倒像小说一样，有着动荡曲折的故事。不得不说作者本意也是如此，黄金时代下以牛顿体系为基础的物理学大厦金碧辉煌，然而从乌云一章开始，小的问题最终动摇了经典物理学的地基，黄金时代的物理学在20世纪以迅雷不及掩耳之势轰然倒塌，其中有人呐喊有人反抗，有人慨叹有人欣喜。整本书若是以看小说的心态看去，却也很有滋味，接着就让我们从黄金时代开始吧。 黄金时代 写在“黄金时代”这一章下的第一段故事，是赫兹当年为了验证麦克斯韦理论预言的电磁波的实验而开始，当时麦克斯韦方程组预言到有一种看不见摸不着的波充斥着我们的空间，而这个波被称为电磁波，赫兹的实验就是为了找到它。请允许我在这里对这个实验略作描述。简而言之就是一个电源通过给一对离得很近的铜球，使它们充电产生击穿电流，而不远处的地方有一个完全与电源隔离的探测器——谐振器，这上面也有两个铜球，如果世界上真的有麦克斯韦预言的电磁波，那么谐振器上的两个铜球也会产生电火花。 为了看到那细微的电火花，赫兹拉上了所有的窗帘，并关上了灯，黑暗中啪的一下，电火花从谐振器的两段打了出来，并在一段时间的充能后继续的展现着自己的力量。这个由法拉第打下地基，麦克斯韦建造主体的电磁学大厦，最后终于由赫兹为他盖上了最后的屋顶。 作者在这里为我们描绘了一副诸事抵定的大好画面，的确符合黄金时代这样一个章节标题。可作者在此处却埋了一个伏笔，让我们来看看作者是如何描写的吧： 他并不知道，自己已经在电磁波的实验中亲手种下了一个幽灵的种子，而顶替他去柏林任教的那个人，则会在一命中注定的时刻把这个幽灵从沉睡中唤醒过来。在那之后，一切都改变了，在未来的30年间，一些非常奇妙的事情会不断地发生，彻底地重塑整个物理学的面貌。一场革命的序幕已经在不知不觉中悄悄拉开，而我们的宇宙，也即将经受一场暴风雨般的洗礼，从而变得更加神秘莫测，光怪陆离，震撼人心。 这个小小的伏笔在几页之后就展开了，这个幽灵的种子指的其实是赫兹实验中的一个小现象，在拉上窗帘关上灯的黑暗环境中，谐振器要能发出电火花，两个铜球的距离必须缩短才行。赫兹自己弄不清楚这个问题，只是将它记录了下来。对这个问题我们也暂时放一放，先去看看作者所说的两朵乌云。 乌云 在1900年开年之初，开尔文曾经有一片报告在物理学史上占据着及其重要的地位，这篇名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》中提到了两个暂时无法解释的问题，他的第一段是这么说的： 动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了…… 这两朵乌云分别指的是迈克尔逊——莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。前者指的是迈克尔逊和莫雷两个人想通过探测光在以太当中的运动速度的变化，来探测地球相对以太的运动速度，简单的原理就是让光射出去再返回来，看看速度有什么变化。可是令人惊异的是光速居然是不变的。人在空气中跑步会感觉到迎面的风，船在水中走会有水的阻碍，可是光在以太中传播居然丝毫不受影响，如果以太不存在，那么光又是如何以波的形式在没有介质的地方传播的呢？（如果光是波，那么应该和声波一样在真空中是无法传播的，这是以太这一猜想的由来）。 而第二朵乌云，那个黑体辐射研究，其目的是在研究物体的辐射能量与温度有着怎样的关系，具体的实验和理论不多介绍，总之这个研究得出了两个完全不同的公式，若是将电磁波的本质看成一种粒子，则会得出一个在短波范围试用的公式，但如果实验测算到了长波范围，则与理论有着巨大偏差，而抛弃分子运动假说，从波的角度来推演，得出的公式恰好能在长波范围试用，但短波范围中却也有巨大偏差。这就让物理学家们很是不解了。 虽然开尔文当时在报告中十分乐观的估计这两朵乌云最终会烟消云散，可是他却不知道他如此准确的眼光在将来的不远处毁掉了他研究了一辈子的经典物理学，这两朵乌云： 第一朵，引发了相对论。 第二朵，带来了量子力学。 相对论的放下不说，来看看量子力学的部分，无论从现实的哪个理论出发，都只能得到一半正确一半错误的结论，这实在是让人愤懑。打破僵局的是普朗克，他研究了6年黑体辐射毫无进展，在得知两个半成品公式后，百思不得其解的他决定先搞出一个对的公式，理论什么的扔到一边。他用纯数学的方法将两个公式凑到了一起，居然让他凑出来了一个在任何波段都成立的公式，后人称之为“普朗克黑体公式”。之后他对公式意义进行解读，作者写道： 普朗克当时做梦也没想到，他的工作绝不仅仅是改变了物理学的一些面貌而已。事实上，大半个物理学和整个化学都将被彻底摧毁和重建，一个神话时代即将拉开序幕。 1900年末的柏林上空，黑体这朵飘在物理天空中的乌云，内部开始翻滚动荡起来。 不得不说，普朗克的工作，是瓦解经典物理学基石的第一步。公式意义很简单，能量传递不是连续的而是一份一份的，其基本单位是量子。简单来讲，假设我们用电磁炉烧水，水温从20度上升到100度，直观上我们会觉得它经历了这期间所有的温度，连续不断的达到了100度，而事实上，你可以将温度分解的很小很小但是却不能无限分割下去，一个量子的能量是最小的单位。连续性是微积分的基础，而普朗克却将它打的粉碎。 这就是量子概念的由来，而普朗克的结论看似惊世骇俗，可是与以后的发现相比却不值一提，这部小说的精彩部分从这里开始了。 火流星 回过头来讲讲赫兹的幽灵，他当时的发现被后人证实，其实光打在金属上是会有电子被打出来的，这就是光电效应，可是对于光电效应的研究却让人困惑不已，人们发现，能不能从某种金属上打出电子，取决于光的频率，而能打出多少电子，取决于光的强度。可是，事实却不应该是这样的，光的强度应该是指光的能量，而光的频率则只是不同的光的震动幅度，例如打得痛不痛应该取决于下手有多重，而身上淤青有多少才取决于打得多不多，但现在却好像反了过来，无论力道多小，只要打得多就会痛，至于淤青有多少，才取决于每下打得有多痛。这不得不说是让人非常费解。 解决这个问题的是爱因斯坦，普朗克虽然创造了量子，但他自己却不相信这是事实，只将其当成一种方便的假说，而爱因斯坦却借用了量子的概念来解释光电效应，如果光的能量传播是一份一份的，那么如果每一份能量都打不出电子，再多的光量子也没有用，而每一份的能量按照普朗克的公式是取决于光的频率的，这就解释了为什么频率决定能否打出电子，而强度只能决定打出多少电子。 可是，这种理论虽然能很好的解释事实，但却让光的粒子说死灰复燃，对于光到底是波还是粒子，以这个问题为导火索，第三次波粒战争爆发了。 小结 请原谅我在这里匆匆收笔，因为之后的内容已经不是笔者这样水平的人能够简单描述的了。对于量子物理惊世骇俗的结论的惊叹，是我开始阅读本书的第一动力，不过开始看书之后，本书的小说笔调却成了我阅读快感的主要来源。例如在黄金时代中，作者不断的强调当时的人们是多么信赖那个以牛顿体系为基础的经典物理学，但是一步一步的，物理学家们从一个小小的实验出发，慢慢推翻了整个经典物理的大厦。而这一切却不是一帆风顺的，许多物理学家都不能接受如此惊世骇俗的理论，就连爱因斯坦这样的大家都发誓要推翻量子物理的基础，按作者的话叫：“重新恢复经典物理的荣光。”这其中，新生物理学家的欣喜，老派物理学家的担忧和愤怒，在书中以一种类似小说的方式呈现出来。尤其是决战一章更是全书高潮，新生代革命导师波尔和老派物理学家的精神领袖爱因斯坦的大辩论是最有情节张力的一章，容我不多叙述，留待各位自己品味。 爱因斯坦：波尔，上帝不掷骰子！ 波尔：爱因斯坦，别去指挥上帝怎么做。