量子永寿
──为纪念量子概念诞生100周年而作

戈革(中国石油大学)

 

 

  2000年刚刚开始时,为了迎接新世纪和新千年的到来,全世界的人们各自举行了狂欢节式的运动。在外国的电视屏幕上,人们可以看到这种活动在整个地球的不同地区依次开展的情况,那景象据说是非常热烈而动人的。但是我不知道,在这种及其他庆典中,可曾有人认真想想今天这种现代文明是从哪里来的,其最基本的根源到底何在?要知,这样的反思是十分重要的,因为任何意义下的“忘本”倾向到头来都会受到历史的嘲弄。
  新世纪到来之际,有许多人热衷于评选诸如20世纪的“十大伟人”之类。这种事情若做得好,当然会起一定的振奋人心的作用,但若由于主持者和评选者的见解低劣和方法错误而搞得非驴非马,那肯定也会造成误 导群众和混淆视听的影响。我曾见到一份据说是由“大英广播公司”(BBC)炮制而成的“十大物理学家”名单,所列人选既不公允,对各人功绩的论述尤多信口开河、张冠李戴之处,那确实太丢人了!
  在这一类的“光容榜”上,名列榜首的往往是爱因斯坦。这也使人莫名其妙、哭笑不得。因为你可以相信,那些把爱因斯坦挂在嘴边的“考官”(评选者)们,一万个人中也不见得有几个人真正明白爱因斯坦是“老几”, 更不用说能稍微理解一点他的相对论了。仅仅根据一点模糊印象就来进行这种“评选”,那只能说是乱点排行榜了。
  大凡天下之混人,最喜欢奢谈“实用”。一提到某种学术成就,他们就会蠢态可掬地问你:“那有什么用?”按照这种傻蛋“逻辑”,人类文化中的许多领域都会被“批判”为不值得支持和没有存在的必要。这真是 人类文明的耻辱!然而说也奇怪,唯有对于爱因斯坦,众人却能高抬“贵”手,不去追究他的相对论到底“有什么用”。这也算是一种很特别的社会心理现象了!
  稍有头脑的人谁也不会否认爱因斯坦是20世纪一位非常了不起的科学家和思想家。他的相对论确实是人类文化史上不可多得的瑰宝。但是我们也愿意指出,按照某些俗物的标准,爱因斯坦的相对论可以说是没有 “用处”的。换句话说,假如我们只有相对论而没有量子物理学的兴起和蓬勃发展,20世纪的精神文明和物质文明就会是另一种样子:那样的话,人们就绝不会有现在这种形式的原子物理学、固体物理学、原子核物理学、 基本粒子物理学等等,从而也就不会有现在这种形式的收音机、电视机、录音机、录象机、大大小小的计算机、各种网络装置和自动控制装置,从而也不会有什么原子弹、氢弹、导弹、核电站、核潜艇、雷达系统、激光 装置和宇宙飞船。因此我们可以说,没有量子理论的发展,人类的理论思维和物质文明都会缺少很大的一个基本部分,而现代的物理科学也将萎缩得不成模样。正因如此,才有一些物理学家和科学史学家反复断言,量子 理论是20世纪物理科学“独一无二”的思维方式。例如,今年7月间刚刚去世的美籍犹太物理学家派斯,被美国人称为“爱因斯坦专家”,他对相对论的了解肯定比BBC的记者之流高明万倍,他也认为量子理论是20 世纪物理科学“独一无二”的思维方式。
  说也凑巧,量子理论的最初起点,恰恰是在距今100年前,即在20世纪的第一年出世的。它现在已经活过了一个世纪,今年是它的百年“整寿”。
  现在且说,1900年12月14日,德国物理学家马克斯·普朗克在柏林的德国物理学会的聚会上宣读了一篇题为《关于正常光谱之能量分布定律》的论文,文中提出了他的量子概念或量子假说。因此,有人就把 12月14日这一天定为量子概念或整个量子理论的“诞辰”。
  当时普朗克研究的是一个相当专门的物理问题。要把这个问题尽可能深入浅出地讲清楚,就需要定义许多概念,介绍许多历史情况,那不是现 在这篇短文就能完成的任务。我们只能说,普朗克所说的“正常光谱之能量分布规律”,现在常称为“黑体辐射定律”,指的是能量按辐射频率的分布规律。
  在当时,人们通过巧妙的实验,相当准确地求出了表示这种能量分布的经验曲线。当时的任务是要通过理论的考虑来推出这种曲线的数学表达式。这本来是一个经典的物理任务,但是许多人的努力得到的都是很不成 功的结果。就是说,推导出的不同表达式都和实验曲线符合得不够好,甚至导致了“紫外灾难”之类的荒谬推论。这样,一时之间“黑体辐射”成了理论物理学家们的一道难题。
  在普朗克提出他的辐射理论以前,整个物理学理论都毫不含糊地属于“经典(宏观)理论”的范畴:它们研究的是所谓宏观物体:这种物体具有相当的“直观性”,就是说,它们全都看得见、摸得着,因此,它们的 运动多少有些“形象化”。另一方面,像原子那么小乃至更小的物体却不然。这些物体叫做“微观物体”,用倍数多高的显微镜也看不到它们,而即使能用显微镜看出来了,看到的也只是它们的“影子”。因此,微观物 体的运动规律从根本上说是抽象的,全无“形象”可言。这就给人们对它们的认识和描述带来了根本的困难。
  普朗克在他的黑体辐射理论中理性地开始了对微观世界的进军,通过他的量子假设而打响了20世纪物理学革命的第一枪。这种假说的详细内容和意义,解释起来也会扯得太远。简单地说,这假说认为,原子在发射 或吸收频率为ν的辐射时,不是想发射或吸收多少就发射或吸收多少,而是有一个固定的最小单位,这一最小的能量ε叫做“能量子”,它与辐射频率成正比,也就是说,ε=hν,比例常数h叫做“作用量子”或“普 朗克常数”。
  你会说,这有什么值得大惊小怪的。这不是很简单、很好懂吗?其实大大地不然。以吸收为例,“形象地说”,原子吸收辐射,可以说是原子“吃”辐射。它不是像喝牛奶那样地“吃”,而是像吃米饭那样地“吃”, 每一个饭粒就是食物的最小单位。你仍然觉得这还是很好懂,谁家吃饭不是“一口口地吃”?但是不然。原子吸收辐射和人吃饭到底不一样,因为一个原子每吞掉一个能量子就发生显著的状态改变,这真是“一口吃成胖 子了”。“量子汽车”示意图中的小汽车代表一个原子:停在A站表示它的一个状态,停在B站表示它的另一个状态。当原子吸收了一个能量子时,它就会从状态A“跃迁”到状态B,这种跃迁是一下子就完成了的,不经 过任何的中间状态。就是说,不经过A、B之间的任何一点就突然在A点消失而同时在B点出现。这就使人们“想不通”了,因为任何人都没有“见过”这样的事情!其实这并不奇怪,因为人们从来没有也不可能见过 微观物体的运动。这就是我们(追随着玻尔)所强调的微观现象的“非形象化特点”。尽管在逻辑上能够讲得通,这种非形象化特点还是使描述微观现象的量子理论带上了一种抽象的、难以“捉摸”的本性,以至于许多 很伟大的物理学家都常常对它若即若离!特别是,那些从内心深处排斥抽象思维的人们将永远不能真正掌握量子理论。
  当普朗克刚刚提出他的量子概念时,人们并没有立即意识到这一概念巨大的“革命性”,当时连德国物理学会的文摘刊物也只是顺便提到了它。只是到了后来,当这一概念被应用到越来越多的物理问题中时,它才在物 理学界和哲学界掀起了空前巨大的思维波涛。
  普朗克是一位老派的学者。他为人正直高尚、奉公守法、谦虚谨慎,从来不愿意炫耀自己。他自称没有特殊的天才,不能同时处理许多不同的问题。在学术工作中,他主张尽可能地谨慎,不到万不得已不愿意打破传 统的“框框”。他把自己的量子假说称为“孤注一掷”的办法。就是说,只是在实验事实的逼迫下,他才终于“上了梁山”。因此,人们常说他是一个“不情愿的革命者”。 
  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。
  当普朗克提出他的量子概念时,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”!
  那时普朗克已经成了德国和全世界众望所归的科学大师,许多德国学者都处于他的荫护之下。他本人和所有德国人一起经历了第一次世界大战,他的长子在战争中伤重身亡。然而,更大的不幸还在等着他。在后来的岁 月中,他受尽了纳粹政权的压迫和屈辱,他的次子也被纳粹匪帮杀害,他的住房在战争中被炸毁,藏书和文稿毁于一旦。然而这一切的苦难反而提高他的声望。直到今天,人们提到马克斯·普朗克这个名字,没有不肃然 起敬的!
  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,量子物理学毕竟早已掌握了群众,早已深入人心,早已成了在全世界大学中普遍教授的必修课。
  当回顾19世纪的历史发展时,有人曾经指出,从长久的文化影响来看,应该认为19世纪最重大的历史事件是法拉第-麦克斯韦电磁学的创立和发展。和这一事件相比,其他事件,例如美国的南北战争,都将显得 黯然失色而只有地区意义了(参看美国物理学家理查德·费曼的《物理学讲义》第二卷)。这是一种真正尊重科学、尊重历史的很有根据、很有见解的观点,是值得一切有头脑的人们认真考虑的。遵照这样的思路,我们 也要说,从对人类生活和思想多方面的深刻影响来看,量子物理学的兴起和发展肯定应被认为是20世纪最重要的历史事件,而其进行过程的激动人心和千变万化,甚至远远超过了19世纪电磁学的兴起和发展。量子概 念这一最初的星星之火后来形成了燎原之势,而“孤注一掷”地提出这一概念的,正是那位正直的、高尚的、慎重的、伟大的马克斯·普朗克!

 

2001年4月25日加入