騷亂中的世界第三重:量子力學(xué)

■ 嚴(yán)小平

量子引力的標(biāo)準(zhǔn)模型

蒸汽機(jī)是工業(yè)革命的二個驅(qū)動器之一。1650年，德國發(fā)明家（也是馬格德堡市長）奧托·馮·格里克（1602—1686）為了研究真空的特性，建造了一個真空泵。這個真空泵由二個（半球形）銅球和一個活塞組成。他證明了一旦活塞把銅球里面的空氣排出，8匹拉啤酒四輪馬車的剽悍大馬也無法將二個銅制的半球拉開。

羅伯特·波義耳和羅伯特·胡克聽說了格里克的工作，并發(fā)展出更加復(fù)雜的真空泵。波義耳提出了波義耳定律，說明大量理想氣體的體積與它的壓力是成反比的。1679年，丹尼斯·帕賓建造了一臺叫做骨骼蒸煮器或蒸汽蒸煮器的機(jī)器，利用蒸汽壓力把牛骨分解成骨粉做動物飼料。這不僅是現(xiàn)代壓力鍋的源頭，而且也導(dǎo)致蒸汽機(jī)的發(fā)明。

1679年，托馬斯·薩弗里（1650—1715）在格里克、帕賓和其他人想法的基礎(chǔ)上，建造了世界上第一臺工作蒸汽機(jī)。

薩弗里的蒸汽機(jī)沒有活塞，而是采用冷熱水交替的方式在一個小室里制造真空。這種蒸汽機(jī)的效率非常低下，但卻是新的工業(yè)時代的第一聲炮響。薩弗里還創(chuàng)造了一個術(shù)語“馬力”，來突顯這種蒸汽機(jī)的功率。

1712年，一位名叫托馬斯·紐克曼的英國五金商發(fā)明了第一臺活塞驅(qū)動的蒸汽機(jī)。它不通過冷熱交替來創(chuàng)造真空，而是拉動一個活塞，活塞末端在引擎外面的一個支點上旋轉(zhuǎn)，以便凈運(yùn)動的循環(huán)。

蘇格蘭工程師和發(fā)明家詹姆斯·瓦特（1736—1819）是發(fā)明家領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者之一。在他的創(chuàng)新中，為了保持多個活塞平穩(wěn)地往復(fù)運(yùn)動，還應(yīng)用了巨大的飛輪。

1824年，物理學(xué)家、軍事工程師尼古拉斯·萊奧納德·薩迪·卡諾（1796—1832）撰寫了一部熱力發(fā)動機(jī)系統(tǒng)論，名為《卡諾定理》，使他成為熱力學(xué)之父，并成為熱力學(xué)第二定律的先驅(qū)。卡諾的著作把理論科學(xué)融入工程學(xué)——熱力發(fā)動機(jī)，以一種實用性的方式推動了工業(yè)的發(fā)展。他是系統(tǒng)闡述能量守恒定律的先驅(qū)之一。

在格拉哥斯大學(xué)工作的愛爾蘭裔英國物理學(xué)家威廉·湯姆森（1824—1907），把嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型引入電力的研究，奠定了熱力學(xué)的基礎(chǔ)，并由此榮獲開爾文男爵頭銜。美國發(fā)明家奧蒂斯·塔夫茨（1804—1869）發(fā)明了蒸汽驅(qū)動的打樁機(jī)。美國發(fā)明家威廉·奧蒂茨（1813—1839）發(fā)明了蒸汽驅(qū)動的蒸汽挖掘機(jī)，他去世的那年被授予專利權(quán)。

理論方面也取得了重大進(jìn)展。1870年，奧地利物理學(xué)家路德維格·波爾茲曼（1844—1906）為熱力學(xué)開發(fā)了一種統(tǒng)計理論。

麥克斯韋開發(fā)了一套方程式，將到那時為止已知電動力學(xué)所有知識統(tǒng)一起來，他的著作被描述為“自牛頓以來物理學(xué)最偉大的統(tǒng)一”。麥克斯韋的許多貢獻(xiàn)包含了氣體動理學(xué)理論的基礎(chǔ)工作，他是愛因斯坦把隨機(jī)布朗運(yùn)動歸因于原子運(yùn)動的又一個先驅(qū)。他拒絕了牛頓氣體分子中靜電排斥的觀點，認(rèn)為氣體中的壓力是由于其中以不同速度運(yùn)動的分子碰撞所致。并且，他還吸收了波爾茲曼的統(tǒng)計理論。

人們正逐漸認(rèn)識到，對分子熱力學(xué)的這些研究，很重要的是一套變量，包括溫度、壓力和體積。現(xiàn)在，在更加統(tǒng)一的理論中，許多科學(xué)家的工作正在正式化。

結(jié)果是黑體理論的發(fā)展。其他的發(fā)展包括熵理論或熱寂（假說中認(rèn)為由于熱平衡狀態(tài)而導(dǎo)致宇宙死亡）。所謂黑體是指溫度、壓力和其他因素都處于總體平衡的一種理想的能量系統(tǒng)。就實際而言，自然中不可能發(fā)生這種情況，因此，黑體狀態(tài)是一種理想狀態(tài)。

1900年，許多現(xiàn)代量子論研究者尊崇的德國物理學(xué)家馬克思·普朗克（1858—1947），正嘗試為德國電氣集團(tuán)解決涉及電燈泡的一系列問題。隨著電力的商業(yè)化，并且從更有效的能源獲取了更高的能量，從而出現(xiàn)了將熱發(fā)射原理標(biāo)準(zhǔn)化的需求。

普朗克一登臺，就面臨經(jīng)典力學(xué)的一個深層次問題。波動的特性之一是，它們依靠波長以一套特殊頻率振動。這適用于豎琴弦、鋼琴弦和電磁波。這些能量大多存在于較小的波形或波長（較高的頻率）中，理論上是無限的。事實上，在經(jīng)典的電磁學(xué)里，這些波形的能量是頻率的平方。也就是說，按電磁波譜排列，頻率越高，能量越高且趨于無限，術(shù)語叫做“紫外線災(zāi)難”。普朗克和愛因斯坦都不相信這是電磁波譜的真正特性。1900年，普朗克提出了一個定律，把能量和頻率在理想狀態(tài)下聯(lián)系在一起，來描述它們在所有實際狀態(tài)下的性質(zhì)。

根據(jù)普朗克定律，當(dāng)黑體（理想體，平均狀態(tài)）的頻率上升，那么，能量開始輸出。從主觀上說，這是用顏色輻射的術(shù)語描述的，從480℃模糊微紅光暈、730℃橘紅、930℃橙黃、1100℃暗黃橙、1300℃黃白，直到1400℃以上白色，在光的可見范圍（380納米～751納米波長）內(nèi)。

當(dāng)溫度很靠近絕對零度時，原子可以形成玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)

這對于我們討論的意義是，普朗克界定了量子的一套能級。量子是拉丁語名詞，意為“多少”或“某種程度”。愛因斯坦與這個結(jié)果有著密切聯(lián)系，所以，能量與頻率的關(guān)系可稱為普朗克關(guān)系或普朗克—愛因斯坦方程式。約瑟夫·約翰·湯普森1895年的實驗，讓電流穿過真空，不僅證實電是顆粒，證明了電子的存在，還開啟了亞原子科學(xué)的大門。

量子力學(xué)描述了宇宙中能量（和物質(zhì)）的性質(zhì)。首先，它把原子的結(jié)構(gòu)描述為具有固定的（量子）軌道（后來被視為殼或外套），軌道中電子從最靠近核子開始的有效能呈現(xiàn)能級。

量子力學(xué)給大多數(shù)粒子以波動和固體的性質(zhì)，這樣，就解決了長期以來存在的意見分歧。到19世紀(jì)中葉，量子力學(xué)認(rèn)為電以流體開始而以粒子（電子）結(jié)束，但光則以粒子（微粒）開始而以波動結(jié)束。

普朗克和愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)固化了以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的原子科學(xué)，而這些又開始在外太空的觀測中發(fā)揮作用。

丹麥物理學(xué)家尼爾斯·波爾（1885—1962）根據(jù)量子力學(xué)從根本上給原子結(jié)構(gòu)下了定義，并于1922年獲得諾貝爾獎。波爾提出了一個原子的觀點，認(rèn)為原子有一點像一個微小的太陽系，只不過是在量子條件下。他把原子描述為以量子能級運(yùn)行的有軌道的電子，換句話說，原子是不連續(xù)的、有軌道的、可預(yù)言的能級。波爾預(yù)言，一個電子跳到更高的能級會獲得能量；而掉到較低的能級則會丟失能量。獲得或丟失能量的數(shù)量則根據(jù)與普朗克常數(shù)有關(guān)的函數(shù)而定。

這最終導(dǎo)致今天的認(rèn)識：從氫原子的一個電子的軌道開始，由中心向外，一個接一個，全是電子的軌道。在接下來的數(shù)十年內(nèi)，這些觀點雖將繼續(xù)被其他人改進(jìn)，但卻奠定了原子科學(xué)的基礎(chǔ)。這使得波爾在第二次世界大戰(zhàn)中，能與他同輩的科學(xué)家合作，從事“曼哈頓”計劃。1945年末期，原子科學(xué)呈現(xiàn)出最實在的和可能的恐怖方式。當(dāng)日本的廣島和長崎在數(shù)秒之內(nèi)化為灰燼的時候，這個世俗的世界獲得了最大的切實證據(jù)。這些看似故弄玄虛的學(xué)術(shù)知識，不只是有堅實的基礎(chǔ)，實際上——它就是現(xiàn)實。

四大元素（土、火、水和風(fēng)）的古老理論在分子（17世紀(jì)發(fā)明的術(shù)語，意為“一個小障礙”）的概念中模糊而實在地幸存下來。分子代替了在物質(zhì)世界中作為原料的基本描述符號的元素。分子是融合“原料”的單位，可以由若干相同原子組成，也可以由不同原子的混合物組成。一個氫分子由一個或多個氫原子組成，這是帶一個質(zhì)子和一個電子的基本原子，可見宇宙的80%是由基本原子組成的。另一方面，一個水分子，則由二個氫原子結(jié)合一個氧原子（H2O）組成。人們一度認(rèn)為，所有這些“原料”都僅僅是由四種元素（土、火、水和風(fēng)）的不同組合形成的。到20世紀(jì)初，人們懂得了宇宙中的一切“原料”都是由92種自然存在的原子構(gòu)成的，如元素周期表和它們的同位素（中子加入核子以增加原子量）所述。至此，術(shù)語“元素”被拿下這個階梯，與“原子”同義。1895年，約瑟夫·約翰·湯普森發(fā)現(xiàn)了第一個已知的亞原子粒子——電子。現(xiàn)在，全世界對此趨之若騖，正在制造有史以來人類設(shè)計的最恐怖的武器——核彈。