量子大戲，如雷名角

從南開大學(xué)生物學(xué)系畢業(yè)后，我分配至北京林業(yè)大學(xué)任教，閑暇時(shí)刻，我會(huì)搜羅各種書籍來閱讀，以填充自己的知識(shí)量，這是我堅(jiān)持多年愛好。

大約三年前，我在瀏覽網(wǎng)頁時(shí)，一本叫《上帝擲骰子嗎：量子力學(xué)史話》，不只書名引起了我的興趣，量子力學(xué)發(fā)展的本身就極具傳奇色彩。再一查看內(nèi)容簡介，還蠻有意思的：物理學(xué)史最偉大時(shí)代莫過于17世紀(jì)末以牛頓為代表的近代經(jīng)典力學(xué)正式創(chuàng)立和20世紀(jì)初以愛因斯坦為代表的量子理論創(chuàng)立這兩個(gè)時(shí)期，后者是對(duì)前者的反動(dòng)，重建了整個(gè)物理學(xué)體系。這個(gè)過程是物理學(xué)史上如史詩般的壯麗篇章，跌宕起伏，波瀾壯闊，物理學(xué)體系在狂風(fēng)暴雨下轟然坍塌，卻又在熊熊烈焰中涅槃重生。

無法名狀的厚重感

網(wǎng)友認(rèn)為這本書用日常語言講明白了量子物理的發(fā)展過程、各個(gè)學(xué)派的主要觀點(diǎn)。雖說數(shù)學(xué)才是唯一能準(zhǔn)確描述物理規(guī)律的，但對(duì)非專業(yè)人員來說，能夠借助日常語言大致了解這個(gè)奇妙的世界，真是挺慶幸的。比如薛定諤的貓，這個(gè)著名的例子看過很多介紹都沒明白，看了這書終于是“懂”了。

非物理專業(yè)的不少學(xué)者在閱讀這本書后，也給了不錯(cuò)的的評(píng)價(jià)。例如，用時(shí)尚的網(wǎng)絡(luò)語言兼武俠小說的寫法，帶領(lǐng)讀者進(jìn)入神奇的量子世界，進(jìn)行量子之旅的探險(xiǎn)：上溯牛頓經(jīng)典力學(xué)、麥克斯韋電磁理論，直至量子電動(dòng)力學(xué)、量子色動(dòng)力學(xué)和量子引力理論之超弦理論，跨越時(shí)空，展現(xiàn)了一幅幅量子物理恢宏精彩的歷史畫卷；量子世界像骰子一樣難以預(yù)測(cè)，迄今還沒有誰敢說真正理解了它，任何科學(xué)探險(xiǎn)都不如量子之旅驚險(xiǎn)和神奇；一本罕見的、精彩的、由非科學(xué)家談?wù)摽茖W(xué)的作品。科學(xué)對(duì)于公眾來說，經(jīng)過努力也是可以親近的；這部很特別的量子物理學(xué)史話，可謂獻(xiàn)給國際物理年不可多得的禮物。它比起各地許多紀(jì)念性的儀式化的表演，要實(shí)在的多……此書功德無量等等。

于是毫不猶豫地下單，坐等快遞上門。三天后收到這本書，便愛不釋手地翻看起來。當(dāng)這本書在我面前緩緩合上時(shí)，心里多了些無法名狀的厚重感。這本書以時(shí)間為軸，從赫茲電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)開始拉開了序幕，經(jīng)典物理學(xué)大廈轟然倒塌，量子學(xué)說橫空出世，普朗克的量子假設(shè)點(diǎn)燃了新革命的星星之火，愛因斯坦的光量子理論又賦予了它充實(shí)的力量，玻爾的原子理論則借助它開創(chuàng)出一片嶄新的天地，愛因斯坦、玻爾、盧瑟福、德布羅意、玻色、海森堡、玻恩、狄拉克、薛定諤、朗之萬、泡利……一個(gè)個(gè)如雷貫耳的名字不時(shí)出現(xiàn)在讀者面前，圍繞微粒說與波動(dòng)說爭論不止，卻又殊途同歸，演繹了一出精彩絕倫的大戲，把物理學(xué)革命推向了一個(gè)又一個(gè)的高潮。直至今天，物理學(xué)的大一統(tǒng)理論似乎伸手可及，卻又亂花迷眼。

來自“失敗”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新

在平時(shí)的教學(xué)中，我也會(huì)經(jīng)常建議同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)每一門課程前和總結(jié)復(fù)習(xí)前認(rèn)真讀一下緒論，同時(shí)多讀一些科學(xué)史方面的文章。通過緒論可以全面了解課程的內(nèi)容，梳理知識(shí)點(diǎn)，串聯(lián)成系統(tǒng)的知識(shí)體系；通過閱讀科學(xué)史可以了解一門學(xué)科的發(fā)現(xiàn)與發(fā)明過程，通過追隨前人的腳步，開拓自己創(chuàng)新思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。《上帝擲骰子嗎：量子力學(xué)史話》就是一本很好的以史為基礎(chǔ)的開闊思路的科普讀物，許多故事給我們帶了很多的思考，這兒摘取一個(gè)片段與同學(xué)們共享。

量子力學(xué)的誕生和發(fā)展是近代物理學(xué)的標(biāo)志性成果，伴隨著許多重大創(chuàng)新。縱觀這些創(chuàng)新過程，盡管花樣繁多，但至少有兩點(diǎn)是共通的，一是對(duì)已有知識(shí)的融會(huì)貫通，二是對(duì)已有知識(shí)的批判與反動(dòng)。已有知識(shí)是前人智慧的結(jié)晶，學(xué)習(xí)掌握已有知識(shí)是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，然而，許多偉大的創(chuàng)新卻來自“失敗”的實(shí)驗(yàn)，這些“失敗”的實(shí)驗(yàn)帶來了科學(xué)的革命。

在量子力學(xué)的發(fā)展史上，最為著名的莫過于邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)本意是探測(cè)以太對(duì)于地球的漂移速度，在人們當(dāng)時(shí)的觀念里，以太代表了一個(gè)絕對(duì)靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運(yùn)動(dòng)，以太風(fēng)會(huì)對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)帶來影響，即地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時(shí)，它也必須對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。如果存在以太，則當(dāng)?shù)厍虼┻^以太繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，在地球通過以太運(yùn)動(dòng)的方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）應(yīng)該大于在與運(yùn)動(dòng)垂直方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們不對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）。然而多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果無情地宣示，以太對(duì)穿越其中的光線不存在任何影響。這個(gè)結(jié)果是如此地令人震驚，以至于它的實(shí)驗(yàn)者在相當(dāng)長的時(shí)間里都不敢相信自己結(jié)果的正確性，但正是這個(gè)否定的證據(jù)最終導(dǎo)致了相對(duì)論的誕生。

洛侖茲提出了著名的洛侖茲變換，用于解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。通過以太的運(yùn)動(dòng)物體，縱向線度發(fā)生收縮（平行運(yùn)動(dòng)方向），其收縮的比例恰好使以太流的影響被抵消。收縮長度與原來長度之間的關(guān)系具有形式。這一假說稱為收縮假說。根據(jù)這個(gè)假說，觀察者相對(duì)于以太以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，長度在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮，抵消了不同方向上由于以太所造成的光速差異，這樣洛侖茲就在不拋棄以太概念的前提下解釋了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

愛因斯坦在拋棄以太、以光速不變?cè)砘A(chǔ)上建立了狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論認(rèn)為空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體。在狹義相對(duì)論中，整個(gè)時(shí)空仍然是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的。結(jié)合狹義相對(duì)性原理和上述時(shí)空的性質(zhì)，也可以推導(dǎo)出洛侖茲變換。

科學(xué)史上另一個(gè)著名的“失敗”實(shí)驗(yàn)是放射性的發(fā)現(xiàn)，更確切地說是“意外”。實(shí)驗(yàn)者是貝克勒爾（Antoine Henri Becquerel），當(dāng)時(shí)X射線剛發(fā)現(xiàn)不久，有人認(rèn)為太陽照射熒光物質(zhì)能夠產(chǎn)生X射線，于是貝克勒爾拿兩張厚黑紙，把感光底片包起來放在太陽底下曬一天，也不會(huì)使底片感光。然后，他把鈾鹽放在黑紙包好的底片上，又讓太陽曬幾小時(shí)，就大不一樣，底片顯示了黑影。為了證實(shí)是射線在起作用，他特意在黑紙包和鈾鹽間夾一層玻璃，再放到太陽下曬。如果是由于某種化學(xué)作用或熱效應(yīng)，隔一層玻璃就應(yīng)該排除，可是仍然出現(xiàn)了黑影。

于是貝克勒爾在法國科學(xué)院的例會(huì)上報(bào)告了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，肯定了陽光照射熒光物質(zhì)的確能產(chǎn)生X射線。但是正當(dāng)他準(zhǔn)備進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外發(fā)生了，烏云一連幾天遮蔽了太陽，貝克勒爾只好把所有器材包括包好的底片和鈾鹽都擱在同一抽屜里，到了第五天貝克勒爾忍不住了，他把底片沖洗出來，鈾鹽曾受了一點(diǎn)微光照射，應(yīng)該能夠在底片上留下一些模糊的痕跡。

然而結(jié)果出乎意料，底片曝光得非常徹底，他仔細(xì)檢查了現(xiàn)場(chǎng)，肯定這些黑影是鈾鹽作用的結(jié)果。貝克勒爾面對(duì)這一突如其來的現(xiàn)象，很快就領(lǐng)悟到，必須放棄原來的假設(shè)，這種射線跟熒光沒有直接關(guān)系，它和熒光不一樣，不需要外來光激發(fā)。他繼續(xù)試驗(yàn)，終于確證這是鈾元素自身發(fā)出的一種射線，放射性現(xiàn)象就此發(fā)現(xiàn)。

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力，人類社會(huì)發(fā)展的歷史，就是一部創(chuàng)新的歷史，創(chuàng)新的核心是創(chuàng)新思維，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)中應(yīng)當(dāng)有意識(shí)地訓(xùn)練自己的創(chuàng)新思維，既要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又要有對(duì)非同尋常事務(wù)敏銳的觀察力，既要繼承前人的知識(shí)，又要敢于質(zhì)疑權(quán)威，打破思維定勢(shì)、思維慣性和思維封閉，走出一條創(chuàng)新的路來，風(fēng)雨過后方見彩虹。

責(zé)任編輯：陳曉麗