导读人简介：管杰，东南大学物理学院教授，博士生导师，江苏省双创博士，东南大学仲英青年学者，主要从事纳米材料理论模拟研究。教学与科研工作之余热衷于物理学科普和阅读推广相关工作。

如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件，那么可以毫不夸张地说，这既不是两次世界大战，也不是联合国的成立，或者殖民主义的没落、人类探索太空等等，它应该被授予这一事件——量子力学及其相关理论的创立和发展。作为20世纪与相对论齐名的两大物理发现之一，量子论更加深入我们生活的每一个角落。它的出现彻底地改变了世界的面貌，它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。而量子力学作为本科阶段物理学科最重要的“四大力学”课程之一，由于其与经典物理学强烈冲突的世界观，也通常被认为是学起来难度最大、接受过程最为折磨人的课程。记得我本科时有位老师曾说过：“如果有同学第一次学习量子力学时就说他学懂了，那他一定是在瞎说。”时隔多年，直到我博士毕业走上工作岗位，对这句话依然印象深刻，每每想起都深以为然。

前两年在我进行“物理学史”这门课的备课工作过程中，寻找相关资料时偶然读到了这本《上帝掷骰子吗——量子物理史话》（后文简称《史话》）。当时就觉得甚为惊艳，连着几个晚上一口气读完，惊讶于原来科普可以写得这么精彩，原来量子物理可以解释得这么通俗生动。在喜悦于自己有幸读到这么一本好书的同时，又遗憾自己没能在更年轻的时候读它。阅读《史话》并不需要很深的专业背景，事实上作者曹天元假定它的读者只需要具有初中的数学水平和一点点高中物理知识。再加上此书偏向网络文学的语言风格，使其读起来更加轻松，可读性很强。即使你对数理完全不通，也一定能从此书中感受到那个科学大变革时代的风云变幻，以及身处其中的乱世英雄们的彷徨与坚定。正如作者在后记中所说，如果科学是一种产品，那么科普就好比是它的广告。广告的作用并不在于让人了解这个产品的技术细节，而只是激发人们对这个产品的购买兴趣。现在我们就从不同的角度来领略一下《史话》的精彩内容。读完此书，也许你会爱上物理学。

01

命运的安排

从书名中便很容易看出，《史话》写的是历史。对于量子论这样一个史上最颠覆三观和难以理解的理论，要想给非专业的读者解释明白着实不容易。而本书从历史的角度出发，在描述量子论如何在种种的迹象中慢慢露出真面目，如何在顷刻间掀翻屹立了几百年的经典物理大厦，以及如何在世人的质疑中坎坷地前进的同时，也让读者跟随着当年众多物理学家们的脚步逐步揭开量子物理神秘的面纱。

量子论发展的历史是极具戏剧性的，这在其诞生之初便可见一斑。在《史话》的开头，作者将他的故事从年的德国小城卡尔斯鲁厄讲起。当时，新婚不久的赫兹刚满30岁，在远离城市喧嚣的卡尔斯鲁厄大学实验室中成功地验证了电磁波的存在。他的成功标志着物理学的一个新高峰——电磁理论终于被建立起来。法拉第为它打下了地基，麦克斯韦建造了它的主体，而赫兹为这座大厦封了顶。古老的光学也终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面，而“光是电磁波的一种”的论断，也终于为争论已久的光本性问题下了一个似乎是不可推翻的定论。

在19世纪末，物理学征服了世界，它的力量控制着一切人们所知的现象。经典力学、经典电动力学和经典热力学（加上统计力学）形成了物理世界的三大支柱。它们彼此相符且互相包容，紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄伟的经典物理殿堂。人们开始倾向于认为：物理学已经终结，所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何真正激动人心的发现了。一位著名的科学家（据说就是伟大的开尔文勋爵）说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找。”这样的伟大时期在科学史上是空前的，或许也将是绝后的。然而，这个统一的强大帝国却注定只能昙花一现。喧嚣一时的繁盛，终究要像泡沫那样破灭凋零。

年的电磁波实验的意义远比当时的赫兹所以为的还要复杂而深远。因为他在观测电磁波的同时无意间发现了一个很奇怪的现象，那就是在光照下电极产生的电火花会明显更加强烈。被喜悦占据满心的赫兹当时并没有对此十分在意，在他关于电磁波实验的论文中也只是简单带过了这个发现。然而，后人进一步研究发现这是由于光照到金属表面会使得有电子逸出，也就是著名的光电效应。对光电效应现象的解释折磨了众多物理学家近30年，给光的波动学说带来了前所未有的困难，直到年爱因斯坦提出了光量子的假说。赫兹的实验彻底完成了电磁场论，为经典物理的繁荣添加了浓墨重彩的一笔；同时也埋藏下了促使经典物理自身毁灭的武器，孕育出革命的种子。

另一方面，年10月，基尔霍夫在柏林去世，赫兹的老师亥姆霍兹强烈地推荐他为该教授职位的继任者。可是淡泊名利的赫兹也许并不喜欢柏林的喧嚣，婉拒了这一邀请。他后来去了贝多芬的故乡波恩，不久之后病逝在那里。连赫兹自己都不知道，他已经亲手触摸到了“量子”这个还在沉睡的幽灵，虽然还没能将其唤醒，却已经给刚刚到达繁盛的电磁场论安排了一个可怕的诅咒。而顶替他去柏林任教的那个人，则会在一个命中注定的时刻把这个幽灵从沉睡中唤醒，他就是“量子之父”普朗克。也许量子的概念太过爆炸性，太过革命性，命运在冥冥中安排了它必须在新的世纪中才可以出现，把怀旧和经典留给了旧世纪。只是可惜赫兹走得太早，没能亲眼看到它的诞生，没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化。

由于赫兹的拒绝，幸运之神降临到普朗克的头上，他来到柏林大学，接替了基尔霍夫的职位，成为理论物理研究所的主任。正是在此期间，普朗克接触到了当时被称作“物理学晴朗天空中的一朵乌云”的黑体辐射问题。当时关于黑体辐射的能量与频率关系的实验与理论不符，普朗克在前人的公式基础上利用数学插值的方法得到了一个自己的公式。年，就在他把新公式公诸于众的当晚，普朗克的朋友鲁本斯就仔细比较了这个公式与实验的结果。让他又惊又喜的是，普朗克的公式大获全胜，在每一个波段里，这个公式给出的数据都十分精确地与实验值相符合。第二天，鲁本斯便把这个结果告知了普朗克本人，在这个彻底的成功面前，普朗克自己都不由得一愣。他没有想到，这个完全是侥幸拼凑出来的经验公式居然有着这样强大的威力。然而，它究竟代表了什么样的物理意义呢？他发现自己处在一个相当尴尬的位置，知其然而不知其所以然。普朗克当时做梦也没有想到，他的工作绝不仅仅是改变物理学的一些面貌而已。事实上，整个物理学和化学都将被彻底摧毁和重建，一个新的时代即将到来。

普朗克最终发现，要想他的公式成立，“必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”正是这个假定，推翻了自牛顿以来多年里，曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界。这个假定以及它所衍生出的意义，彻底改变了自古以来人们对世界最根本的认识。能量的释放是连续的，它总可以在某个时刻达到一定范围内任何可能的值。这个观念是如此直接地扎根于人们的内心深处，天经地义一般。这种连续性、平滑性的假设，是微积分的根本基础。牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，便建筑在这个地基之上，度过了百年的风雨。当物理遇到困难的时候，人们纵有怀疑的目光，也最多是盯着那巍巍大厦，追问它是不是在建筑结构上有问题，却从未丝毫怀疑过它脚下的土地是否坚实。而现在，普朗克的假设引发了一场大地震，物理学所赖以建立的根本基础开始动摇了。

02

绵延年的“波粒战争”

在叙述量子论诞生到发展的进程时，《史话》从人们熟悉的光的本性问题出发。针对人们关于光的大战，为读者描绘了一幅波澜壮阔、跨越千百年的历史画卷。光究竟是一种什么东西？古希腊人基于光的直线传播现象，倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，这便是早期的“微粒说”。而17世纪初，意大利的格里马第观察到了光的小孔衍射现象，第一次将光与波联系了起来，这就是早期的“波动说”。第一次“波粒战争”爆发于17世纪中期，其导火索为光的颜色问题的解释。波动说的主力军为罗伯特?胡克与惠更斯。他们认为光的颜色是由于波动频率不同导致的，惠更斯更是推导出了光的反射与折射定律。而他们的对手则是大名鼎鼎的牛顿。牛顿一开始便信奉“微粒说”，他认为光是不同颜色的微粒的混合。历史上牛顿和胡克的不合正是起源于关于光的争论。而当牛顿成为那个出版了《数学原理》的牛顿之后，他已经成为科学史上神话般的人物，本次交锋也毫无悬念地以“微粒说”的胜利而告终。

时过境迁，一个世纪过去后，英国天才物理学家托马斯?杨横空出世。年，杨出版的《自然哲学讲义》中，整理了他在光学方面的工作，并第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。正是这个如今出现在每一本中学物理教科书上的实验燃起了第二次“波粒战争”的硝烟。当时仍有很多著名物理学家相信牛顿的“微粒说”，其中包括马吕斯、拉普拉斯、泊松等。马吕斯发现的光的偏振现象给杨的理论带来了困难。然而很快，名不见经传的法国工程师菲涅耳用波动的理论圆满地解释了光的衍射问题。他还革命性地认为光是一种横波，这解决了一直以来困扰“波动说”的偏振问题，就此奠定了“波动说”的胜利。年，麦克斯韦完成了他开天辟地的电磁理论的系列论文，他的理论预言，光其实只是电磁波的一种。直到这个预言由赫兹在年用实验证实，光的“波动说”的统治地位再无人可撼动半分。

20世纪注定是个动荡的世纪，除了人类历史上的两次世界大战之外，普朗克的量子假说已经开始撼动屹立百年的经典物理大厦。而此时，赫兹当年种下的种子——光电效应——也终于破土而出。科学家们很快发现，麦克斯韦的理论无法解释光电效应实验中电子获得能量由光的频率决定的现象以及过程的瞬时性。然而麦克斯韦的方程组又是那样的优美，人们连一个字母都不愿意去动它，更遑论其错误。凑巧的是，那个时代刚好生活着科学史上最天才最大胆的传奇人物，他就是爱因斯坦。年，爱因斯坦大胆地从普朗克的量子假说出发，认为光也不是连续的，而是由一个个分立的“光量子”组成，从而在理论上完美地解释了光电效应现象。一时间，世界轰动，人们纷纷质疑爱因斯坦的大胆。美国人密立根想用实验来证实光量子图像是错误的，但讽刺的是，多次实验之后，他却反而证实了爱因斯坦方程的正确性。直到年康普顿研究X射线被电子散射的时候，发现光甚至满足粒子的动量守恒定律，至此，“微粒说”卷土重来，掀起了第三次“波粒战争”。

而来到量子时代的“波动说”也拿起了新的武器，法国贵族路易斯?德布罗意正是受了爱因斯坦的启发。他认为，既然光是一种粒子，为何粒子不能反过来是一种波呢？他在自己的博士论文中证明了电子也是一种波，并且给出了计算所有粒子所对应的波的波长公式。很快，实验物理学家就给出了证据。年，戴维逊和他的助手革末以及G.P.汤姆逊均发现了电子的衍射现象。“德布罗意波”的提出将第三次“波粒战争”推向了高潮。电子，乃至整个物质世界都被卷了进来。这场波粒战争，已经远远超出了光的范围，整个物理体系如今都陷于这个争论中，从而形成了一次名副其实的世界大战。

在此期间，量子的概念也在飞速地发展着。年，尼尔斯?玻尔提出了他的原子分立能级理论，认为电子在围绕原子核旋转的时候所处的轨道不是连续的，而是只能处于一些不连续的特定能量的轨道中。玻尔的原子模型成功地解释了困扰科学家们多年的原子分立光谱问题，正是电子在分立轨道之间跳跃所释放的能量产生了不连续的光谱。然而玻尔的理论却和麦克斯韦理论有着重大的冲突，根据电磁理论，旋转的电子会不断地辐射电磁波而损失能量，它不可能稳定在一个固定的轨道。玻尔理论没法解释，为什么电子有着离散的能级和量子化的行为，他只知其然而不知其所以然。玻尔在量子论和经典理论之间采取了折衷主义路线，这使得他的原子模型总是带着一种半新不旧的色彩，最终因为无法克服的困难而崩溃。

在量子论发展的瓶颈时期扮演救世主角色的是玻尔的学生沃尔纳?海森堡。他认为物理学所研究的对象应该只是能够被观察到的事物，而玻尔理论的问题正是出在了这里。电子的轨道是人们想象出来的图像，根本没有办法观测到，而只有可以被观测到的物理量才有资格进入物理学。而实验中原子光谱所能测量的只是电子跃迁时产生的“能级差”。年，海森堡以能级差为基础，将电子的能量重新定义为一张由不同能级差组成的表格，据此创立了他的“矩阵力学”。另一边，埃尔文?薛定谔从波的角度出发，将电子看成德布罗意波，写出了名震20世纪物理史的薛定谔波动方程。年，薛定谔发表的系列论文建立了另一种全新的“波动力学”。尽管年保罗?狄拉克出版的那本经典量子力学教材中，两种力学被完美地统一成为量子论的不同表达形式。两大力学创始人之间的分歧却越来越大，数学上的一致并不能阻止人们对它进行不同的诠释。就矩阵方面来说，它的本意是粒子性和不连续性。而波动方面却始终在谈论波动性和连续性。“波粒战争”到达了最高潮，双方分别找到了各自可以依赖的政府，并把这场战争再次升级到对整个物理规律的解释这一层面上去。

是粒子还是波，硝烟弥漫了年，正当双方僵持不下的时候，还是玻尔站了出来。玻尔认为电子可以展现出粒子的一面，也可以展现出波的一面，这完全取决于我们如何去观察它。如果采用光电效应的观察方式，那么它无疑是个粒子；要是用双缝来观察，那么它无疑是个波。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被纳入一个整体概念中。这就是玻尔的“互补原理”，它连同波恩的概率解释、海森堡的不确定性，三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心，至今仍然深刻地影响我们对于整个宇宙的终极认识。第三次“波粒战争”便以这样一种戏剧化的方式收场。而量子世界的这种奇妙结合，就是大名鼎鼎的“波粒二象性”。

03

结语

量子论太过奇特，太令常人困惑，近百年来，没有一天它不受到来自各方面的质疑、指责甚至攻击。当然，也有一些别的解释被纷纷提出，这里面包括隐变量理论、多宇宙解释、系综解释、自发定域、退相干历史等等。《史话》的后半部分逐一地讨论了这些理论，但是公平地说，至今没有一个理论能取代“哥本哈根解释”的地位，也没有人能证明“哥本哈根解释”实际上“错了”。正是这些激烈的思想冲击和观念碰撞使得一部量子史话如此波澜壮阔，激动人心，也使得量子论本身更加显示出不朽的光辉来。量子论不像牛顿力学或者爱因斯坦相对论，它身上没有天才的个人标签，相反，整整一代精英共同促成了它的光荣。

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限于篇幅较长，本文第三章“颠覆认知的“结局””，以及精彩片段摘录等内容请查看附件。

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来源：东南大学图书馆