科學(xué)外史II（30）

經(jīng)典物理學(xué)到19世紀(jì)末已經(jīng)集其大成，有的物理學(xué)家甚至感嘆自己將要沒什么事情可干了。然而剛一進(jìn)入20世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)這個(gè)貴族之家，就出了一個(gè)名叫“量子力學(xué)”的逆子，才二十幾年功夫就將經(jīng)典物理學(xué)搞得家煩宅亂。在這個(gè)過程中，一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的法國貴族起了關(guān)鍵作用。

經(jīng)典物理學(xué)家族的逆子

有一種說法認(rèn)為，量子力學(xué)誕生于1900年12月17日——德國物理學(xué)家普朗克（Max Planck）在柏林科學(xué)院物理學(xué)會(huì)做了一次關(guān)于熱輻射理論的報(bào)告，這天后來就被人們視為量子力學(xué)的誕辰。

普朗克提出，在熱輻射中，能量不是像人們慣常想象的那樣以連續(xù)的形態(tài)輸出，而是以一小包一小包的形態(tài)輸出。這一小包一小包的能量被稱為“能量子”，通常由“普朗克常數(shù)”來表征。“量子”的概念由此誕生——經(jīng)典物理學(xué)世界中的連續(xù)性被破壞了。

不過當(dāng)時(shí)科學(xué)界對普朗克的報(bào)告反應(yīng)并不熱烈，畢竟人們（包括普朗克本人）還完全無法想象量子力學(xué)會(huì)弄出多大麻煩。但這個(gè)逆子長到五歲那年，又出了一件和量子力學(xué)有關(guān)的大事。

這年是1905年，還有一個(gè)響亮的名字——“愛因斯坦奇跡年”。在這一年，專利局小職員愛因斯坦一下發(fā)表了五篇物理學(xué)論文，狹義相對論就是在這年創(chuàng)立的。愛因斯坦沒有因?yàn)橄鄬φ摱@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但以“光電效應(yīng)”給了他一個(gè)獎(jiǎng)（1921年），“光電效應(yīng)”是他1905年另一篇論文的主題。

愛因斯坦提出了“光量子”的概念，他認(rèn)為光無非就是一束“能量子”形成的流，而同一波長的所有量子都攜帶著同樣的能量。這些“光量子”后來就得名“光子”。這種觀念和普朗克的“量子”異曲同工，又一次破壞了經(jīng)典物理學(xué)世界的和諧安寧——其實(shí)光的微粒說之前就有了，但麥克斯韋（J. C. Maxwell）的電磁理論將光視為一種波，并且在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了完美的證明（理論物理“四大力學(xué)”中的“電動(dòng)力學(xué)”就包括電磁波的系統(tǒng)理論），微粒說已被放棄許久了。而現(xiàn)在完美的電磁理論竟然無法解釋光電效應(yīng)。

愛因斯坦因此主張用“光的波粒二象性”來解釋光電效應(yīng)，光的微粒說再次復(fù)活，光的本質(zhì)再次成為未解之謎。物理學(xué)家們?yōu)楣馐橇Ｗ舆€是波，以及如何理解光的本質(zhì)，喋喋不休爭論了20年，沒想到在1924年，他們迎來了量子力學(xué)的成人禮。

這年英國《哲學(xué)雜志》9月號(hào)上，發(fā)表了法國人德布羅意（L. V. De Broglie）的一篇文章，德布羅意提出了“物質(zhì)波”的概念。這個(gè)概念是如此的石破天驚，如此的難以理解，所以有時(shí)候人們索性就稱之為“德布羅意波”。

所謂“物質(zhì)波”，簡單粗暴地說就是“世間萬物只要運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生波”，它有一個(gè)十分簡單的關(guān)系：當(dāng)物體靜止時(shí)，波長就變成無窮大，而無窮大的波長當(dāng)然意味著波的消失。

按照德布羅意的想法，物質(zhì)波就好比一個(gè)粒子在沖浪——粒子坐在波上隨波奔馳，而波是粒子自身產(chǎn)生出來的。換句話說，就是“粒子騎在自己的波上”，這真是一種難以理解的滑稽而怪誕的意象，被一些人戲稱為“半人半馬的怪物”，但用來說明“光的波粒二象性”倒似乎又言之成理。

現(xiàn)實(shí)生活中的法國貴族

德布羅意出身法國貴族，布羅意公爵的貴族身份至少可以上溯到1740年，傳到他已經(jīng)是第七代。這個(gè)家族還被奧地利授予“親王”頭銜，因此德布羅意在1960年承襲了公爵和親王兩個(gè)貴族頭銜。他1987年逝世于巴黎，享年95歲。

德布羅意大學(xué)念的是索邦神學(xué)院（今巴黎大學(xué)前身），本來學(xué)的是歷史，但后來受其兄影響，改念物理。在一些傳記作者筆下，德布羅意“留著精心修剪過的小胡子，一副無精打采的樣子”，服飾講究，“身上每一絲每一毫都是純正的法國貴族范兒”。

1923年德布羅意發(fā)表了3篇關(guān)于光量子的論文，1924年他將關(guān)于物質(zhì)波理論的物理學(xué)論文提交索邦神學(xué)院，答辯委員們不知道該怎么辦，但“他們都不想讓一個(gè)社會(huì)地位這么高的人失望”，所以就讓他通過了。德布羅意的答辯委員會(huì)主席是著名物理學(xué)家朗之萬（Paul Langevin）——他的另一個(gè)著名身份是居里夫人（Marie Curie）的婚外情人。比較嚴(yán)肅的看法是，德布羅意之所以能夠通過答辯，是朗之萬對他論文的賞識(shí)起了重要作用。

出人意料的是，沒過幾年德布羅意居然就得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1929年）。相傳他得諾獎(jiǎng)的論文只有半頁長，記得1980年筆者在南京大學(xué)念天體物理專業(yè)，有一次量子力學(xué)課測驗(yàn)中，一道難題全班無人答對，事后教授告訴大家：這道題是根據(jù)德布羅意得諾獎(jiǎng)的論文改造的，“你們要是能答對就怪了”，聽教授這么一說，班上那些尖子同學(xué)才釋然了。更有趣的是瑞典皇家科學(xué)院給德布羅意的頒獎(jiǎng)詞：

在沒有任何已知事實(shí)佐證的情況下，您大膽斷言，物質(zhì)不僅具有粒子性，也有波動(dòng)性。后來的實(shí)驗(yàn)證明，您的看法是正確的。您給一個(gè)戴上榮耀桂冠好幾個(gè)世紀(jì)的名字帶來了新的榮耀。

經(jīng)典物理學(xué)的黃昏

對經(jīng)典物理學(xué)來說，德布羅意波概念的出現(xiàn)就是一場浩劫。因?yàn)槲锢韺W(xué)家們發(fā)現(xiàn)：構(gòu)成現(xiàn)代量子力學(xué)基礎(chǔ)德布羅意波是一種“幾率波”，這種波以幾率——而不是經(jīng)典物理學(xué)所習(xí)慣的準(zhǔn)確形式——決定著粒子（比如電子）的運(yùn)動(dòng)。所以幾率波（即德布羅意所主張的物質(zhì)波）實(shí)際上斷然否定了經(jīng)典物理學(xué)中的確定性。

1927年夏天，在布魯塞爾的世界物理學(xué)家大會(huì)上，據(jù)說德布羅意的學(xué)說“遭到了全體一致的否定”（然而這又并不妨礙他在兩年后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)），引領(lǐng)風(fēng)騷的人物換上了兩位德國青年物理學(xué)家，海森堡（Werner Heisenberg）和薛定諤（Erwin Schrodinger），有人認(rèn)為這兩人決定了此后量子力學(xué)的發(fā)展方向。

海森堡最出名的當(dāng)然就是“測不準(zhǔn)原理”，這個(gè)原理也有一個(gè)相當(dāng)簡潔的關(guān)系式，和德布羅意波的表達(dá)式有著明顯的血緣關(guān)系：

粒子位置的測不準(zhǔn)量，和粒子速度的測不準(zhǔn)量，這兩個(gè)量中的任何一個(gè)為0時(shí)，另一個(gè)必為無窮大。換句話說，當(dāng)我們能夠準(zhǔn)確確定粒子的位置時(shí)，粒子的速度必為無窮大，而無窮大的速度意味著粒子的速度完全無法確定；當(dāng)我們能夠準(zhǔn)確確定粒子的速度時(shí)，粒子位置的測不準(zhǔn)量變成無窮大，這意味著我們完全無法知道粒子此刻位于何處。

至于“薛定諤的貓”，其實(shí)只是文學(xué)性的修辭或比喻，雖然在文人作品中常被提起，其實(shí)嚴(yán)肅的物理學(xué)家基本上不談?wù)撨@只貓。

量子力學(xué)此后的各種進(jìn)展，總體上已無關(guān)緊要。測不準(zhǔn)原理和薛定諤的貓，其實(shí)做了同一件事——和德布羅意一起徹底摧毀了經(jīng)典物理學(xué)世界的確定性。從今以后，已經(jīng)沒有任何圓滿的方法，可以用時(shí)間和空間、原因與結(jié)果這樣傳統(tǒng)的觀念來描述微觀世界的事件了。

（作者系上海交通大學(xué)講席教授、科學(xué)史與科學(xué)文化研究院首任院長）