【史海回眸】誕生百年，“叛逆”理論在爭議中改變世界

【環球時報綜合報道】*編者的話：*近日，2025年諾貝爾物理學獎被授予在美國進行科研工作的量子物理學家約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷特和約翰·M·馬丁尼斯，以表彰他們在宏觀量子力學領域的發現。今年是量子力學誕生百年，1900年，德國物理學家普朗克提出量子理論，在爭議中為量子力學打下基礎。1925年量子力學初步形成，然而，量子力學的“反常識”顛覆了人類對世界的傳統認知，曾被愛因斯坦等科學家質疑。1947年科學家通過對量子力學的應用，製造出二極管、晶體管，人類從“電氣時代”邁入“信息時代”。誕生百年來，量子力學這一“叛逆”理論在爭議中逐漸改變世界。

一朵“烏雲”帶來變革：1900年普朗克提出“量子理論”

19世紀末，很多物理學家認為，當時的經典物理學已經“非常完美”。英國物理學家威廉·湯姆森1900年在英國皇家學會上演講稱，“物理大廈已經落成，留給未來物理學家的只有一些修飾工作。”不過，湯姆森在演講中提到，物理學理論中還存在兩朵“烏雲”——也就是當時用經典物理學理論無法解釋的兩個“小問題”，一朵“烏雲”是涉及光速的以太漂移實驗，另一朵則涉及黑體輻射實驗。湯姆森沒有想到，這兩朵“烏雲”背後是規模空前的物理學大革命，“量子力學”就因黑體輻射實驗這朵“烏雲”而誕生。

經典物理學與黑體輻射實驗“不適配”

黑體輻射實驗聽起來很神秘，但它卻與當時的工業發展密不可分。人們早就在工程實踐中認識到，物體發熱時發出的光線顏色是其温度的“天然指示器”——隨着温度增加，物體發出的光也會發生變化，紅色逐步向橙色、黃色、白色轉變，“白熱化”這個詞就很能説明顏色和温度的關係。但在19世紀蓬勃發展的鋼鐵工業中，通過肉眼觀察爐温的傳統方法已經有些不夠精確——出爐的鋼材質量不夠優良、廢品率偏高，只有建立起“顏色”與“温度”的精確數學關係，才能實現非接觸式精確測温。對於物理學家而言，就是要找出黑體輻射的強度和頻率（光線的顏色取決於其頻率）之間的關係。

在長期的生產實踐和實驗中，當時的物理學家們已經繪製出不同温度下，黑體輻射強度隨輻射頻率波動的分佈曲線。但當物理學家們試圖用當時已有經典物理學的公式來解釋這條曲線時，都失敗了。其中肯定有什麼地方不對，但當時物理學家們只推測是理論計算的公式推導有誤，沒有意識到整個經典物理學的“地基”需要修正。

給物理學理論帶來“大麻煩”

當時的德國物理學家普朗克也一直被黑體輻射問題所困擾。1900年的某一天，他突然“腦洞大開”：要不拋開物理學理論，用數學技巧解決一下？這次“頭腦風暴”讓普朗克推導出了著名的普朗克公式，其完美適用於黑體輻射問題。但從數學角度推導出的普朗克公式卻給物理學理論帶來“大麻煩”，這個公式意味着，電磁波輻射的能量是由一個個不可分割的“最小能量單元”——量子組成的，而經典物理學認為能量是連續的。

1900年，普朗克通過自己的大膽假設和全新公式提出了“量子理論”，但沒有獲得物理學界的普遍認同，大家都認為普朗克拿出的東西過於“離經叛道”。就連普朗克自己都認為，“能量量子化”假説只是一個為解決特定問題而發明的特殊數學工具。此後，普朗克花費大量時間，試圖藉助經典物理學來“修正量子化假説”，力求將其納入經典物理學的理論框架中，但結果都以失敗告終。

“本想證偽，卻最終證實”

此時，物理學領域還有另一個廣受關注的問題無法用經典物理學解釋——光電效應，是指在特定光線照射下，某些物體表面會釋放電子。經典物理學對此的解釋是，光線照射到物體表面，會讓電子獲得額外的能量，使其得以從物體表面“逃逸”。但物理學家們發現，並非所有光線的照射都能激發光電效應，例如，再強的紅光都無法激發鋅等物質釋放電子，而換成微弱的紫外光卻“立竿見影”，這些奇怪的現象無法用經典物理學來解釋。

1905年，當時的愛因斯坦還名不見經傳，他在研究光電效應時受普朗克的“能量量子化”理論啓發，創造性地提出“光量子”（後來被稱為光子）的理論假設，並進一步推導出著名的“光電效應方程”。愛因斯坦曾用“啤酒瓶”類比光量子——就像啤酒只能整瓶購買，能量也只能被整份吸收。光線照射能否打出電子，不取決於光的“亮度”（強度，就像啤酒的總量），而取決於光的“顏色”（頻率，即單瓶啤酒的大小）。

愛因斯坦的“光量子”理論是對普朗克“量子理論”的推進，毫無疑問，在當時的物理學界遭到了更強烈的質疑和反對，幾乎所有主流物理學家都持否定態度。美國物理學家羅伯特·密立根認為，愛因斯坦的光電效應方程“大膽而又輕率”，其結論違背了經典物理學的常識。他決定通過設計精密的實驗來推翻“光量子”假説。從1912年到1915年，密立根花費了數年時間，對不同金屬、在不同頻率的光照下進行了無數次精密測量。但令他失望的是，實驗結果完美地符合愛因斯坦的理論。他後來在論文中“矛盾地承認”：“愛因斯坦的光電效應方程目前似乎能夠精確地預測觀察到的結果……然而，這個理論所依賴的物理理論本身看起來是如此站不住腳。”

密立根的精密實驗最後反倒成為論證愛因斯坦光量子理論的有力證據，也在科學史上留下“本想證偽，卻最終證實”的經典故事。1921年，愛因斯坦因為成功解釋光電效應而獲得諾貝爾物理學獎。

普朗克和愛因斯坦的新理論逐步打破物理學家們的“傳統物理概念”，當思維被打開，人們迎來了新的“物理時代”。

愛因斯坦發出質疑：“我深信上帝不擲骰子”

1925年被認為是現代量子力學的開端。這一年，物理學家沃納·海森堡、馬克斯·玻恩、帕斯庫爾·約爾當等人共同提出和完善了矩陣力學；奧地利物理學家薛定諤則完成了波動力學。矩陣力學和波動力學的誕生標誌着量子力學初步形成。

在普通大眾眼中，物理學家熱衷討論量子力學已經“放飛自我”，進入各種反常識的“癲狂狀態”。愛因斯坦提出，光在某些條件下表現出粒子的屬性，在某些條件下又變成波，即光的“波粒二象性”，就已經讓很多人難以理解。沒過幾年，法國物理學家德布羅意又進一步提出設想，既然光這種傳統上被人們認為是波的物質，被發現具有粒子性，那麼像電子、質子甚至原子這些傳統上被認為是粒子的物質，也應該具有波動性——“波粒二象性”是自然界所有物質的普遍特性。

海森堡提出的“不確定性原理”顯示，在量子世界中無法同時精確知道一個粒子的位置和動量，只能預測各種可能的結果出現的概率。還有更晦澀難懂的“量子隧穿效應”——當普通小球撞擊牆壁時，它會被反彈回來；而微觀粒子卻能夠穿過看似不可能穿越的能量屏障，給量子力學增加更多“奇異色彩”。

一些量子力學理論過於“腦洞大開”，甚至被愛因斯坦質疑，他堅信“宇宙有嚴格的因果律和確定性”，因此與玻爾和海森堡領導的哥本哈根學派展開數十年的學術辯論。愛因斯坦尤其反對海森堡的“不確定性原理”，作為對哥本哈根學派核心思想——“概率性”與“不確定性”的反駁，他留下一句名言：“我深信上帝不擲骰子。”

作為愛因斯坦的支持者，薛定諤提出了一個著名思想實驗“薛定諤的貓”。實驗設想將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裏。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就處於死、活兩種狀態的疊加。也就是説，只要不去觀察，這隻貓就“又死又活”，這顯然違揹人們對世界的傳統認知。薛定諤本想用這隻貓來諷刺“哥本哈根學派的荒謬性”，然而讓愛因斯坦和薛定諤都沒有想到的是，後續的一系列物理實驗基本都印證了哥本哈根學派的主張：宇宙在基本層面上，似乎真的具有某種內在的隨機性。

改變世界的發明：1947年晶體管從量子力學中誕生

儘管大眾普遍對量子力學的“反常識”感到驚訝，它的影響卻早已經深入我們的日常生活，從半導體技術到量子計算，從精密測量到量子通信，很多前沿科技都建立在量子力學的基礎之上。

量子力學解釋了為何有些材料是導體、有些是絕緣體，半導體則處於兩者中間，通過“摻雜”人為引入雜質能級，我們得以精確控制半導體的導電性，從而製造出二極管、晶體管這些現代電子文明的“細胞”。如果沒有量子力學，就不會有計算機和智能手機。

20世紀40年代，美國貝爾實驗室的核心任務之一是改進通信技術。當時被廣泛使用的真空管雖然能放大信號，但存在耗電高、發熱嚴重、體積大、壽命短等缺點，人們希望找到更適合充當放大器的電子元件。通過量子力學的啓發，1947年物理學家約翰·巴丁、威廉·肖克利和沃爾特·布拉頓在貝爾實驗室發明點接觸晶體管。由此，人類從“電氣時代”邁入了“信息時代”。可以説，晶體管是第一個從量子力學理論中直接誕生、改變世界的發明。

量子力學帶來的“革命”還有很多，如今為大眾熟悉的還有量子通信，其核心是利用量子態的特性來保障信息安全。讓薛定諤難以接受的“疊加態”，如今催生出量子計算機，人們利用量子的“疊加態”原理，使量子計算機能夠並行處理海量數據。目前，量子計算機被認為在解決諸如藥物分子模擬、優化物流等特定問題上，具有經典計算機無法比擬的潛在優勢。（魏雲峯）