量子力学究竟在讲些啥|普朗克|牛顿|物理学家|相对论|量子力学|麦克斯韦

物理学发展至今，应该很少有人还没听说过量子力学。但每次一提到量子力学，很多人脑海里蹦出的关键词就是不确定、意识、玄乎、诡异，甚至是恐怖。出现这样的情况其实也并不奇怪，毕竟现在网络上很多文章和视频在介绍量子力学时都喜欢突出它的这些特性。老百姓看得多了，自然就会感觉量子力学越来越玄乎，甚至有人直接称之为量子玄学、量子佛学。同时市面上也充斥着各式各样打着量子力学旗号的产品，例如量子波动速读、量子鞋垫、量子吊坠等，可谓是离谱到家了。

但是量子力学作为人类历史上最重要的一门学科，它不应该受到如此待遇。如果非要评选出20世纪人类社会最重要的一个事件，那么既不会是两次世界大战，也不会是人类登上了太空，而是量子力学的出现和发展。凭什么这么说呢？有句话叫做“遇事不决，量子力学”，遇到难题解释不了怎么办？不要慌，管它是啥，拿量子力学来解释就完事了。事实上，除去玩笑的成分，这句话还真没毛病。

从太阳的核聚变，到生命的起源，如今自然界的任何现象，如果我们追根溯源、刨根问底，一定都会汇聚到两个理论上：一个是研究大尺度的广义相对论，而另外一个就是量子力学。原来遇事不决真的可以量子力学！量子力学研究的是我们这个世界最本源的秘密，并且从实用性的角度，量子力学也可以说是最成功的理论。从原子弹到半导体、计算机芯片，再到你手上正拿着的手机，以及移动硬盘、互联网、核磁共振技术、激光技术等等，通通都离不开量子力学。量子力学作为这个世界的底层逻辑，几乎全方位覆盖了所有的现代科技。

然而，有个很奇怪的现象就是，虽然物理学家们在用起量子力学时非常的得心应手，但至今为止，却依然没人知道它的背后究竟还隐藏着什么更深层次的原理，因为它实在是太违反常识了。什么是常识？常识就是当你不抬头看月亮时，你知道月亮肯定就在那里。常识就是当你回家忘带钥匙时，你不可能直接穿墙走进去。常识就是当你在公司搬砖时，你不可能同时也能躺在家里打游戏。常识就是你想吃什么东西，你得自己去买，它不可能凭空出现在你面前。常识就是当你考试没考好时，你不可能回到过去重新再考一遍。但是我要告诉你的是，所有上面这一切违反常识的事，在微观世界里，都只是常规操作。在烧脑、反直觉和毁三观方面，如果量子力学称第二，那绝对没人敢称第一。即使是相对论与其相比，也不值一提。

爱因斯坦说：“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。”量子力学奠基人之一的波尔说：“如果谁不为量子力学感到困惑，他就还没理解它。”天才物理学家费曼则说得更加直接：“世上没人能真正理解量子力学。”

19世纪末，当时的经典物理学已经发展到了巅峰。牛顿力学体系在经历了几个世纪的考验后，依然屹立不倒。从天上的星星到地上的石头，统统都遵照着牛顿定下的规则在运动。在电磁学方面，英国物理学家麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文，提出光也是一种电磁波。后人从他的理论中总结出了名垂千古的麦克斯韦方程组。这一成就也绝不在牛顿之下。另外，在热力学方面，热力学三大定律也已经基本确定。更厉害的是，经典力学、经典电动力学、经典热力学这三大体系非常的和谐统一，成为了经典物理学的三大支柱，牢不可破。所以那个时候，人们都认为物理学差不多已经到头了。大自然中所有的力、热、声、光、电磁，所有的现象，都在遵循着经典物理学的规律运行。

1900年元旦当天，热力学之父凯尔文男爵威廉·汤姆森发表了一个著名的演讲。他说，在已经基本建成的物理学大厦中，后备物理学家们只需要做一些零碎的修补工作就行了。但是，在晴朗的物理学大厦上空，还漂浮着两朵小小的乌云。这两朵乌云说的就是当时物理学界尚未解决的两个难题。一个是光速为什么在各个方向上都不变，而另一个则是关于黑体辐射。当时的物理学家们万万没想到，就是这两朵小小的乌云后来分别导致了相对论和量子论革命的爆发，整个辉煌灿烂的经典物理学大厦就在这两次革命中轰然倒塌。

所谓黑体，并不一定是黑乎乎的物体。黑体是一种不反光的理想物体，但它自己可以发光。比如太阳作为一颗气态恒星，它几乎不反射别的光，我们可以认为它近似为黑体。除此之外，灯泡丝、黑暗中的物体等等都可以近似为黑体。而所谓黑体辐射其实说的也就是热辐射。

科学家在研究黑体辐射时发现，任何黑体的发光曲线只与它的温度有关。以辐射能量密度对波长作图，随便给定一个温度值，实验物理学家都能画出对应的辐射谱线。而一个物体的温度无非就是一堆分子的热运动。于是物理学家们断定，既然实验结果这么有规律，那必然就对应着一套标准的数学公式。

1894年，德国物理学家威廉·维恩从经典热力学的角度出发，先是推导出了一套公式。该公式与实验结果虽然在短波区相符，但在长波区却相差甚远。后来英国物理学家瑞利勋爵从经典电磁波理论的角度，又推导出了一套公式。这个公式在长波区与实验数据基本吻合，但在短波区却严重偏离了实验结果。并且根据该公式，可以明显看出，随着波长减小，辐射强度将会趋于无穷大。这显然不可能，毕竟太阳的辐射也都没到无穷大。由于短波区也即紫外区，所以当时的这个现象就被称为“紫外灾难”。经典物理学在这里失效了。

接下来，量子力学史上最重要的人物之一马克斯·普朗克即将登场。普朗克出生于德国的一个书香门第，他这个人多才多艺，文学、音乐、自然科学样样精通。最关键的是，年轻的普朗克长得还非常帅。不过这都是他研究量子力学之前的样子，这是他研究量子力学之后的样子。大家感受一下。

1875年普朗克上大学的时候，他的大学导师曾劝他不要搞物理了，因为物理学已经到头，没啥留给他研究的空间了。而年轻的普朗克显然并没有把老师的话放在心上，他研究物理只是单纯的感兴趣而已。等到1900年，此时的普朗克已经在黑体辐射上花费了六年的光阴，但依然没什么头绪。终于在一个阳光明媚的下午，他突然想换个思路，先不去管什么物理假设和理论推导，看看能不能单纯用数学的方法，先凑一个可以用的公式出来再说。

于是利用数学上的内插法，普朗克开始玩弄起他手里的这两个公式。结果几天之后，普朗克还真凑出来了一个公式，他看上去非常符合要求。这就是著名的普朗克黑体公式。10月19日，普朗克在柏林物理学会上将这个新鲜出炉的公式公之于众。结果大家发现这个公式在各个波段都与实验结果精确相符。

但问题是，普朗克本人也不知道这个公式背后究竟隐藏着怎样的物理意义。又经过了几个礼拜的研究之后，普朗克终于发现，在处理熵和概率的关系时，如果要使他的新方程成立，就必须做一个大胆的假设。那就是能量在发射和吸收时不能是连续不断的，而是必须分成一小份一小份。也就是说，能量并不是可以无限分割的，而是存在着一个最小单位。就好比我们花钱，你一次最少也得花一分钱，因为没有比这个更小的面值了。你不能说买个东西花了0.5分钱。

同年的12月14日，这一天几乎所有人都在忙着准备欢度圣诞节，而普朗克在德国物理学会上当众宣读了他的那篇名垂青史的《黑体光谱中的能量分布》的论文。在这篇论文里，普朗克将那个一份一份的能量命名为能量子。但随后很快他在另一篇论文里就将其修改为了量子，英语就是quantum。请记住1900年12月14日这个日子，这一天就是量子的诞辰。

回顾经典物理学，无论是牛顿的力学还是麦克斯韦的电磁学，都是建立在微积分的基础之上。而微积分的基本要求就是连续性以及平滑性。量子论的诞生可以说是直接将经典物理学大厦的地基连根拔起。这是经典物理学的终结，也是量子力学的开端。后来普朗克凭借着这个量子假设和普朗克黑体公式拿到了1918年的诺贝尔物理学奖。

大家一定以为普朗克是一名新科学的思想拥护者，但事实远非如此。作为老一派的物理学家，普朗克的思想还是相对保守的。如果量子化是对的，那经典麦克斯韦理论便首当其冲。在他看来，这个量子化的假设太过于离经叛道，他不可能是一个物理真实。它纯粹是一个为了方便而引入的假设而已。在接下来的十几年里，普朗克本人一直都无法接受这个量子假设。他从一个革命的创始者，最终走到了时代的反面，未能在这场轰轰烈烈的革命中贡献更多力量。这无疑是非常遗憾的。

其实，普朗克的保守也是可以理解的。在当时的年代背景下，量子论实在是太过于惊人，堪称革命。普朗克曾经有一句名言：“一个新科学的胜利，不是其反对者都被说服和觉悟，而是因为其反对者都已经死去，然后熟悉这一真理的新一代人长大了。”

1900年的普朗克已经42岁。就在那一年，一个名叫阿尔伯特·爱因斯坦的21岁的青年刚从苏黎世联邦理工学院毕业，正在为找不到工作而发愁。

15岁的尼尔斯·波尔正在哥本哈根的中学读书，并在数学和科学方面展露出了非凡的天赋。13岁的埃尔文薛定谔正在维也纳的一所高级中学里上学，他热爱古文、戏剧和历史，每次考试也都是班上第一。18岁的马克斯·玻恩顺利考入布雷斯劳大学，他疯狂地喜欢上了天文，并梦想着将来成为一名天文学家。八岁的路易·德布罗意正在他那显赫的贵族家庭里接受着良好的幼年教育。