量子力學(xué)1：詭秘之主

哪有什么歲月靜好，不過(guò)是微觀(guān)的粒子們替你詭秘前行。

現(xiàn)在有誰(shuí)不是量子力學(xué)的愛(ài)好者呢？人人都知道量子力學(xué)講究個(gè)不確定性，所謂“遇事不決，量子力學(xué)”。人們都愛(ài)把“量子”放入公司和品牌的名稱(chēng)中，有“量子基金”、“量子波動(dòng)速讀”，乃至于“量子推拿”。

有不同版本的量子力學(xué)講解，有側(cè)重計(jì)算的學(xué)院版、講故事的歷史版、可愛(ài)的卡通版、還有霸道總裁假裝學(xué)過(guò)版。量子力學(xué)已經(jīng)是一個(gè)文化，每個(gè)人都可以有自己的體驗(yàn)角度。

最本源的角度是什么？

詭秘。

這是一個(gè)被最聰明的頭腦探索了一百年的秘密。聽(tīng)說(shuō)它的冰山一角，就足以動(dòng)容；稍微了解，就會(huì)為之癡迷；深入鉆研進(jìn)去，可能會(huì)陷入絕望，乃至于瘋狂。

量子力學(xué)是關(guān)于這個(gè)世界的本源的秘密。愛(ài)因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克、泡利、德布羅意、費(fèi)曼……物理學(xué)里最耀眼的英雄都是因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中建功立業(yè)而留下姓名。

一開(kāi)始誰(shuí)都沒(méi)想到。物理學(xué)家只是問(wèn)了一些非?；镜膯?wèn)題：世界上的各種東西都是由什么組成的？如果原子是最小的單位，那為什么這個(gè)原子和那個(gè)原子的化學(xué)性質(zhì)如此不同呢？原子還能再分解成別的東西嗎？光，到底是什么？這些問(wèn)題幾千年前就有人問(wèn)，只不過(guò)直到一百年前，我們才有了足夠的技術(shù)和數(shù)學(xué)去真正探索它們。

結(jié)果這一探索，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，微觀(guān)世界的東西似乎在遵循某些非常怪異的規(guī)則。

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比如說(shuō)，如果把你限制在一個(gè)各個(gè)面都是墻的房間里，你想要出來(lái)就必須在墻上打個(gè)洞，對(duì)吧？中國(guó)有個(gè)“嶗山道士”的故事，說(shuō)有一種叫做“穿墻術(shù)”的法術(shù)，可以讓人直接穿墻而過(guò)，而既不破壞墻、也不傷害人。

在微觀(guān)世界里，這個(gè)法術(shù)是常規(guī)操作。把一個(gè)電子限制在勢(shì)能比它自身能量高的區(qū)域內(nèi)，這個(gè)電子有一定的幾率能穿墻而出。那既然電子可以，質(zhì)子當(dāng)然也可以、原子也可以……一直到由原子組成的人，在原則上，其實(shí)也可以 —— 只不過(guò)你能成功穿墻的幾率非常、非常小而已。

這還不算什么。日常世界里的你，在任何一個(gè)特定時(shí)刻，都只能出現(xiàn)在一個(gè)特定的地方，對(duì)吧？你此時(shí)此刻不能既在北京又在哈爾濱。但是在微觀(guān)世界里，電子可以同時(shí)出現(xiàn)在所有的地方 —— 它不但能既在這里又在那里，而且還能同時(shí)沿著好幾條不同的路線(xiàn)前進(jìn)。

日常世界的桌子上不會(huì)突然憑空冒出一個(gè)蘋(píng)果和一個(gè)橘子來(lái)，你想要水果得自己出去買(mǎi)才行。但是在微觀(guān)世界里，真空之中，就可以突然憑空冒出一個(gè)電子和一個(gè)正電子來(lái)，只不過(guò)你幾乎不可能抓住它們而已。

微觀(guān)的世界，充滿(mǎn)詭秘。

那物理學(xué)家為什么非得琢磨這些怪異的東西？難道老老實(shí)實(shí)地研究日常的世界還不夠嗎？

這些怪異行為可不是物理學(xué)家幻想出來(lái)的，它們都是實(shí)驗(yàn)和邏輯推理的結(jié)果。為了解釋日常世界的“正常”，你只能接受微觀(guān)世界的“不正?！?。換一個(gè)視角，也許應(yīng)該說(shuō)微觀(guān)世界的那些怪異行為才是正常的，而我們?cè)谌粘Ｉ罾锏母兄?，都是大尺度帶?lái)的錯(cuò)覺(jué)。

哪有什么歲月靜好，不過(guò)是微觀(guān)的粒子們替你詭秘前行。

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在對(duì)微觀(guān)世界的詭秘進(jìn)行探索的過(guò)程中，物理學(xué)操縱日常世界的能力也越來(lái)越強(qiáng)。就好像修仙小說(shuō)的主人公一邊更新世界觀(guān)一邊掌握新法術(shù)一樣，真是認(rèn)知升級(jí)決定了能力升級(jí)。

量子力學(xué)帶給我們的回報(bào)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了所有人的想象。我們終于明白了原子到底是怎么回事兒，我們能精確推演日常世界的所有自然現(xiàn)象。我們揭開(kāi)了原子核的秘密，制造了原子彈和核電站。我們深入理解了固體物理學(xué)，發(fā)明了半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)芯片。我們能精確地測(cè)量，甚至能一個(gè)一個(gè)操縱單個(gè)原子。我們能解釋遠(yuǎn)在天邊的白矮星是怎么回事兒。量子力學(xué)是這個(gè)世界的底層邏輯，哺育了幾乎所有的現(xiàn)代先進(jìn)科技。

然而物理學(xué)的英雄們?nèi)匀粵](méi)找到量子力學(xué)的最終答案。我們可以接受微觀(guān)世界的各種行為，但是你要說(shuō)規(guī)則就是這樣了，那似乎有點(diǎn)不合邏輯。

比如說(shuō)，一個(gè)電子從“同時(shí)出現(xiàn)在所有地方”，到“恰好在這里被你找到”，完全是一瞬間的事兒，甚至可以說(shuō)根本就不需要時(shí)間 —— 那這一瞬間到底發(fā)生了什么呢？什么樣的事情，可以不花費(fèi)時(shí)間就發(fā)生改變呢？

再進(jìn)一步，這個(gè)電子最終在*哪里*被你找到，居然是完全隨機(jī)的。世界上怎么能有完全隨機(jī)的事兒呢？為什么是在這里而不是在那里，這總得有點(diǎn)原因吧？

有些人 —— 比如愛(ài)因斯坦 —— 就懷疑，量子世界種種詭秘的背后，必定還有一個(gè)更深的，詭秘之主。

愛(ài)因斯坦死不瞑目，可是那時(shí)候已經(jīng)沒(méi)有多少人愿意聽(tīng)他說(shuō)話(huà)了。

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在早期的熱鬧之后，曾經(jīng)有三十年之久，絕大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為，繼續(xù)探索量子力學(xué)的秘密是徒勞的，我們應(yīng)該專(zhuān)注在計(jì)算和應(yīng)用上，畢竟現(xiàn)有的量子理論已經(jīng)夠用了。在那些年里物理學(xué)家上天入地，幾乎是把你能想到和想不到的所有自然法則都研究明白了。而量子力學(xué)，只是他們的計(jì)算工具而已。

量子力學(xué)的應(yīng)用是無(wú)處不在，但是人們對(duì)量子力學(xué)秘密的探索，沉寂了……

從上世紀(jì)六七十年代開(kāi)始，又有人提出了新的假說(shuō)，繼續(xù)探索那個(gè)詭秘之主。新技術(shù)允許物理學(xué)家做各種巧奪天工的實(shí)驗(yàn)。對(duì)這個(gè)秘密的探索，現(xiàn)在是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。

而物理學(xué)家走得更遠(yuǎn)更深之后，詭秘之感不但沒(méi)有減弱，反而還更嚴(yán)重了。

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新的實(shí)驗(yàn)首先證明，所謂“量子糾纏”，是真的。互相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)粒子，哪怕距離非常遙遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)的量子態(tài)發(fā)生改變，另一個(gè)就會(huì)立即隨之改變。這意味著它們之間存在某種超光速的、甚至是瞬時(shí)的協(xié)調(diào)。

可惜愛(ài)因斯坦沒(méi)能看到這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果……不過(guò)量子糾纏在某種意義上并不違反相對(duì)論，因?yàn)闆](méi)有人能利用那個(gè)鬼魅般的協(xié)調(diào)去傳遞信息。

使用新技術(shù)，物理學(xué)家有辦法只發(fā)射一個(gè)光子，讓它同時(shí)沿著兩條路徑走。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光子就好像在出發(fā)之前就已經(jīng)對(duì)兩條路徑有完全的感知一樣，它能根據(jù)路上的不同情況，選擇要不要自己跟自己發(fā)生干涉。特別是如果你在其中一條路上放一顆無(wú)比敏感的、只要有一個(gè)光子打在上面就會(huì)爆炸的炸彈，光子可以在不走這條路的情況下，感知到那顆炸彈的存在。

那個(gè)“感知”到底是什么東西呢？

再進(jìn)一步，老一輩物理學(xué)家有個(gè)名詞叫“波粒二象性”，說(shuō)微觀(guān)世界里的東西都既是波也是粒子，具體觀(guān)測(cè)結(jié)果是什么取決于你的視角：你想測(cè)量一個(gè)波就會(huì)得到波，你用測(cè)量粒子的方法就會(huì)得到一個(gè)粒子。那么從“二象”到“一象”，那個(gè)變化是發(fā)生在什么時(shí)候呢？

新一代物理學(xué)家可以先假裝要測(cè)量波，等到光子已經(jīng)不得不表現(xiàn)出波的樣子，但是仍然在飛行之中、還沒(méi)有最終到達(dá)目的地“官宣”的那一刻，突然改變主意，改成要測(cè)量粒子，你猜光子會(huì)怎么做？

答案是它不但會(huì)臨時(shí)變成粒子，而且還要改寫(xiě)自己之前的行為。這就好比說(shuō)一個(gè)學(xué)生在考場(chǎng)上看到試題之后，又重新回到三天前去準(zhǔn)備這次考試！

新實(shí)驗(yàn)甚至發(fā)現(xiàn)連所謂的“客觀(guān)現(xiàn)實(shí)”，都不一定存在。面對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)觀(guān)察者可以記錄不同的結(jié)果，那你說(shuō)他們真的是處在同一個(gè)世界之中嗎？也許我們每個(gè)人都有自己的世界……

怎么解釋這些現(xiàn)象？量子力學(xué)背后的詭秘到底是什么呢？現(xiàn)在物理學(xué)家提出了幾個(gè)猜想，這些猜想一個(gè)比一個(gè)離奇。

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探索仍然在進(jìn)行之中，沒(méi)有人知道最終的答案。但是我們可以肯定，真實(shí)世界絕對(duì)不是人們平常感知的樣子，而你有權(quán)知道真相。

現(xiàn)在我站在幾代物理學(xué)家的肩膀上，向你匯報(bào)我們對(duì)這個(gè)秘密的探索經(jīng)過(guò)和最新理解。

學(xué)習(xí)量子力學(xué)能給你一個(gè)脫離平庸生活，體驗(yàn)詭秘的視角。

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10^-43 秒這個(gè)“普朗克時(shí)間”。那普朗克長(zhǎng)啥樣呢？下面這兩張照片是物理學(xué)家馬克斯·普朗克（Max Planck）在鉆研量子力學(xué)之前和之后的樣子……

這是一門(mén)能把花樣少年變成毀容大叔的學(xué)問(wèn)，因?yàn)樗嵏擦颂鄸|西。為了安全地學(xué)好這個(gè)課程，先忘記有關(guān)這個(gè)世界的各種想當(dāng)然的假定。當(dāng)然也不是所有你知道的東西都會(huì)被顛覆 —— 比如說(shuō)，以下這些事情，不管發(fā)生什么，它們都還是對(duì)的：

第一，數(shù)學(xué)都是對(duì)的。你永遠(yuǎn)都不用質(zhì)疑數(shù)學(xué)結(jié)論。

第二，說(shuō)到的所有實(shí)驗(yàn)，不論多么離奇，都是對(duì)的。它們都經(jīng)過(guò)了幾代物理學(xué)家的反復(fù)驗(yàn)證，不但正確而且精確。一切討論不是要質(zhì)疑這些實(shí)驗(yàn)，而是琢磨如何理解這些實(shí)驗(yàn)。

第三，物理學(xué)的守恒定律 —— 包括能量守恒、動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒 —— 都仍然成立。這個(gè)宇宙不會(huì)憑空送給你什么東西，也不會(huì)憑空拿走你的東西……或者，至少不會(huì)做得太明顯。

第四，你的媽媽仍然愛(ài)你。

這幾條之外，請(qǐng)你做好思想準(zhǔn)備。

量子力學(xué)2：孤單光量子

十九世紀(jì)末到二十世紀(jì)初，世界各國(guó)普遍都在鬧革命，用李鴻章的話(huà)來(lái)說(shuō)叫“三千年未有之大變局”。這句話(huà)也適用于物理學(xué)的革命。這場(chǎng)革命是經(jīng)典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的分界線(xiàn)。

牛頓和伽利略這些早先的物理學(xué)家都做出過(guò)非常漂亮的工作，但是他們的手段非常有限，對(duì)世界的觀(guān)察比較被動(dòng)。他們仰望星空可以，做實(shí)驗(yàn)就都很粗糙，無(wú)非是弄個(gè)滑塊啊斜面啊之類(lèi)，沒(méi)有什么科技感。

而十九世紀(jì)末的歐洲，因?yàn)楣I(yè)革命成功，是一個(gè)蒸汽朋克的時(shí)代。物理學(xué)家有了比較精密的儀器，有了人造光源，特別是可以玩電了，這才像個(gè)做實(shí)驗(yàn)的樣子。當(dāng)時(shí)的數(shù)學(xué)工具也非常發(fā)達(dá)，微分方程、統(tǒng)計(jì)方法、包括非歐幾何都已經(jīng)很成熟了。

不過(guò)這時(shí)候的物理學(xué)還是牛頓的延續(xù)，還是經(jīng)典物理學(xué) —— 但是是很厲害的經(jīng)典物理學(xué)。當(dāng)時(shí)麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)已經(jīng)深入人心，人們已經(jīng)知道分子和原子的存在，連熱力學(xué)都是明明白白的。物理理論自帶一種美感，而且公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果特別吻合，經(jīng)典物理學(xué)是非常精確的科學(xué)。

而物理學(xué)家看待世界的情緒，已經(jīng)不再是好奇和敬畏了，而是統(tǒng)治：世間各種自然現(xiàn)象，現(xiàn)在我們的理論都能解釋。

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比如說(shuō)“光”。古人研究光只能靠生活常識(shí)和簡(jiǎn)單的思辨。人們?cè)缇椭酪曈X(jué)是因?yàn)楣膺M(jìn)入眼睛，而不是眼睛會(huì)發(fā)射光。人們知道光走直線(xiàn)，光可以互相交叉，光還能有能量，因?yàn)殛?yáng)光照在身上暖洋洋的。牛頓還知道太陽(yáng)光不是單純的白色，可以分解成不同的顏色?？墒枪獾降资鞘裁礀|西呢？光的顏色是怎么來(lái)的呢？

麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)出來(lái)以后，物理學(xué)家立即就知道了光就是電磁波，不同的顏色其實(shí)就是不同的波長(zhǎng)和頻率。無(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)……它們都是同一種東西，唯一的區(qū)別就是頻率不一樣。

（注意光的頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系是 波長(zhǎng) x 頻率 = 光速，所以我們說(shuō)顏色就等于說(shuō)頻率，說(shuō)頻率就等于說(shuō)波長(zhǎng)。）

會(huì)了這個(gè)知識(shí)，是不是有一種江山盡在掌握的感覺(jué)呢？

馬克斯·普朗克在1875年上大學(xué)的時(shí)候，他的老師勸他不要學(xué)物理 —— 因?yàn)槲锢韺W(xué)已經(jīng)很成熟了，盛宴已過(guò)，沒(méi)有多少留給你研究的空間了。

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科幻小說(shuō)作家阿西莫夫有句名言，說(shuō)科學(xué)史上最激動(dòng)人心的話(huà)不是什么“尤里卡” —— 也就是“我發(fā)現(xiàn)了” —— 而是“這有點(diǎn)怪啊（that’s funny）”。

1900年元旦這天，熱力學(xué)之父、開(kāi)爾文男爵威廉·湯姆森在一個(gè)演講中說(shuō)：“在已經(jīng)基本建成的物理學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了……但是，在物理學(xué)晴朗的天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的令人不安的烏云”。

也就是，這有點(diǎn)怪。

這兩朵烏云都和光有關(guān)。一個(gè)是光速為什么在各個(gè)方向都不變， 這導(dǎo)致愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了狹義相對(duì)論。另一個(gè)，是關(guān)于黑體輻射。

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中國(guó)大學(xué)課本總愛(ài)把“黑體”描寫(xiě)成特別抽象的東西，其實(shí)黑體很簡(jiǎn)單。所謂黑體，就是它不反射別的光，它發(fā)出的都是它自身的光。太陽(yáng)、燒紅的烙鐵、黑暗中的人體，這些東西都可以近似為黑體。黑體發(fā)出的光是由它的熱量導(dǎo)致的，也就是熱輻射。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黑體熱輻射的光譜，跟它具體是個(gè)什么東西沒(méi)有關(guān)系，完全由溫度決定。一塊烙鐵也好一塊磚頭也好，你看一眼它發(fā)光的顏色就知道他的溫度是多少。發(fā)紅光那就是溫度還不算太高，藍(lán)光就意味著溫度很高。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)黑體輻射不會(huì)只發(fā)單一顏色的光，你看見(jiàn)是紅色只不過(guò)是紅色光的強(qiáng)度最高。給定一個(gè)溫度，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家能夠非常精確地告訴你黑體輻射光的顏色 —— 也就是頻率 —— 的分布曲線(xiàn)，比如像下面這張圖。

那請(qǐng)問(wèn)，曲線(xiàn)為什么是這樣的呢？

理論物理學(xué)家都是非常自負(fù)的，這個(gè)曲線(xiàn)這么標(biāo)準(zhǔn)，一定能給你推導(dǎo)出來(lái)。當(dāng)時(shí)熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理已經(jīng)非常發(fā)達(dá)了，物理學(xué)家可以精確地描寫(xiě)一堆氣體的熱運(yùn)動(dòng)，而黑體無(wú)非就是一塊發(fā)熱的固體唄？物理學(xué)家假設(shè)，黑體的光是來(lái)自其中的電子振動(dòng)產(chǎn)生的電磁波，那用統(tǒng)計(jì)力學(xué)一算便知。

誰(shuí)也沒(méi)想到，物理學(xué)在這里失敗了。沒(méi)有一個(gè)理論能解釋黑體的發(fā)光曲線(xiàn)，特別是在高頻率 —— 也就是紫外線(xiàn)以外 —— 的地方，有的理論認(rèn)為黑體發(fā)出的能量應(yīng)該是無(wú)限大的，這顯然不可能，人們把這個(gè)理論難題稱(chēng)為“紫外災(zāi)難”。

這是經(jīng)典物理學(xué)的終結(jié)，也是量子力學(xué)的開(kāi)端。

*

1900年的某一個(gè)下午，普朗克在自己家里和一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家討論了黑體輻射。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家把這個(gè)事兒給他講明白就走了，晚上普朗克自己繼續(xù)琢磨。普朗克換了一個(gè)思路。

能不能先不管物理，能不能直接在數(shù)學(xué)上湊一個(gè)公式描寫(xiě)這條曲線(xiàn)呢？當(dāng)晚普朗克有如神助，竟然真的湊出來(lái)了一個(gè)公式。他立即寫(xiě)明信片把公式告知了那個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，并且在12天后當(dāng)眾宣讀了論文。這真的是一個(gè)非常完美的公式。

可是從物理上來(lái)說(shuō)，這個(gè)公式怎么解釋呢？普朗克苦苦思索了幾個(gè)月，最后發(fā)現(xiàn)只要滿(mǎn)足一個(gè)物理假設(shè)，就可以推導(dǎo)出來(lái)這個(gè)公式。

這個(gè)假設(shè)是電子振動(dòng)產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電波的能量不能是連續(xù)的，而應(yīng)該是一份一份的，就好像上臺(tái)階一樣你每次必須走一整步，而不能走半步。普朗克規(guī)定每一份輻射能量的最小單位是由光的頻率決定的：

其中 f 是頻率，h 是一個(gè)常數(shù)，我們現(xiàn)在稱(chēng)之為“普朗克常數(shù)”，h = 6.626×10^(?34) 焦耳·秒。

有了這個(gè)假設(shè)，高頻率輻射光的一份能量就很大了，那么根據(jù)熱力學(xué)，它出現(xiàn)的概率就比較低，所以高能輻射就沒(méi)有那么多，這就避免了紫外災(zāi)難。

普朗克憑借這個(gè)假設(shè)和那個(gè)公式拿到了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是普朗克并不知道那“一份一份的”能量，意味著什么。

第一個(gè)把天機(jī)說(shuō)破的還得是愛(ài)因斯坦。這就引出了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，叫“光電效應(yīng)”。

*

物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中無(wú)意發(fā)現(xiàn)，如果你把一束光照射在金屬板上，有時(shí)候金屬板會(huì)往外發(fā)射電子。表面上看這是容易理解的，光畢竟是電磁波，電磁波的能量轉(zhuǎn)化成電子的動(dòng)能，電子就跑了。

但奇怪的是，電子如何往外跑，和光的*強(qiáng)度*沒(méi)有關(guān)系，只和光的顏色，也就是頻率有關(guān)系。這就好比說(shuō)，紅色的光，不管多亮也不能讓電子跑出來(lái)；你要用綠光，哪怕光線(xiàn)很弱電子也能跑；要是藍(lán)光，電子不但能跑，而且跑出來(lái)的速度還很快。

這個(gè)現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋。麥克斯韋的理論中電磁波的能量只跟強(qiáng)度有關(guān)，和頻率沒(méi)關(guān)系。電子為什么不能逐漸地從光波中積累能量，攢夠了就跑呢？

1905年是“愛(ài)因斯坦奇跡年”，這一年愛(ài)因斯坦發(fā)表了六篇論文，其中一篇叫《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變的一個(gè)啟發(fā)性觀(guān)點(diǎn)》，說(shuō)的就是光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦說(shuō)，電子之所以非得遇到高頻率的光才能跑，這是因?yàn)楣馐且环菀环莸?。普朗克不是說(shuō)了嗎？光的一份能量 E = hf，頻率越高能量越大，所以高頻率的光的一份能量才足夠大，才能打動(dòng)電子。

請(qǐng)注意，相對(duì)于普朗克的假設(shè)來(lái)說(shuō)，愛(ài)因斯坦提出了一個(gè)思維概念上的躍遷。普朗克說(shuō)的一份一份是黑體中電子受熱振動(dòng)的能量，而愛(ài)因斯坦說(shuō)這跟光是不是從黑體中來(lái)的沒(méi)關(guān)系 —— 只要是光，能量就是一份一份的。

愛(ài)因斯坦提出了“光量子”。

愛(ài)因斯坦說(shuō)光不是連續(xù)的一片波，而是由一個(gè)一個(gè)的光子組成的，每個(gè)光子的能量就是它的頻率乘以普朗克常數(shù)。

愛(ài)因斯坦用這一個(gè)公式解釋了光電效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果非常吻合。這篇論文給愛(ài)因斯坦帶來(lái)了諾貝爾物理獎(jiǎng)，這也是他一生之中得到的唯一一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

*

普朗克和愛(ài)因斯坦的解題思路，叫做“量子化”。量子化從此就是現(xiàn)代物理學(xué)的一大主題，物理學(xué)家們把什么東西都想給量子化，有人認(rèn)為連引力、甚至連空間都是量子的。

什么是“量子”呢？比如你家有個(gè)4K高清電視，離遠(yuǎn)了看，你覺(jué)得電視畫(huà)面非常柔順。但是離近了看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)屏幕上其實(shí)都是一個(gè)一個(gè)的光點(diǎn)，畫(huà)面并不是連續(xù)的。量子化，就是分辨率是有限的，是不連續(xù)的，是一個(gè)一個(gè)的，是像整數(shù)一樣可數(shù)的。這個(gè)世界有可能完全是量子的。

我們平時(shí)為什么感覺(jué)不到世界是量子的呢？因?yàn)槠绽士顺?shù) h 是一個(gè)非常、非常小的數(shù)字，等于說(shuō)分辨率太高了。

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黑體輻射和光電效應(yīng)都是經(jīng)典物理學(xué)解釋不了的現(xiàn)象，普朗克先用湊數(shù)的方法給了個(gè)數(shù)學(xué)模型，愛(ài)因斯坦賦予了這個(gè)模型物理上的意義，物理學(xué)家就算正式發(fā)現(xiàn)了光子。今天聽(tīng)起來(lái)這挺自然，好像是物理學(xué)家們是在親切友好的氣氛下達(dá)成共識(shí)，但當(dāng)時(shí)的情況可并非如此。

愛(ài)因斯坦關(guān)于光電效應(yīng)的想法是受到了普朗克的啟發(fā)，那篇論文的編輯和審稿人又恰好都是普朗克，而且普朗克也讓論文發(fā)表了，那你說(shuō)普朗克是不是應(yīng)該非常贊賞愛(ài)因斯坦的說(shuō)法呢？

并沒(méi)有。普朗克本人在此后很多年里，都無(wú)法接受光子這個(gè)概念。光量子不符合經(jīng)典物理學(xué)，麥克斯韋方程解不出一份一份的能量。普朗克在很多年里都在尋找用經(jīng)典物理學(xué)解釋電子震動(dòng)的方法，他失敗了。

普朗克有一句名言說(shuō)，“新科學(xué)事實(shí)之所以勝出，并不是因?yàn)榉磳?duì)者都被說(shuō)服了，而是因?yàn)榉磳?duì)者最終都死了……然后熟悉這個(gè)事實(shí)的新一代人長(zhǎng)大了?！笨赡苣阋郧熬吐?tīng)到過(guò)這句話(huà)，以為普朗克是那個(gè)傳播新思想的人 —— 其實(shí)他不是。

那么愛(ài)因斯坦提出了光子的概念，他肯定是新思想的擁護(hù)者吧？其實(shí)也不是。愛(ài)因斯坦終其一生，都反對(duì)量子力學(xué)。

什么是革命呢，得是這個(gè)思想是如此之離經(jīng)叛道，以至于連革命者本人都反對(duì)它，那才是真革命啊。

不過(guò)話(huà)說(shuō)回來(lái)，反對(duì)光子的人其實(shí)很有道理。有太強(qiáng)的證據(jù)表明光是一種波了。如果光是粒子，又怎么解釋光的波動(dòng)性呢？