解读《上帝掷骰子吗》3、一出生就备受冷落的“幽灵”孩子

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如果说这世界上只有一本书能让我搞懂量子理论的话，那就是它了。让我们一起回到当年，沿着量子论走过的道路展开一次奇幻探险。

上期节目我们说到，19世纪初，托马斯杨成为了波动方面军的领袖，第二次波粒战争爆发。双缝干涉条纹这门波动大炮无坚不摧，微粒说节节败退。最终1850年，光速在真空与水中的速度被测定，铁一般的数据面前，微粒说承认战败。

紧接着，伟大的物理学家麦克斯韦，用完美无瑕的麦克斯韦方程组统一了电场与磁场，这组方程适用于宇宙中所有的电磁作用。并且他预言了电磁波的存在，并推测争论已久的光，就是一种电磁波。

后来，赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言，电磁理论又一座新的高峰矗立了起来。19世纪末，经典物理迎来了自己的全盛时期。经典力学、电磁学和经典热力学三大体系和谐统一，力、热、光、电、磁一切尽在掌握。人们相信已经找到了上帝造物奥秘了，并骄傲的认为物理学不会再有突破性的进展。

热力学之父开尔文男爵发表演讲，物理学的天空晴空万里，除了两朵小小的乌云。但我们很快就能搞定。但谁也想不到，这两朵小小的乌云，摧毁了整个经典物理大厦，并在狂风骤雨中重建起两座更加雄威的殿堂。

第一朵乌云，迈克尔逊莫雷实验，是为了证实以太。但实验结果却告诉世人，以太根本就不存在，光作为一种电磁波，传递不需要介质。另外它还揭示了光速不变原理，这直接引爆了相对论革命。

第二朵乌云，也是我们今天要继续的故事主线，黑体辐射实验，它直接引爆了量子论革命。啥叫黑体呢？我们都知道一个东西之所以看上去白色是因为它反射所有频率的光，而如果是黑色那就说明它吸收了所有频率的光波。所谓的黑体，就是只那些可以吸收全部外来辐射的物体。

我们能够直观的观察到，物体的温度与它发出的光的颜色，也就是辐射频率是相关的，像是一块铁，拿去加热。到了一定温度的时候就会变成暗红色，温度再高就变得橙黄，再高的话就会呈现蓝白色。在天文学中我们说的红巨星，它通常属于老年恒星，温度较低，而蓝巨星的温度就非常非常的高。

所以物体辐射的频率与温度之间是有着一定的函数关系的。当时科学家们总结出了两套公式，一套叫做维恩公式，另一套叫做瑞利-金斯公式。他们分别是从粒子的角度和经典电磁波的角度，从两个方向出发推导而来的。同样一个问题，得出了两个答案，那他们到底谁对谁错呢？

两个都是对的，但又不全对。站在粒子角度的维恩公式只对短波适用，而站在电磁波角度的瑞利-金斯公式又只对长波有效。

这可真是要了命了，就像是我有两套衣服，一套上衣合适，但是裤子太长，另一套裤子合适，但是衣服小的套不进去。更要命的是两套公式的推导出发点截然不同，这两套衣服还不能合到一起穿。

这就是开尔文所说的第二朵乌云。说到这里，马斯克·普朗克就要登场了，这个名字将要照亮整个20世纪的物理史。

1868年，普朗克出生在德国一个的书香门第。从小他就对文学和音乐非常有兴趣，并且也展现出了非凡的艺术天赋，长大之后，他的兴趣又转到了自然方面。德意志虽然失去了一位优秀的艺术家，但却得到了一位开天辟地的科学巨匠。

1900年，开尔文发表乌云演讲的时候，普朗克已经研究黑体辐射问题有6年之久了。两套公式，就是只在一个有限的范围内有效，而从根本上这两套公式推导都没有任何的问题。普朗克和所有人一样，想要找出一个普遍适用的公式，但面前的二者就是无法调和。

一天下午，普朗克决定不再管什么假定和推导了，采用实用主义的态度，直接尝试凑出一个能用公式来再说吧。他运用数学方法尝试了几天，还真就侥幸凑了出来，无论是长波还是短波都适用。

这就是著名的普朗克黑体公式。公式刚弄出来，普朗克当然大喜过望，可高兴过后立马发现自己的处境极其尴尬。因为它不是推导出来的，而是拼凑出来的。即便管用，也完全不知道他为什么管用。

就像考试答案是偷看来的一样，因为不是自己算出来的，所以到老师面前去答辩的时候，依然说不清楚。

普朗克又折回头来，研究自己的公式，找寻它背后所隐藏的物理意义。经过反复的研究，普朗克发现，要让公式背后的意义成立，需要有一个前提假设，就是能量在传递的时候必须要是一份一份的，它不可以无线分割，必须要有一个最小单位。这个单位就是后来的“量子”。正是这个假设，让曾经被认为坚不可摧的经典物理世界土崩瓦解。为什么呢？能量不是连续的，这有什么了不起的？

要知道，自从伽利略和牛顿，用数学规则驯服了大自然之后，一切的自然过程都是被当做连续不断的。你想想看是不是这样，说气温从20度上升到30度，这个过程必然经历21度、22度、23度、24度，25.8度，29.99度。总之就是在这个区间内，某一个时刻肯定精确的等于某一个值的。

就像是一条直线上有ABC相邻的三个地方，汽车要从A点到达C点必然要经过B点，自然的连续性就是不容置疑的放在那里，以至于不会有人去怀疑这一点。

这种连续性和平滑性，也是微积分的基础，牛顿、麦克斯韦的庞大体系都是建立在此基础之上的。那普朗克的假设当然就等于是移走了经典物理大厦地基。

普朗克认为能量的释放就像是我们花钱，每一次最少最少我们也要付出去一分钱，你花不出0.2分钱，因为没有比分更小的钞票了，所以我们付钱的过程一定就是不连续的。1和1.01这两个数字之间存在无限多个数字，但是1块钱和1.01块钱之间是不存在。

普朗克发现，能量的传输必须要遵循货币一般的方式。1900年12月14日，普朗克将自己的大胆假设公之于世。这一天被认为是量子的诞生之日。

但是量子论与其他重大理论的诞生并不一样，牛顿的力学体系从诞生的那一刻起就有着一种天上地下唯我独尊的气魄；麦克斯韦方程组简洁深刻，倾倒众生，从一出生就被看作是上帝谱写的诗歌；相对论的光芒也是稍经发掘就立刻照亮了整个时代。它们的诞生都像是闪电划破夜空，引起了众人欢呼。

而量子的诞生伴随着巨大的阵痛，它的思想如此的反叛，招致了无数的反对。最具讽刺的量子的创始人普朗克他自己。作为一个传统物理学家，并没有革命的魄力。他虽然提出了革命性的量子假设，但他却被这个离经叛道的思想而深深困扰。

如果能量是量子化的，那么麦克斯韦的理论首当其冲，普朗克认为这是不对的。所以他一再强调，量子论并非物理事实，而纯粹是为了方便计算而引入的一个假设而已。

甚至到后来，大家都发现了量子将带来巨大革命的时候，普朗格自己都不能接受这个结果。当然了，普朗克的态度是完全可以理解的，因为量子的思想太过于惊人，所以在后来量子论的成长过程中，很多科学巨人都参与推动它的工作，可最终却因为无法接受它惊世骇俗的解释而纷纷站到了保守的一边，这张闪闪发光的名单里不仅有普朗克，还有瑞利、汤姆逊、德布罗意、薛定谔乃至爱因斯坦。

量子竟然是在与它的创建者们的斗争中成长起来的，每一步都艰难而痛苦。既然连亲生父亲都不敢认自己，这个新生的孩子自然是备受冷落。此后人们一直以一种鸵鸟心态在使用普朗克黑体公式，掩耳盗铃版的不去追究公式背后的意义。

时间就这么过去了4年多，直到1905年。这一年被称之为物理史上的奇迹之年，因为在这一年一位超级天才，连续发表了6篇划时代的论文。他就是阿尔伯特·爱因斯坦。在这6篇论文当中，爱因斯坦解释了布朗运动，提出了大名鼎鼎的狭义相对论，还证明了物理史上最著名的公式E=mc²。

而其中有一篇论文，为爱因斯坦在之后赢得了诺贝尔物理学奖，也是他让量子论来到历史舞台的中央，并且引爆了第三次波粒战争，这篇论文是对于光电效应的解释。
啥叫光电效应呢？人们很早就发现，用光照射金属，光可以从金属表面打出电子。什么道理呢？光是一种能量，照射到金属上，相当于给金属上的电子提供了一些能量，于是电子就可以脱离金属的束缚，飞出去。

但是光电效应所表现出的规律令人匪夷所思。什么规律呢？频率越高的光，像是紫外线，更容易打出电子。而频率低的光呢？像是红光，黄光，就不行。而这和光的强度无关，再弱的紫外线都可以，但是再强的红光都不行。而只有在频率够的情况之下，强度越高打出的电子才越多。

这就非常非常的奇怪了，你电子不就是需要脱离束缚的能量吗？根据波动说，波的强度越强就等于它的能量越大啊。你要能量我多多的给你怎么就还不行呢？而频率是啥？只是波震动的频繁程度而已啊。搞什么啊？在光电效应上，难道上帝不小心把光的强度和频率给弄反了？

爱因斯坦怎么解释这个问题的呢？他是从普朗克的量子假设出发的。普朗克认为能量的传递是一份一份不连续的，有一个基本的能量单位叫做量子。爱因斯坦说，把光看作由一粒粒光量子组成，一切就简单了。

光的频率越高，那么单个光量子的能量就越高。而光的强度越高，只代表光量子的数量越多。而且能量没有连续性，不能累计，一个光量子激发出一个对应的电子。因此低频的光，单个光量子的能量不足以激发出点子，所以你有再多的光量子也无济于事。

爱因斯坦将量子论引入其中，光电效应的难题迎刃而解。

同学们感觉到什么？光量子？光的问题不是已经被定性了吗？作为一种电磁波已经被麦克斯韦理论收入囊中。现在这又是怎么回事儿呢？

这个时候，离托马斯杨的时代又已经过去了100年，冥冥中天道循环，当年被打倒在地上的霸主微粒说，以反叛者的姿态再次登上舞台，向占据着王位的波动说发起挑战。

这一次双方是僵持不下，虽然微粒可以完美的解释光电效应，但是别忘了双缝干涉条纹，光的干涉现象还是要依仗波动理论。于是对于光的本质，同时存在着两种截然不同的说法，长期形成了一种势均力敌的状态，这在物理史上是非常罕见的。

光子一陷入干涉的沼泽，就笨拙地无法自拔，而光波一进入光电的丛林，也变得茫然无措。到底是粒子还是波？在人类文明达到高峰的20世纪，却对宇宙中最古老的现象是束手无策。

当时的物理学界非常的苦恼，正好1911年的时候，有一位商人叫做索尔维，他对物理学非常的兴趣，虽然自己已经错过了投身其中的青春年华，但是他愿意慷慨解囊解囊，把全世界那些最聪明的大脑，像是普朗克、爱因斯坦、洛伦兹、卢瑟福这样最优秀的物理学家全部召集到一起，进行学术交流。

1911年10月30日。第一届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开，24位最杰出的物理学家参加了会议，会议的主题就是量子。量子这个刚出生就被冷落的小家伙，随着这一次会议，站到了物理学舞台的正中央。

后来，这一次会议被称为“巫师盛会”。或许，这就是量子这位魔法师在施展神技前所吟唱的最后的咒语。

节目的最后，关于奇迹年，我们再多说两句。整个科学史就是以天才的名字来点缀的灿烂银河，而有几颗特列明亮的星辰。他们的智慧在某一个时刻散发出的辉煌，令人叹为观止，无法形容，所以只能冠以奇迹的名号。

科学史上有两个这样的年份，分别是1666年和1905年，与之相关的两位天才便是牛顿和爱因斯坦。

1666年，23岁的牛顿为了躲避瘟疫，回到乡下老家。在那段日子里，他发明了微积分，完成了光的色散实验分析，并开创了万有引力定律。这一年中，他分别为数学、力学和光学打下了基础，其中的任何一项都是开天辟地的壮举，足以令他名垂青史。很难想象一个人的思维能够在如此短的时间之内涌动出这么多的灵感。

1905年，26岁的爱因斯坦蜗居在专利局，却一连写了6篇论文。3月18日，是我们刚才提到的光电效应，成为量子理论的重要基石。4月30日，关于测量分子大小的论文为他赢得了博士学位。5月11日和12月9日的两篇是关于布朗运动，成为分子论的里程碑。6月30日，是如雷贯耳的狭义相对论。9月27日，是对狭义相对论的进一步说明，并在其中提出了质能方程。

爱因斯坦这一年的工作，至少配得上3个诺贝尔奖。而相对论的意义，更是已经超越了诺奖所能评价的。这一切的一切都是在专利局的办公室里，一个人用纸笔所完成的，太不可思议了。

随着科学不断的高度精细化，今天已经没有人能够单枪匹马的做出如此巨大的贡献。爱因斯坦的相对论极有可能是最后一个富有个人英雄主义传奇色彩的物理理论。这是我们的幸运，也是我们的不幸。

好了，今天我们就先聊这么多。如果我有帮助到您，也希望您愿意帮助我，一个人能走多远，关键在于与谁同行，我用跨越山海的一路相伴，希望得到您用金钱的称赞。

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