作者：(美)麦克沃伊(McEvoy,J.P.),(美)扎阿特(Zarate,O.)
出版社：清华大学出版社
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画说量子论试读：
什么是量子论？
量子论是人类思想史中最为卓越光辉的一页，它不但阐明元素周期表的构成和化学反应的发生，还精确预见到激光器和微电子芯片的运行以及DNA的稳定性、原子核的α粒子嬗变。
玻尔在1927年对量子论的阐述至今仍被普遍接受。但是，爱因斯坦在1930年提出一个理想实验（thought experiment，或想象实验），对理论的基本框架提出了疑问。直至今日，争论仍在进行之中。是不是爱因斯坦又一次豁然贯通掌握了真理？或者这里面还需要补充什么内容？现在，让我们把这故事原原本本慢慢道来。
量子论缘起
话说19世纪与20世纪交替之时，物理学家们对自己关于物质和电磁波辐射的本质的认识充满自信，甚至认为任何与这些经典图像矛盾的新概念都应该不屑一顾。
牛顿（1643—1727）和麦克斯韦（1831—1879）的理论除了精确的数学表述无懈可击之外，多年来由他们的理论得出的许多预言都被精细的实验确认。理性的时代发展到了一个确定论的时代。
经典物理学家
“经典”物理学家可定义为19世纪以来，由牛顿力学和麦克斯韦电磁理论培育起来的物理学家。这两个理论可算得上是人类思想史上对物理现象在当时最成功的总结。通过观察来检验理论，是伽利略（Galileo，1564—1642）以来一切可信赖的物理学的特征。他展示了怎样设计实验，怎样进行测量，以及如何把数学定律的预言和测量结果相互对照比较。
理论和实验相互影响、相互印证已经成为科学界最佳的行事通则。
一切都已经证明……
在18、19世纪，牛顿定律经受了合理实验的仔细检验，并得到充分肯定。
这一切使得经典物理学家都十分自信！
“小数点后第六位起或许还剩下点事情可做”
英国格拉斯哥（Glasgow）大学的权威经典物理学家开尔文爵士（Lord Kelvin，William Thomson，1824—1907）在1890年4月27日说到，牛顿世界简直是万里晴空，不过，这里还有两朵乌云。[开尔文说，“The beauty and clearness of the dynamical theory，which asserts heat and light to be modes of motion，is at present obscured by two cloulds.Ⅰ. The first came into ... Ⅱ. The second is ...”在同一年开尔文还说过，“There is nothing to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.”意即物理学已经不会有什么新发现了。剩下的事就是要把测量搞得更加精密。这类话可能说过多次。——译注]
在1894年6月，美国诺贝尔奖获得者迈克耳孙（Albert Abraham Michelson，1852—1931）在引用开尔文的话时有夸张曲解之嫌。
他后来一直为自己的话后悔不已。[迈克耳孙说的是“In physics there were no more fundamental discoveries to be made （物理学不会再有新的重要发现了）”和“An eminent physicist remarked that the future truths of physical science are to be looked for in the sixth place of decimals.（一位物理大师指出，进一步的物理实在只能到小数点后第六位之后去找了。）”——译注]
经典物理学基本假定
经典物理学家建立了一整套集中代表他们思想的假定，使得新思想很难再被接受。下面是他们关于物质世界的一组信念。
1）宇宙就像一部装在绝对时间和绝对空间中的巨大机器。复杂运动是由这部机器内部各构件之间的简单运动所组成，即使有些部件是不能都看到的。
2）牛顿的归纳总结意味着所有运动都有原因。如果一个物体展现运动，则总能找到导致这运动的原因。这就是因果关系，没人对此置疑。
3）如果已知物体在某个时刻（例如现在）的运动状态，就可确定将来和过去任意时刻的状态。所有事件都是过去的原因造成的后果，都是确定的。这就是确定论。
4）光的性质由麦克斯韦电磁波理论完全描述，并被1802年托马斯·杨的一个简单双缝实验中的干涉条纹所证实。
5）物质运动有两种形式：一是粒子，一种不可穿透的球形体，类似台球。另一是波，类似于海洋表面冲向岸边的浪。波和粒子互不兼容，即能量载体要么是波，要么是粒子。
6）对于系统的性质，如温度、速度的测量，在原则上可以达到任何精度。误差可通过减少观测者探测时的干扰或用理论校正来解决。即使对微观的原子系统也不例外。
经典物理学家对所有这些陈述都坚信不疑。但是所有这六条假定其实都是值得怀疑的。最早认识到这些问题的是1927年10月24日在比利时中央旅舍（Metropole Hotel）聚会的一群物理学家们。
1927年索尔维会议：量子论的公式表述
在第一次世界大战爆发三年前，比利时企业家索尔维（Ernest Solvay，1838—1922）在布鲁塞尔发起了系列性国际物理会议。参加者多通过个别邀请，与会者人数一般为30人左右，每次会议事先确定讨论主题。
前五次会议在1911—1927年之间召开，以极不寻常的方式记录了20世纪初物理学发展的历史。1927年的会议专注量子理论，与会者中对量子论有奠基性贡献者不下9人，后来这几位均因其贡献被授予诺贝尔奖。
1927年索尔维会议上这张照片是个很好的起点，来介绍大部分的现代物理学理论的最主要的参与者。后代人一定感到十分惊奇，1927年这次会议，在这么短的时间和这么小的一个地方，是如何把这些量子物理的权威聚集起来的？
科学史上很少有这样一个时期会在这么短时间内被这么几个人清楚地阐述如此多内容。
看一下第一排居里夫人（Marie Sklodowska Curie，1867—1934）旁边那位愁眉苦脸的普朗克（Max Planck，1858—1947）。普朗克一手拿着礼帽，一手拿着雪茄，一副筋疲力尽、狼狈不堪的样子，原来他多年来一直力图推翻自己对物质和辐射的革命性思想，自己跟自己过不去。
几年后的1905年，瑞士专利局一位年轻职员爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）推广了普朗克的观念。
照片里的爱因斯坦坐在前排正中，穿着笔挺的西装正襟危坐。从1905年的文章之后，20年来他一直对量子论问题十分关注，但没有任何实质的深入。整个这时期，他对理论的发展不断有所贡献，他也支持其他人那些似乎不够严谨的原创思想。10年前（1915年），他那最伟大的广义相对论已使他在国际上名声大振。
在布鲁塞尔，爱因斯坦就量子论的非同一般的表述和众所服膺的“丹麦大个”尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962）展开了辩论。玻尔不是一个人，他有一群人联合在一起捍卫量子论的诠释和理解。玻尔坐在照片中间那排最右边，显得很放松和自信，这位42岁的资深教授正春风得意，这时他的权威性在物理界中达到最高峰。
爱因斯坦的后面，最后一排的薛定谔（Erwin Schrödinger，1887—1961）很引人注目，他随意地穿着运动服，戴着蝴蝶领结，在他的左边隔着一人是刚刚二十来岁的泡利（Wolfgang Pauli，1900—1958）和海森伯（Werner Heisenberg，1901—1976），在上述几位前面一排有狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）、德布罗意（Louis de Broglie，1892—1987）、玻恩（Max Born，1882—1970）和玻尔。在今天这些人都成为永垂不朽的存在，由于他们揭示微观世界的基本性质的贡献：薛定谔波动方程，泡利不相容原理，海森伯测不准关系（不确定关系），玻尔原子模型，德布罗意波，玻恩波幅概率诠释，狄拉克符号，等等。
他们从老到少，年纪最大的普朗克69岁，最小的狄拉克25岁，后者在1928年完成了相对论电子理论。[注意，那时的爱因斯坦已经48岁了。——译注]
在1927年10月30日，拍照后第二天，玻尔和爱因斯坦之间的历史性争论一直萦绕在与会者的心中，从布鲁塞尔中央车站上车，分别带回到了柏林、巴黎、剑桥、哥廷根、哥本哈根、维也纳和苏黎世。
他们带着科学家们想象的各种稀奇古怪的思想。多数人暗地里大概是同意爱因斯坦的想法，即认为这个疯狂的量子论只是向一个更完善理论过渡的一步，它还会被一个更好的东西取代，后者应该与常识更接轨。
现在让我们回过头来看一看，量子论到底是怎么产生的。什么样的实验迫使这些最最小心谨慎的人放弃经典物理学的信条，并提出违背常识的关于自然界的新思想呢？
在学习这些实验引起的迷茫和矛盾之前，我们需要有一些热力学和统计物理的背景知识，这些是发展量子论的基础。
什么是热力学？
热力学顾名思义就是关于热的迁移或运动的学说，热总是从高温物体流向低温物体，直到二者温度相等，这就称作热平衡。
确切地说，热代表一种振动方式……
热力学第一定律
解释热流动的力学模型在19世纪的英国发展得很快，这是建立在苏格兰人瓦特（James Watt，1736—1819）发明蒸汽机的成就之上的。
不久，曼彻斯特一位酿酒师的儿子焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）证明，热量与机械功之间有等当关系。
这时就有人说，“既然热可以转变为功，它必定是一种能量的形式（古希腊语中的‘能量’意味着‘包含有功’）。”直到1847年才知道事实并非如此，这是倍受尊敬的科学家亥姆霍茨（Hermann von Helmholtz，1821—1894）指出的。
这就叫能量守恒定律。它并不受我们讨论的新理论影响，在现代物理中仍然是一个基础。
克劳修斯：两条定律
1850年，德国物理学家克劳修斯（Rudolf Clausius，1822—1888）发表文章，称能量守恒定律为热力学第一定律。同时，他声称还存在热力学第二条定律，因为在系统的热力学过程中总存在着无用的热，或者总能的某个部分是虚有其表（即不能转化为功的部分）的。
克劳修斯引入一个称作为熵的新概念，它是根据热从一个物体迁移到另一物体的过程来定义的。
一个孤立系统的熵总是在增加，直到系统达到热平衡（即系统中各物体温度相等）为止，这时系统的熵达到极大值。
原子的存在
希腊哲学家德谟克利特（Democritus，公元前460—前370）第一个提出原子（希腊语“不可分”之意）的概念。
这个思想受到亚里斯多德的质疑，争论长达数百年之久。一直到英国化学家道尔顿（John Dalton，1766—1844）在 1806年用原子概念预示出元素和化合物的化学性质为止。
但是一百年之后，爱因斯坦的一项理论计算和法国人佩林（Jean Perrin，1870—1942）的实验才令人信服地接受原子存在的事实。
然而在19世纪，即使缺乏物理学方面对原子的证明，很多理论家都已应用了这个概念。
双原子分子的平均处理
苏格兰物理学家麦克斯韦是一位坚定的原子论者，他在1859年建立了气体的（分子）运动论。沙的晶粒含几十亿个原子一个水分子含三个原子每个氢气、氧气、氮气分子含两个原子一个DNA分子含上百个原子
这定性地符合气体的物理性质，即加热使气体分子更快运动，并与器壁碰撞得更频繁。
麦克斯韦理论用统计平均来了解宏观性质（即可在实验室里测量的性质），这种统计平均可以从气体分子集合的微观模型来预示。
麦克斯韦作了四项假设：佩林看到的无规则运动
要计算这么多粒子的每一个单独运动显然不可能。麦克斯韦根据牛顿定律所作的分析表明，温度是分子速度平方的平均值的一个度量。所以说，热源于原子或分子无休止的无规则运动。
麦克斯韦理论的真正重要性是根据他的模型预言了分子速度的概率分布。换言之，给出了速度的一个分布范围，它说明整个集合是如何偏离平均值的。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]