【科学简史】大话量子力学

壹 潘多拉之盒

一切始于1900年的英国。

只因为76岁的开尔文说了一句话。

“力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在它被两朵乌云遮住了，第一朵出现在黑体辐射实验和理论的不一致，第二朵在关于能量均分的麦克斯韦—玻尔兹曼理论上。”

开尔文—温度单位就是以我的名字命名的

晴朗的天空只有两朵乌云，就是有强迫症的我也受不了啊。

果然，德国的马克斯·普朗克受不了了。

马克斯·普朗克的侧颜杀

于是，他拿起了黑体辐射问题的接力棒。

然而，与黑体辐射的对决之旅却也太漫长了一些。

六年后，普朗克放弃了。

他决定用最简单粗暴的方式，拼凑一个公式出来。

意外的是，这个完全侥幸拼凑出来的经验公式竟然大获全胜。

既然公式是对的，那么公式背后的秘密是什么呢？

为了揭开谜底，普朗克经过研究后得到了下面一个结论：

“必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”

这无疑使得整座经典物理大厦开始摇摇欲坠，即使是普朗克已经做好抛弃一切现有物理学原理的准备，也被这一结论惊讶得目瞪口呆，以至于连普朗克自己都把它丢进了垃圾堆。

普朗克没有想到的是，潘多拉之盒已被打开，魔鬼已经从封印的瓶子里放了出来。

这一魔鬼迟早会被一些不安分的人拿来搞事情。

贰 不安分的两大巨人

爱因斯坦就是个不安分的年轻人，头发乱糟糟的，不喜欢上课，喜欢思考一些奇怪的东西。

就在1905年，爱因斯坦在《物理学纪事》杂志上发表了一篇论文，题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。

普朗克怎么都不会想到，被大部分权威和自己冷落到角落里去的垃圾论文，被爱因斯坦给捡了回来，而且他还从普朗克的量子假设那里出发，阐明了电磁理论无法解释的光电效应现象，这一研究还让后来的爱因斯坦收获了诺贝尔物理学奖。

那没办法了，如今支持量子假设的人，是提出相对论的大佬，提出E=mc2的天才，人们可以反对量子假设，却再也没有人敢再忽视它的存在。

阿尔伯特·爱因斯坦

而到了1913年，为了解释氢原子的谱线，同样不安分的玻尔也引入了普朗克的量子假设，并先后发表了三篇论文到《哲学杂志》上。

由于这几篇文章在量子物理史上有着划时代意义，被后人称为伟大的“三部曲”。

明星守门员尼尔斯·玻尔

叁  两页博士论文拿诺贝尔奖

1919年，法国巴黎。

灯红酒绿的街道上走着一个年轻人，这个人叫德布罗意。

在当时，这名字屌得就跟你说你姓爱新觉罗一样，德布罗意是一个典型的富n代。

富n代路易·维克多·德布罗意

德布罗意大学主修的专业是历史学，和物理本没有半点关系。可大学毕业后的德布罗意并没有继续研究历史，而是选择了让他着迷的量子论。反正他既不愁吃穿，也不用买房买车，学习一下最潮的量子论用来装X还是不错的。

于是，一时冲动的他告别了奢侈糜烂的资本主义生活，进入了一派宗师朗之万门下完成博士学位。

终于，德布罗意用了五年的时间证明了，自己学习物理是真的不行。

可是不行归不行，毕业论文还是要写的呀，自己什么都不会，那怎么办？

德布罗意转念一想，爱因斯坦不是说光既是粒子又是波吗，那我就说所有的物质都既是粒子也是波，反正也没人证明的了。

对此不得不说，德布罗意

最终，德布罗意提交了自己的博士论文。

不计封面，论文只有一页多一行。

不过在没有百度、没有谷歌的年代，其实能写两页已经很不容易了。

论文的核心就是，所有的物质既是粒子也是波，物质的动量和能量满足：

看着还挺厉害的，问题是这俩公式其实都是从爱因斯坦的光电效应那篇文章中抄过来的。

这样一篇论文，毕业答辩被毙掉应该是没跑了。

德布罗意的老板朗之万着急了。

谁让人家老爸是一位位高权重的内阁部长呢，这可得罪不起。

没办法，朗之万只好往他的好朋友爱因斯坦那里寄了一封信：

尊敬的爱因斯坦阁下：

在我这里有一位研究生，已经攻读了五年的博士学位，如今即将毕业。给你看他的毕业论文！当中有一些想法……我觉得很新鲜……

……请问您怎么看？

另，该研究生的父亲是弊国的伯爵，内阁的**部长……

若您……将来您来法国一定会受到最隆重的接待！

——朗之万

翻译过来就是，我想让我的学生毕业，同不同意你就一句话，你要是不同意，以后就甭来法国了。

不知爱因斯坦是碍于德布罗意的出身，还是真的喜欢他的想法，爱因斯坦竟对德布罗意的论文大家赞赏，并回复了一个表情：

其实，德布罗意走不走，跟答辩评委没有半毛钱关系，现在连爱神都说interesting了，要是再为难德布罗意，那就等于叫板爱因斯坦了，于是大家也就心照不宣了。

德布罗意开心地走人了，可是他竟然敢说：光是波，电子也是波，一切物质都是个波！

电子怎么可能是个波呢？这在物理学界简直就是一个笑话。

然而历史总是充满了笑话。

1925年，美国纽约的贝尔电话实验室，戴维逊和革末在做有关电子的实验时竟意外观察到了电子的衍射图案，而后又被G. P.汤姆逊进一步证明了电子的波动性。

电子射线经过晶体的衍射图

德布罗意也因此成为第一个靠博士论文获得诺贝尔奖的人。

肆 薛定谔方程与矩阵力学

按照当时欧洲的学术传统，朗之万需要将德布罗意的博士论文送到欧洲各大学物理系传阅。

大家都以为，这篇文章从此会被淹没在垃圾堆里无人问津。

然而，历史并没有按照所有人以为的轨迹去发展，只因为德布罗意的论文来到了维也纳大学。

当时维也纳大学的物理系老大叫德拜，本来嘛，德布罗意就是想忽悠一个博士学位而已，德拜自然对他胡说八道的论文没什么兴趣，可爱因斯坦的面子又不能不给，于是，德拜推给了组里的一位老师，随口说道，既然德布罗意说所有的物质都是波，那总得有个波动方程吧，你去找找这个方程是啥吧，下次给我讲讲。

组里的这位老师名叫薛定谔。

风流物理学家埃尔温·薛定谔

没办法，薛定谔只好带着自己的情妇一边度假，一边研究这个方程。

关键是，这个方程还真被他给找到了！

不过，找到归找到，没有人承认它，本来德布罗意的论文就是垃圾，从垃圾堆里翻出来的东西能有啥用。

甚至还有一首打油诗讽刺薛定谔和他的方程：

埃尔温的psi，算来真灵通；

psi是个啥，没人看得懂。

psi是薛定谔方程中的波动变量，埃尔温是薛定谔的名字。

话分两头，爱因斯坦的光量子直接启发了德布罗意和薛定谔，而玻尔的“三部曲”则深刻影响了另一位年轻人海森堡，他在研究了玻尔的文章以后，以一个更加全面的理论解释了氢原子的光谱线问题，这一理论也被称为矩阵力学。

后来，薛定谔、泡利、约尔当竟然各自证明，薛定谔方程与矩阵力学在数学上是完全等价的！

倚天屠龙，竟然神奇地合二为一，举世震惊！

谁还敢再嘲笑薛定谔和他的方程？

伍 波函数是个啥东西

尽管如此，还有最后一个问题。

我们平时看到的电子明明是一个一个的，那电子的波函数到底是个啥？

这个问题连薛定谔自己都无法回答。

这时，波恩站了出来，神秘地说道：

“我猜，电子的波函数是个……骰子。”

“你是说，类似拉斯维加斯赌场的骰子？”

“是的！”

“那怎么可能？”

“其实，薛定谔方程的波函数代表了电子在某个位置出现的概率，电子到底出现在哪里是我们无法确定的，我们只能预言概率而已。”

年轻的波恩也是很帅的

这一解释直接惹怒了物理学界的大神爱因斯坦，作为因果关系的坚定拥护者，他实在无法忍受概率出现在物理学里面，以至于后来爱因斯坦与玻尔两大宗师就量子力学的本质展开了激烈交锋，这在很大程度上促进了量子力学的进一步发展。

爱因斯坦与玻尔

后来，经过狄拉克、克莱默、约尔当、朗道等几代物理学家的努力，量子力学的殿堂终于建立起来。

然而，也正是这些人的不懈努力，如今物理学的太空已经是乌云密度，何时才能守得云开见日出，恐怕就得靠我们现代人的努力了。

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作者：要改变世界的小柚子

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