量子百年话创新_杨福家院士事迹

量子百年话创新_杨福家院士事迹

尼尔斯·玻尔：如果谁在第一次学习量子概念时，不觉得糊涂，那么，他就一点也没有懂。

“紫外灾难”引爆“量子革命”

灼热的物体会发热、发光。发热也好、发光也好，都是电磁辐射。热辐射中包含很多红外辐射，即比红色光波长更长的辐射。红外取暖器就是利用这样的辐射。可见光——红橙黄绿青蓝紫，红光波长最长、频率最低；紫光波长最短、频率最高；比紫光波长再短的光，就是紫外光，再短就是X光、伽马光。

灼热物体发热、发光所发出的辐射中含有多种波长。那么，辐射的强度与辐射的波长有什么关系呢？红外、红光、紫外，其波长各不相同，哪一种波长的辐射所含有的强度更高一点呢？这是20世纪行将结束时，科学家最关心的问题之一。当时有两位科学家，按经典理论导出的公式很好地解释了长波辐射与强度的关系，到了短波部分却出现了“紫外灾难”，即波长越短、频率越高、强度越大。那么，紫外线波长最短，所含强度就最大，即辐射强度都被紫外光分走了！显然与实验事实不符。经典物理出现了灾难性的后果，令人赞美不绝的、甚至被某些人认为已完美无缺的经典物理大厦的上空出现了令人不安的乌云！(www.guayunfan.com)1900年10月19日，马克斯·普朗克[2]凭借他丰富的经验，凑出的一个公式，与最好的实验结果相比，符合得几乎天衣无缝！普朗克在喜出望外之时，下决心寻找此公式的理论根据。经过两个月的日夜奋斗，终于在12月14日从理论上导出了这一公式，先决条件是假定灼热物体吸收或发射辐射的能量必须是不连续的，即能量E=nhν，其中n必须是整数，即1，2，3…；ν是辐射的频率；h是常数，后被称为普朗克常数，它是能量最小化的量度，即分立性的量度。能量大小只能是一个hν、两个hν…，而不能是半个或一个半hν。量子的概念由此诞生！但是它与经典物理连续、平滑的概念相冲突，很难为人们所接受，连普朗克自己都不相信。他只好说，去商店内买黄油，只能一块一块买，但回来后可由你任意切割。量子概念的深刻含义及其给20世纪科技带来的革命风暴那时尚无人能够预料与理解。

马克斯·普朗克

过了五年，阿尔伯特·爱因斯坦[3]登场。在1905年，爱因斯坦不仅发表了相对论，而且用量子论解释了1887年赫兹就已观察到的、经典物理无法理解的光电效应。在观念上，爱因斯坦比普朗克进了一步：不仅认为物体吸收、发射辐射时，能量是一份一份的，而且辐射本身是量子化的。黄油不仅是一块一块包装，而且从本质上是切不开的。爱因斯坦依据光的量子说，解释了光电效应，获得了1921年诺贝尔物理学奖。

阿尔伯特·爱因斯坦

再过了八年，即1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔[4]一连发表三篇文章，把量子观念引入原子。正像英国喜剧作家吉尔伯特（W.S.Gilbert，1836—1911）的喜剧《爱奥兰茜》中的大法官，在“仙女嫁凡人者死”中加了一个“不”——“仙女嫁凡人者不死”，摆脱了仙女的困难。尼尔斯·玻尔在经典物理支柱之一——麦克斯韦经典电磁理论（“绕一个原子核旋转的各个电子会辐射其能量并沿螺旋线缩进原子核”，因此，原子无法稳定存在）中也加了一个“不”字。玻尔大胆提出“……绕一个原子核旋转的各个电子不会辐射其能量并沿螺旋线缩进原子核”！从而解脱了他的导师卢瑟福的模型（原子中电子绕中心核运动）的困难，使原子能稳定存在。玻尔把当时人们持极大怀疑的普朗克、爱因斯坦的量子化，当时无人承认的卢瑟福的模型，与表面上毫不相干的、当时属于化学范畴的光谱实验巧妙地结合了起来，解释了近30年之谜——巴尔末氢光谱公式！即氢光谱不是连续谱，而是离散谱，正好与量子化相对应。玻尔理论不仅得到了光谱实验的支持，而且还为与光谱完全独立的弗兰克-赫兹实验[5]所证明，即实验中电子与原子相碰撞，电子的能量只能一份一份地被吸收，半份能量被原子所拒收，从而使量子概念有了可靠的实验依据。为此，玻尔获得了1922年诺贝尔物理学奖。

尼尔斯·玻尔

为庆祝玻尔的成就，在玻尔获奖后，世界物理中心之一的德国哥廷根举行了“玻尔节”，请玻尔发表演讲。在听众中有一位年仅21岁的学生——维尔纳·卡尔·海森伯[6]，随导师阿诺德·索末菲（1868—1951）来到演讲厅。一方面，他体验到了大师的演讲“每个字句都经过推敲，而且背后隐藏着深邃的思索”；另一方面，他真是初生牛犊不怕虎，面对物理学大师，居然敢于提问，而且是极具挑战性的问题。玻尔立刻感到问题击中要害，而且还包含一种不寻常的概念。会后，他邀请海森伯外出散步，玻尔不“捣糨糊”，他既然回答不了，就向年轻人请教，并作了颇为深入的讨论。后来，海森伯在很多场合中说过（包括笔者曾亲耳听过的报告——1964年我在哥本哈根听海森伯领取“玻尔奖”时的演讲），那是他一生中最重要的一次散步、是决定他命运的散步——“我的科学生涯从这次散步开始”。不久，玻尔邀请海森伯去哥本哈根工作一段时间，并让他住在哥本哈根大学理论物理研究所（1965年改名为“尼尔斯·玻尔研究所”）的阁楼上，而玻尔一家当时也住在旁边的一座小楼内。玻尔不仅在研究所内经常与海森伯等一批年轻人讨论，而且还与海森伯在他可爱的祖国——丹麦，作了三天徒步旅行。海森伯学到了物理学，他理解了玻尔的爱国主义精神，玻尔的精神气质。从此，诞生了海森伯的名言——“科学扎根于讨论”。在海森伯与玻尔相遇后10年，他因“创建量子力学”而一人获1932年诺贝尔物理学奖。普朗克、爱因斯坦、玻尔的量子论，经过海森伯、泡利、薛定谔、狄拉克、玻恩等一批科学家的努力，终于发展成一门比较成熟的学科——量子力学。

维尔纳·卡尔·海森伯

尽管人们对量子力学的含义还有争论，但是量子学说的革命性概念处处取得成功，量子力学在实际中得到了巨大应用，诚可谓“战无不胜”。半导体、激光、超导……无一不与量子论有关，现在甚至有人在谈论“量子计算机时代”快要到来！1988年的诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼（就是那位把希格斯玻色子称作“上帝粒子”的物理学家）估计，当今世界国民经济总产值中25%来自于量子现象有关的技术。

敢于向世界说“不”

百年前发生的量子革命是激动人心的，那一段时期发生的创新故事可以说是百听不厌的，它们给我们的启示则是既深刻又发人深省的。

普朗克之所以能解决“紫外灾难”，是靠了深厚而又广博的基础，他通晓物理学每个领域的基本知识，但他在当时毕竟已属老年辈了（42岁），新的量子概念与他熟知的经典物理学是如此格格不入，致使他难以接受。普朗克在以后的十几年内总是想把量子概念纳入经典轨道，甚至对爱因斯坦的光量子说，他也批评为“迷失了方向”。

爱因斯坦（1905年时26岁）、玻尔（1913年时28岁），正处于风华正茂的年代，他们举起了创新旗帜，带领海森伯等一批年轻人向旧世界宣战。他们都是敢于向旧世界说“不”的人！

不管普朗克愿意不愿意，他被实验事实逼上了梁山，“孤注一掷”地提出，能量是不连续的；爱因斯坦深化了这个“不”字，而且在相对论里又说了一个“不”：光速是不变的；玻尔则说，在微观世界里，绕核运动的电子是不辐射的；海森伯更提出了量子力学中最关键的一个关系式“不确定关系式”，他们都以一个“不”字与基于完全确定论的经典物理彻底决裂！

不过，所有这些“不”都不是无中生有，而是有坚强的实验事实为依据的。“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验，有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面，但只有使用两条腿，才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升为理论，然后再在实践中加以检验。”（密立根在1923年获得诺贝尔物理学奖时的演说词之一句）

正是靠了黑体辐射实验、光电效应实验、原子光谱实验、弗兰克-赫兹实验……一连串的“不”字才能响彻云霄。

“不”，是一个否定意义的字，但是百年前开始的物理学革命风暴并非否定一切。牛顿力学、麦克斯韦电磁理论，作为19世纪的伟大科学成果，仍然是当今科技世界的理论支柱，卫星上天、宇宙飞行、电气世界，都以它们为基础。只是当人们的探索范围深入到微观世界时，主宰分子、原子、粒子运动规律的才是量子力量，描述高速（接近于光速）运动物体规律的才是相对论！李政道、杨振宁提出“宇称不守恒”，只是指发生在弱相互作用范围的宇称不再守恒。创新是在已有基础上的创新，有旧，才有新。

要创新，必须有适合新事物成长的肥沃土壤。玻尔的贡献不仅在物理学，还在于他创造了一个和谐的、有利于创新的环境。在他成名以后，英、美、德的邀请源源而来，但是他立志在不到500万人口的祖国大地上创建世界物理学中心。丹麦原先连物理学教授都没有，在1916年才为玻尔专设了一个物理学教授的位置。1921年，在玻尔的努力下，哥本哈根大学理论物理研究所成立，它很快就成为世界三大理论物理学的中心之一。在研究所里，既有22岁当讲师、27岁当教授、31岁获得诺贝尔物理学奖的海森伯和作为“上帝的鞭子”、不断指出他人论文中缺陷的泡利（1945年获诺贝尔物理学奖），又有开玩笑不讲分寸的朗道（1962年获诺贝尔物理学奖），以及“几乎把画漫画、写打油诗作为主要职业，而把物理学变成副业”的伽莫夫（放射性衰变理论创造者之一）。

研究所很快成了“物理学界的朝拜圣地”，这个圣地的中心人物当然是玻尔。他事业心极强，夜以继日地工作，但又幽默好客，不摆架子；他爱才如命，到处物色有希望的年轻人来所工作；他积极提倡国际合作，以致被人誉为“科学国际化之父”。

哥本哈根的气氛使人感到繁忙、激动、活泼、欢乐、无拘无束、和蔼可亲。哥本哈根精神随着量子力学的诞生而诞生，并成了物理学界最宝贵的精神财富。

天空中又出现了乌云

21世纪的钟声已经敲响，当我们回首时，经典物理大厦已经屹立了整整一百多年了，现在依然宏伟壮观。随着经典大厦顶上的乌云的消失，更为金碧辉煌的、至今仍相当神秘的量子大厦已经建成。那么，有没有第三座大厦？它又会是怎样的大厦？为对此有所回答，让我们先看看已在量子大厦上空出现的乌云。

人们对物质结构的认识，从分子、原子深入到原子核，再到中子、质子，进一步又深入到夸克。即分子由原子所组成，原子由原子核与电子所组成，原子核由中子与质子所组成，中子、质子由夸克所组成。随着1995年找到了最后一个夸克——顶夸克存在的依据，2000年找到了最后一个轻子（与τ子相连的中微子），构成了物质的基本框架：六个夸克（上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克）和六个轻子（电子、μ子、τ子以及与它们相关联的三个中微子），总算在21世纪来临前夕团圆相聚。可是，谁也没有直接看到孤立的夸克，它们总是成对、成堆地存在，永不分离！这是为什么？

伽利略

物理学中的对称原理，正受到一个又一个挑战，理论越来越对称，而实验越来越多地发现不对称。不对称倒成了普遍规律！这又是为什么？

抬头望明月，看星星，越来越好看。从伽利略[7]发明的望远镜，到今天各类天文望远镜、射电望远镜，从地上望远镜到天上望远镜，从可见光看到X射线、γ射线。但看来看去，只看到了茫茫宇宙的10%还不到，而90%以上（很可能是99%以上）都是看不见的暗物质，它们是什么？它们也是我们熟知的分子、原子、夸克、粒子吗？看来不像。

20世纪初，人们不理解光芒万丈照大地的太阳何以会光耀夺目？其能量从何而来？感谢相对论、感谢量子论，使我们对太阳能的来源了解得一清二楚。但是，今天我们已经知道，在那遥远的地方还有比太阳的能量大千万亿倍的星球（所谓类星体），它一直在发光，这样巨大的能量又从哪里来的？是哪种能量在发威？看来，用现有的知识已无法回答这些世纪难题。量子大厦的高空已升起了朵朵乌云。

20世纪的三大科学发现——相对论、量子论、DNA双螺旋结构，导致人类三大科技工程——曼哈顿工程（核武器，以及接踵而来的核动力、核技术的广泛应用）、阿波罗工程（登月、航天与空间研究开发）和人类基因组工程。

在核技术广泛应用时，产生了一些核事故：例如，2011年3月日本地震引起福岛核反应堆的事故震动了全世界。这是天灾，但更是人祸。不过，它同时使我们想起一个世界难题：20世纪三四十年代，谁发现新的放射性，谁就能拿诺贝尔奖，今天，谁能消灭放射性，谁也应该能拿诺贝尔奖！

核能是巨大的，但是，从爱因斯坦的质量-能量转换公式看，导致日本广岛毁灭性灾害的第一颗原子弹的能量，只是由0.71克质量转化而来的。如果能使3公斤物质转化为能量，那么，10万人口的城市可依此供电100年。太阳中每天都在把质量转化为能量，但效率很低，如何有效地把质量转化为能量，是当今世界的又一难题！

现在，我们面临的是与新世纪、新经济密切相关的三大科技前沿：信息科学、生命科学、材料科学以及引导我们不断去探索的自然奥秘——一朵又一朵的乌云——21世纪的乌云！[8]

科学发现最终必然导致新技术的创新，新生产力的出现，从而促使新的经济形态逐步替代旧的形态。新的乌云必然引起新的科学发现，人类的文明史就是如此日新月异地向前发展。

【注释】

[1]本文大部分内容曾在2000年11月23日上海核学会，12月13日复旦大学物理系，12月30日上海物理学会作过演讲，后载于《解放日报》2001年1月7日；在收入本书时又作了修改。

[2]马克斯·普朗克（Max Planck，1858—1947），德国著名物理学家和量子力学重要创始人，和爱因斯坦并称为20世纪最重要的两大物理学家。因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃作出了重要贡献，并在1918年荣获诺贝尔物理学奖。

[3]阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955），犹太裔物理学家。1879年出生于德国乌尔姆市的一户犹太人家庭（父母均为犹太人)，1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍。1905年，获苏黎世大学哲学博士学位。提出的光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理学奖。同年创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。为核能开发奠定了理论基础，核能的和平利用开创了现代科学新纪元，被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。1999年12月26日，被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

[4]尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885—1962），丹麦物理学家。1885年10月7日生于哥本哈根，1903年进入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去了英国剑桥J．J．汤姆孙主持的卡文迪什实验室，几个月后参加了曼彻斯特大学以卢瑟福为首的科学集体。通过引入量子化条件，提出了玻尔模型来解释氢原子光谱；提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学。是哥本哈根学派的创始人，对20世纪物理学的发展有深远的影响。作为丹麦皇家科学院院士，曾获丹麦皇家科学文学院金质奖章，英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位，荣获1922年诺贝尔物理学奖。

[5]1914年，弗兰克（James Franck，1882—1964）和赫兹(Gustar Hertz,1887—1975)在研究中发现电子与原子发生非弹性碰撞时能量的转移是量子化的。他们的精确测定表明，电子与汞原子碰撞时，电子损失的能量严格地保持4.9eV，即汞原子只接收4.9eV的能量。这个事实直接证明了汞原子具有玻尔所设想的那种“完全确定的、互相分立的能量状态”，这是对玻尔的原子量子化模型的第一个决定性的证据，也为能级的存在提供了直接的证据。由于他们的工作对原子物理学的发展起了重要作用，曾共同获得1925年的物理学诺贝尔奖。

[6]维尔纳·卡尔·海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901—1976），德国物理学家，量子力学的主要创始人，哥本哈根学派的代表人物，其专著《量子论的物理学基础》是量子力学领域的经典著作。由于在取得整个科学史上的最重要的成就之一的量子力学的创立中所起的作用，于1932年获得诺贝尔物理学奖。

[7]伽利略（Galileo Galilei，1564—1642），意大利数学家、物理学家、天文学家，科学革命的先驱　。发明了摆针和温度计，在科学上为人类作出过巨大贡献，是近代实验科学的奠基人之一。

[8]21世纪的乌云。爱因斯坦在1915年12月2日发表《广义相对论》，并在1916年6月预告“宇宙中存在引力波”；2016年2月11日，据激光干涉引力波天文台（LIGO）科学家宣布探测到了引力波（此项研究始于1991年）。相比引力波，暗物质更重要。暗物质与电磁力不发生作用，不吸收光、不反射光，本身也不发光。通过引力效应，估计宇宙至少27%是由暗物质组成的，是星球、星系总质量的5倍！暗物质也是笼罩于21世纪物理学天空的乌云。2015年12月17日中央电视台新闻联播报道，中国首颗暗物质探测卫星“悟空”发射升空，卫星顺利进入预定转移轨道。“悟空”是迄今人类观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星，它将在太空中开展高能电子及高能伽马射线探测任务，期望探寻暗物质存在的证据，研究暗物质特性与空间分布的规律。暗物质也许是能够打开物理学更深层次理论大门的一把钥匙。可见，人类对宇宙的探索永无止境，许多待解之谜需要人类破解。