文／乐德小老儿

今天我跟大家讲一讲曹天元写的《上帝掷骰子吗？——量子物理史话》（升级版）。这本书是2019年6月份由北京联合出版公司出版的，我看的是电子版。

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近几年，在国内，量子纠缠成为一个热门的话题，潘建伟院士杰出的工作媒体常有报道，墨子号量子科学通讯卫星成功发射在轨运行4个月后，2017年初正式交付用户使用，我国在量子通讯领域已处于世界领先地位。作为一个中国人，我热血沸腾并渴望了解量子科学的一些常识。曹天元的这本书正好给了我一次很好的学习机会。

我必须说这是一本很好的书。

从1900年12月量子概念的提出，到今天也就119年的时间。但在这短短的119年里，量子理论的发展可以用突飞猛进来形容。量子科学的发展史是一部跌宕起伏、充满了矛盾冲突的发展史，本身就具有很强的故事性，引人入胜。

曹天元的书在这方面有非常精彩的展现。他不仅把科学史展示给我们，也把一代一代的物理学家的精彩故事呈现在我们面前。

更重要的是，他把深奥的量子理论，用浅显易懂的语言，辅之以直观简洁的图例，再结合生动活泼的日常生活的例子，表达了出来，使我这个纯粹外行看了以后，基本上对量子论也有了一个大致的比较清晰和全面的认识。

所以，我就希望有更多像我一样关心科技发展、却又没有很深的物理素养的普通人，能够对这个热点的话题有一个基本的了解。通过我的理解，用一个普通的外行人的语言分享给大家，也许有意想不到的效果。

全书有数十万字。用一篇文章的篇幅，我只能侧重于介绍量子科学本身的一些基本内容，其中有趣的历史事件只能忍痛割爱了。而且量子理论本身的内容也非常庞杂，为了在有限的篇幅内，理清量子论的框架和发展脉络，我只能简之又简。我将分5个部分介绍量子理论。

第一，量子的诞生；

第二，标准量子论的确立；

第三、量子论——一匹脱缰的野马

第四、标准量子论的再阐释；

第五、统一的物理理论——量子论的未来。

虽然已经尽可能的简约，全文仍有1.5万余字，所以我将分五次发布，已减轻读者的阅读疲劳。

今天是第一部分：量子的诞生。

摘要：光是粒子还是波？光辉的牛顿是粒子说的捍卫者，但波动说并轻易俯首称臣。在双方激烈的战斗中，电磁学诞生了。普朗克石破天惊，更进一步提出了量子的概念，直接挑战牛顿物理学连续性假设的根本基础，鹿死谁手？

      01 第一次波粒战争：抬头就被打

原书插图

光是什么？古希腊的科学家认为光是粒子组成的，大家一直都是这样认识的。但是到了1655年，有一位物理学家提出光是一种波。从此，波粒战争爆发,硝烟弥漫一直到1928年玻尔创立波粒二象性理论。这场战争持续了273年。我们的战国时期也就持续了254年，百家争鸣的春秋时期也就294年。

1672年，牛顿用一个三棱镜将白光分解出七色光，并声称光是由七色微粒构成的。1704年牛顿出版了他的伟大著作《光学》，详尽地阐述了光的色彩的分散和叠合，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环和衍射实验中发现的种种问题。他质疑，如果光如声音一样是波，为什么光不能绕开障碍物而前进？

说句题外话，有人怀疑牛顿本来是在波动说和粒子数之间摇摆的，但由于他与胡克的个人恩怨而一头倒向粒子说。

牛顿当时至高无上的学术地位使粒子说占了上风并维持100多年。波说一抬头就被按了下去。

        02 第二次波粒战争：反转

1801年和1803年托马斯杨两次发表论文，介绍了他著名的光的双缝干涉实验。他用光的波峰和波谷的同相叠加与反相抵消解释牛顿环和衍射的中明暗现象。双缝干涉实验掀起了第2次波粒战争的高潮。

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1819年菲涅耳、1850年傅科又分别从理论和实验两个方面证明了波动说的正确性，波动说登上了光学的主导地位。

1865年麦克斯韦预言光是电磁波的一种。1871年，赫兹通过一个简单的实验证明了光确实是一种电磁波。物理学家后来又进行了一系列试验，从不同的角度证明了光波和电磁波的一致性。从此，电磁理论正式创立立，光学成为电磁学的一部分。

          03波动说头顶的两朵乌云

原书插图

波动说的不断发展完善一直基于一个假设，即光是在以太中运行的。但是1886年的迈克尔逊-莫雷实验却证明“以太”并不存在。

波动说还面临一个黑体问题。大家知道，一个物体如果反射了所有频率的光波，就呈现为白色，反之，如果吸收了所有频率的光波就是黑色。物体的辐射能量、频率和温度之间存在着一定的函数关系，那么具体是怎么样的呢？

1899年维恩从分子假设的前提出发，推导出了一个黑体公式，但是它只在短波范围内有效。

瑞利和金斯从麦克斯韦的理论出发也推导出了一个公式，但是它只在长波范围内有效。

这就是说，前一个公式支持微粒说，后一个公式支持波动说。

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1900年开尔文预言穆雷实验和黑体问题是遮蔽在波动说上着两朵乌云。

              04 量子之父普朗克

但就在这一年底，经过6年的努力 ，普朗克利用数学的内插法，幸运地凑出了新的黑体公式——普朗克黑体公式，它在长波和短波范围内都有效。但是普朗克并不清楚这个公式的物理意义，因为公式是他凑出来的。

接下来的问题是，应该建立在微粒说假设上？还是建立在波动说假设上？

原书插图

普朗克通过进一步的研究发现，要使公式成立必须假定能量的传输是不连续的，是一份一份的，能量的传输有一个最小的单位，他把它叫做能量子，后来又改称为“量子（quantum）”。量子从此诞生了！请记住这个日子1900年12月14日。

普朗克提出，量子的传输是货币式的，也就是不连续的。E=hv, E-单个量子的能量，v-频率，h-量子常数/普朗克常数，h=6.626×10⁻³⁴焦耳/秒。

可是，连续性平滑性假设是微积分的根本基础。牛顿、麦克斯韦物理体系是建立在连续性这个根本基础上的。要知道牛顿和麦克斯韦可都是科学大咖啊，谁敢去撼动？普朗克就像那位把魔鬼放出封瓶的渔夫，惊恐不已。

量子论从此走上了一条充满陷阱、荆棘和迷雾的成长之路，它的荣耀只能靠自己散发出的光辉去加持了。