骚乱中的世界第三重:量子力学

■ 严小平

量子引力的标准模型

蒸汽机是工业革命的二个驱动器之一。1650年，德国发明家（也是马格德堡市长）奥托·冯·格里克（1602—1686）为了研究真空的特性，建造了一个真空泵。这个真空泵由二个（半球形）铜球和一个活塞组成。他证明了一旦活塞把铜球里面的空气排出，8匹拉啤酒四轮马车的剽悍大马也无法将二个铜制的半球拉开。

罗伯特·波义耳和罗伯特·胡克听说了格里克的工作，并发展出更加复杂的真空泵。波义耳提出了波义耳定律，说明大量理想气体的体积与它的压力是成反比的。1679年，丹尼斯·帕宾建造了一台叫做骨骼蒸煮器或蒸汽蒸煮器的机器，利用蒸汽压力把牛骨分解成骨粉做动物饲料。这不仅是现代压力锅的源头，而且也导致蒸汽机的发明。

1679年，托马斯·萨弗里（1650—1715）在格里克、帕宾和其他人想法的基础上，建造了世界上第一台工作蒸汽机。

萨弗里的蒸汽机没有活塞，而是采用冷热水交替的方式在一个小室里制造真空。这种蒸汽机的效率非常低下，但却是新的工业时代的第一声炮响。萨弗里还创造了一个术语“马力”，来突显这种蒸汽机的功率。

1712年，一位名叫托马斯·纽克曼的英国五金商发明了第一台活塞驱动的蒸汽机。它不通过冷热交替来创造真空，而是拉动一个活塞，活塞末端在引擎外面的一个支点上旋转，以便净运动的循环。

苏格兰工程师和发明家詹姆斯·瓦特（1736—1819）是发明家领域领导者之一。在他的创新中，为了保持多个活塞平稳地往复运动，还应用了巨大的飞轮。

1824年，物理学家、军事工程师尼古拉斯·莱奥纳德·萨迪·卡诺（1796—1832）撰写了一部热力发动机系统论，名为《卡诺定理》，使他成为热力学之父，并成为热力学第二定律的先驱。卡诺的著作把理论科学融入工程学——热力发动机，以一种实用性的方式推动了工业的发展。他是系统阐述能量守恒定律的先驱之一。

在格拉哥斯大学工作的爱尔兰裔英国物理学家威廉·汤姆森（1824—1907），把严密的数学模型引入电力的研究，奠定了热力学的基础，并由此荣获开尔文男爵头衔。美国发明家奥蒂斯·塔夫茨（1804—1869）发明了蒸汽驱动的打桩机。美国发明家威廉·奥蒂茨（1813—1839）发明了蒸汽驱动的蒸汽挖掘机，他去世的那年被授予专利权。

理论方面也取得了重大进展。1870年，奥地利物理学家路德维格·波尔兹曼（1844—1906）为热力学开发了一种统计理论。

麦克斯韦开发了一套方程式，将到那时为止已知电动力学所有知识统一起来，他的著作被描述为“自牛顿以来物理学最伟大的统一”。麦克斯韦的许多贡献包含了气体动理学理论的基础工作，他是爱因斯坦把随机布朗运动归因于原子运动的又一个先驱。他拒绝了牛顿气体分子中静电排斥的观点，认为气体中的压力是由于其中以不同速度运动的分子碰撞所致。并且，他还吸收了波尔兹曼的统计理论。

人们正逐渐认识到，对分子热力学的这些研究，很重要的是一套变量，包括温度、压力和体积。现在，在更加统一的理论中，许多科学家的工作正在正式化。

结果是黑体理论的发展。其他的发展包括熵理论或热寂（假说中认为由于热平衡状态而导致宇宙死亡）。所谓黑体是指温度、压力和其他因素都处于总体平衡的一种理想的能量系统。就实际而言，自然中不可能发生这种情况，因此，黑体状态是一种理想状态。

1900年，许多现代量子论研究者尊崇的德国物理学家马克思·普朗克（1858—1947），正尝试为德国电气集团解决涉及电灯泡的一系列问题。随着电力的商业化，并且从更有效的能源获取了更高的能量，从而出现了将热发射原理标准化的需求。

普朗克一登台，就面临经典力学的一个深层次问题。波动的特性之一是，它们依靠波长以一套特殊频率振动。这适用于竖琴弦、钢琴弦和电磁波。这些能量大多存在于较小的波形或波长（较高的频率）中，理论上是无限的。事实上，在经典的电磁学里，这些波形的能量是频率的平方。也就是说，按电磁波谱排列，频率越高，能量越高且趋于无限，术语叫做“紫外线灾难”。普朗克和爱因斯坦都不相信这是电磁波谱的真正特性。1900年，普朗克提出了一个定律，把能量和频率在理想状态下联系在一起，来描述它们在所有实际状态下的性质。

根据普朗克定律，当黑体（理想体，平均状态）的频率上升，那么，能量开始输出。从主观上说，这是用颜色辐射的术语描述的，从480℃模糊微红光晕、730℃橘红、930℃橙黄、1100℃暗黄橙、1300℃黄白，直到1400℃以上白色，在光的可见范围（380纳米～751纳米波长）内。

当温度很靠近绝对零度时，原子可以形成玻色—爱因斯坦凝聚态

这对于我们讨论的意义是，普朗克界定了量子的一套能级。量子是拉丁语名词，意为“多少”或“某种程度”。爱因斯坦与这个结果有着密切联系，所以，能量与频率的关系可称为普朗克关系或普朗克—爱因斯坦方程式。约瑟夫·约翰·汤普森1895年的实验，让电流穿过真空，不仅证实电是颗粒，证明了电子的存在，还开启了亚原子科学的大门。

量子力学描述了宇宙中能量（和物质）的性质。首先，它把原子的结构描述为具有固定的（量子）轨道（后来被视为壳或外套），轨道中电子从最靠近核子开始的有效能呈现能级。

量子力学给大多数粒子以波动和固体的性质，这样，就解决了长期以来存在的意见分歧。到19世纪中叶，量子力学认为电以流体开始而以粒子（电子）结束，但光则以粒子（微粒）开始而以波动结束。

普朗克和爱因斯坦的发现固化了以量子力学为基础的原子科学，而这些又开始在外太空的观测中发挥作用。

丹麦物理学家尼尔斯·波尔（1885—1962）根据量子力学从根本上给原子结构下了定义，并于1922年获得诺贝尔奖。波尔提出了一个原子的观点，认为原子有一点像一个微小的太阳系，只不过是在量子条件下。他把原子描述为以量子能级运行的有轨道的电子，换句话说，原子是不连续的、有轨道的、可预言的能级。波尔预言，一个电子跳到更高的能级会获得能量；而掉到较低的能级则会丢失能量。获得或丢失能量的数量则根据与普朗克常数有关的函数而定。

这最终导致今天的认识：从氢原子的一个电子的轨道开始，由中心向外，一个接一个，全是电子的轨道。在接下来的数十年内，这些观点虽将继续被其他人改进，但却奠定了原子科学的基础。这使得波尔在第二次世界大战中，能与他同辈的科学家合作，从事“曼哈顿”计划。1945年末期，原子科学呈现出最实在的和可能的恐怖方式。当日本的广岛和长崎在数秒之内化为灰烬的时候，这个世俗的世界获得了最大的切实证据。这些看似故弄玄虚的学术知识，不只是有坚实的基础，实际上——它就是现实。

四大元素（土、火、水和风）的古老理论在分子（17世纪发明的术语，意为“一个小障碍”）的概念中模糊而实在地幸存下来。分子代替了在物质世界中作为原料的基本描述符号的元素。分子是融合“原料”的单位，可以由若干相同原子组成，也可以由不同原子的混合物组成。一个氢分子由一个或多个氢原子组成，这是带一个质子和一个电子的基本原子，可见宇宙的80%是由基本原子组成的。另一方面，一个水分子，则由二个氢原子结合一个氧原子（H2O）组成。人们一度认为，所有这些“原料”都仅仅是由四种元素（土、火、水和风）的不同组合形成的。到20世纪初，人们懂得了宇宙中的一切“原料”都是由92种自然存在的原子构成的，如元素周期表和它们的同位素（中子加入核子以增加原子量）所述。至此，术语“元素”被拿下这个阶梯，与“原子”同义。1895年，约瑟夫·约翰·汤普森发现了第一个已知的亚原子粒子——电子。现在，全世界对此趋之若骛，正在制造有史以来人类设计的最恐怖的武器——核弹。