量子大戏，如雷名角

张勇

大约三年前，我在浏览网页时，一本叫《上帝掷骰子吗：量子力学史话》，不只书名引起了我的兴趣，量子力学发展的本身就极具传奇色彩。再一查看内容简介，还蛮有意思的：物理学史最伟大时代莫过于17世纪末以牛顿为代表的近代经典力学正式创立和20世纪初以爱因斯坦为代表的量子理论创立这两个时期，后者是对前者的反动，重建了整个物理学体系。这个过程是物理学史上如史诗般的壮丽篇章，跌宕起伏，波澜壮阔，物理学体系在狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中涅槃重生。

无法名状的厚重感

网友认为这本书用日常语言讲明白了量子物理的发展过程、各个学派的主要观点。虽说数学才是唯一能准确描述物理规律的，但对非专业人员来说，能够借助日常语言大致了解这个奇妙的世界，真是挺庆幸的。比如薛定谔的猫，这个著名的例子看过很多介绍都没明白，看了这书终于是“懂”了。

非物理专业的不少学者在阅读这本书后，也给了不错的的评价。例如，用时尚的网络语言兼武侠小说的写法，带领读者进入神奇的量子世界，进行量子之旅的探险：上溯牛顿经典力学、麦克斯韦电磁理论，直至量子电动力学、量子色动力学和量子引力理论之超弦理论，跨越时空，展现了一幅幅量子物理恢宏精彩的历史画卷；量子世界像骰子一样难以预测，迄今还没有谁敢说真正理解了它，任何科学探险都不如量子之旅惊险和神奇；一本罕见的、精彩的、由非科学家谈论科学的作品。科学对于公众来说，经过努力也是可以亲近的；这部很特别的量子物理学史话，可谓献给国际物理年不可多得的礼物。它比起各地许多纪念性的仪式化的表演，要实在的多……此书功德无量等等。

于是毫不犹豫地下单，坐等快递上门。三天后收到这本书，便爱不释手地翻看起来。当这本书在我面前缓缓合上时，心里多了些无法名状的厚重感。这本书以时间为轴，从赫兹电磁感应实验开始拉开了序幕，经典物理学大厦轰然倒塌，量子学说横空出世，普朗克的量子假设点燃了新革命的星星之火，爱因斯坦的光量子理论又赋予了它充实的力量，玻尔的原子理论则借助它开创出一片崭新的天地，爱因斯坦、玻尔、卢瑟福、德布罗意、玻色、海森堡、玻恩、狄拉克、薛定谔、朗之万、泡利……一个个如雷贯耳的名字不时出现在读者面前，围绕微粒说与波动说争论不止，却又殊途同归，演绎了一出精彩绝伦的大戏，把物理学革命推向了一个又一个的高潮。直至今天，物理学的大一统理论似乎伸手可及，却又乱花迷眼。

来自“失败”实验的创新

在平时的教学中，我也会经常建议同学们在学习每一门课程前和总结复习前认真读一下绪论，同时多读一些科学史方面的文章。通过绪论可以全面了解课程的内容，梳理知识点，串联成系统的知识体系；通过阅读科学史可以了解一门学科的发现与发明过程，通过追随前人的脚步，开拓自己创新思维，培养创新能力。《上帝掷骰子吗：量子力学史话》就是一本很好的以史为基础的开阔思路的科普读物，许多故事给我们带了很多的思考，这儿摘取一个片段与同学们共享。

量子力学的诞生和发展是近代物理学的标志性成果，伴随着许多重大创新。纵观这些创新过程，尽管花样繁多，但至少有两点是共通的，一是对已有知识的融会贯通，二是对已有知识的批判与反动。已有知识是前人智慧的结晶，学习掌握已有知识是创新的基础，然而，许多伟大的创新却来自“失败”的实验，这些“失败”的实验带来了科学的革命。

在量子力学的发展史上，最为著名的莫过于迈克尔逊-莫雷实验了。这个实验本意是探测以太对于地球的漂移速度，在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，以太风会对地球的运动带来影响，即地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。如果存在以太，则当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。然而多次的实验结果无情地宣示，以太对穿越其中的光线不存在任何影响。这个结果是如此地令人震惊，以至于它的实验者在相当长的时间里都不敢相信自己结果的正确性，但正是这个否定的证据最终导致了相对论的诞生。

洛仑兹提出了著名的洛仑兹变换，用于解释迈克尔逊-莫雷实验的结果。通过以太的运动物体，纵向线度发生收缩（平行运动方向），其收缩的比例恰好使以太流的影响被抵消。收缩长度与原来长度之间的关系具有形式。这一假说称为收缩假说。根据这个假说，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，抵消了不同方向上由于以太所造成的光速差异，这样洛仑兹就在不抛弃以太概念的前提下解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果。

爱因斯坦在抛弃以太、以光速不变原理基础上建立了狭义相对论。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的。结合狭义相对性原理和上述时空的性质，也可以推导出洛仑兹变换。

科学史上另一个著名的“失败”实验是放射性的发现，更确切地说是“意外”。实验者是贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel），当时X射线刚发现不久，有人认为太阳照射荧光物质能够产生X射线，于是贝克勒尔拿两张厚黑纸，把感光底片包起来放在太阳底下晒一天，也不会使底片感光。然后，他把铀盐放在黑纸包好的底片上，又让太阳晒几小时，就大不一样，底片显示了黑影。为了证实是射线在起作用，他特意在黑纸包和铀盐间夹一层玻璃，再放到太阳下晒。如果是由于某种化学作用或热效应，隔一层玻璃就应该排除，可是仍然出现了黑影。

于是贝克勒尔在法国科学院的例会上报告了实验结果，肯定了阳光照射荧光物质的确能产生X射线。但是正当他准备进一步实验时，意外发生了，乌云一连几天遮蔽了太阳，贝克勒尔只好把所有器材包括包好的底片和铀盐都搁在同一抽屉里，到了第五天贝克勒尔忍不住了，他把底片冲洗出来，铀盐曾受了一点微光照射，应该能够在底片上留下一些模糊的痕迹。

然而结果出乎意料，底片曝光得非常彻底，他仔细检查了现场，肯定这些黑影是铀盐作用的结果。贝克勒尔面对这一突如其来的现象，很快就领悟到，必须放弃原来的假设，这种射线跟荧光没有直接关系，它和荧光不一样，不需要外来光激发。他继续试验，终于确证这是铀元素自身发出的一种射线，放射性现象就此发现。

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力，人类社会发展的历史，就是一部创新的历史，创新的核心是创新思维，同学们在学习中应当有意识地训练自己的创新思维，既要有扎实的理论基础，又要有对非同寻常事务敏锐的观察力，既要继承前人的知识，又要敢于质疑权威，打破思维定势、思维惯性和思维封闭，走出一条创新的路来，风雨过后方见彩虹。

责任编辑：陈晓丽