诞生百年，“叛逆”理论在争议中改变世界

2025-10/17  环球时报 作者：魏云峰

编者的话：近日，2025年诺贝尔物理学奖被授予量子物理学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特和约翰·M·马丁尼斯，表彰他们在宏观量子力学领域的发现。

1900年，德国物理学家普朗克提出量子理论，为量子力学打下基础。

1925年，量子力学初步形成，其“反常识”颠覆了人类对世界的传统认知，曾被爱因斯坦质疑。

1947年，科学家应用量子力学，制造出二极管、晶体管，人类从“电气时代”迈入“信息时代”。

诞生百年来，量子力学这一“叛逆”理论在争议中逐渐改变世界。

一朵“乌云”带来变革：1900年普朗克提出“量子理论”

19世纪末，很多物理学家认为经典物理学已经“非常完美”。英国物理学家汤姆森称，“物理大厦已经落成，留给未来物理学家的只有一些修饰工作。”不过，物理学理论中还存在两朵“乌云”：一朵“乌云”是涉及光速的以太漂移实验，另一朵则涉及黑体辐射实验。

汤姆森没有想到，“量子力学”就因黑体辐射实验这朵“乌云”而诞生。

经典物理学与黑体辐射实验“不适配”

黑体辐射实验与当时的工业发展密不可分。人们早就认识到，物体颜色和温度的关系。实现对钢水非接触式精确测温。物理学家试图找出黑体辐射的强度和频率（光线的颜色取决于其频率）之间的关系。

当时已经绘制出不同温度下，黑体辐射强度随辐射频率波动的分布曲线。但用经典物理学的公式来解释这条曲线时，都失败了。

给物理学理论带来“大麻烦”

德国物理学家普朗克在1900年的某一天突然“脑洞大开”：抛开物理学理论，用数学技巧解决一下？

他推导出了著名的普朗克公式，完美适用于黑体辐射问题。却给物理学理论带来“大麻烦”：这个公式意味着，电磁波辐射的能量由量子组成，而经典物理学认为能量是连续的。

普朗克的“量子理论”没有获得物理学界的普遍认同，大家都认为它过于“离经叛道”。

此后，普朗克一直试图借助经典物理学来“修正量子化假说”，但都以失败告终。

“本想证伪，却最终证实”

物理学还有另一个问题无法用经典物理学解释——光电效应。在特定光线照射下，某些物体表面会释放电子。

经典物理学对此的解释是，光线照射到物体表面，会让电子获得额外的能量，使其得以从物体表面“逃逸”。

但并非所有光线的照射都能激发光电效应，例如，红光再强都无法激发锌等物质释放电子，换成微弱的紫外光却“立竿见影”。

1905年，爱因斯坦还名不见经传，他受普朗克的“能量量子化”理论启发，创造性地提出“光量子”（即光子）的理论假设，并进一步推导出著名的“光电效应方程”。光线照射能否打出电子，不取决于光的“亮度”，而取决于光的“颜色”。

爱因斯坦的“光量子”理论是对普朗克“量子理论”的推进。遭到了物理学界更强烈的质疑和反对。从1912年到1915年，密立根在不同频率的光照下进行了无数次精密测量。但结果完美地符合爱因斯坦的理论。

密立根“本想证伪，却最终证实”的故事，使爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖。

普朗克和爱因斯坦逐步打破“传统物理概念”，迎来了新的“物理时代”。

爱因斯坦发出质疑：“我深信上帝不掷骰子”

1925年被认为是现代量子力学的开端。这一年，物理学家共同提出和完善了矩阵力学；奥地利物理学家薛定谔则完成了波动力学。矩阵力学和波动力学标志着量子力学初步形成。

爱因斯坦提出，光在某些条件下表现出粒子的属性，在某些条件下又变成波。光的“波粒二象性”就已经让很多人难以理解。

没过几年，法国物理学家德布罗意又设想，既然光是波的物质，具有粒子性，那么像电子、质子甚至原子这些粒子，也应该具有波动性。“波粒二象性”是自然界所有物质的普遍特性。

之后陆续又有“不确定性原理”问世，在量子世界中无法同时精确知道一个粒子的位置和动量，只能预测各种可能的结果出现的概率。

还有“量子隧穿效应”——当普通小球撞击墙壁时，它会被反弹回来；而微观粒子却能够穿过看似不可能穿越的能量屏障。

一些量子力学理论过于“脑洞大开”，甚至被爱因斯坦质疑，留下一句名言：“我深信上帝不掷骰子。”

作为爱因斯坦的支持者，薛定谔提出了一个著名思想实验“薛定谔的猫”：设想将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就处于死、活两种状态的叠加。也就是说，只要不去观察，这只猫就“又死又活”，这显然违背人们对世界的传统认知。后续的一系列物理实验基本都印证了：宇宙在基本层面上，似乎真的具有某种内在的随机性。

改变世界的发明：1947年晶体管从量子力学中诞生

尽管大众普遍对量子力学的“反常识”感到惊讶，很多前沿科技都建立在量子力学的基础之上。

量子力学解释了为何有些材料是导体、有些是绝缘体，半导体则处于两者中间，进而制造出二极管、晶体管这些现代电子文明的“细胞”。

20世纪40年代，美国贝尔实验室的核心任务之一是改进通信技术。真空管虽然能放大信号，但耗电高、发热严重、体积大、寿命短。1947年物理学家在贝尔实验室发明点接触晶体管。人类从“电气时代”迈入了“信息时代”。

量子力学带来的“革命”还有很多，比如量子通信的核心是利用量子态的特性来保障信息安全。“叠加态”催生出量子计算机，能并行处理海量数据。量子计算机在解决诸如药物分子模拟、优化物流等特定问题上，具有经典计算机无法比拟的潜在优势。