人类的追光梦

       “知府添灯油”的故事，既反映出了儒家官员的爱民情怀，也反映出了民众对光明的渴求。灯盏里有了桐油，贫寒学子便可以挑灯夜读。读书可以明理，也可能获取功名，从而改善自己和家人的生活条件。

      与“知府添灯油”相似的历史故事，还有大家耳熟能详的“凿壁偷光”。葛洪在他的《西京杂记》里记载着这样一个故事：

      西汉时期有个农民的孩子叫匡衡，自幼喜欢读书，却因家庭贫困没钱上学。后来跟随一位亲戚学习认字，才有了阅读的能力。可是，匡衡家里没有书，只能跟别人借书阅读。那时候的书非常宝贵，求人借书是一件非常困难的事情。匡衡只好在农忙的时候，替富户打短工换些书来读。几年过去，匡衡长大成了家庭的主要劳动力。他终日下地劳作，中午歇晌才会有时间看一点书。一本书常需十天半月才能读完，匡衡心里很着急。一天晚上，匡衡躺在床上，忽见东边的墙壁上透着一丝光亮。他爬起来仔细观察，原来是邻居家神台上的长明灯透射过来的光亮。匡衡找来一把尖刀，将墙缝凿大了一点。透过来的光线虽然昏暗，但可以勉强看书了。匡衡借着“偷来”的光亮，夜夜刻苦学习，终于成为一位博学之士。

      从古至今，人类对光一直充满着渴求。人类对世界认知的每一次突破，几乎都与光有关。每一次对光的认识前进一步，对世界的认知就会前进一步，社会生产力和生活方式也会随之前进一步。

      距今约150万年，人类先祖学会了使用天然火。大约50万年前，人类先祖在打制石器的过程中，偶然发现两块石头敲击产生的火花，掉落在干燥的绒草中会引发烟火，从此便习得了打石生火的本领。再后来，人类祖先又在打磨木制工具的过程之中，发现摩擦导致的高温也能够产生烟火，从而掌握了钻木取火的本领。

      火给人类带来了温暖和光明，它不仅可以驱赶猛兽，而且还可以烤熟食物。熟食味道更好，有利于肠道吸收，同时也减少了疾病的感染。火的使用，延长了人类的平均寿命，也为大脑的进化提供了更好的营养支持，直接加速了人类的演化进程。

      古人把火视为“神物”，认为火具有神秘力量，是自然之神赐予人类的礼物。今天，人们已经认识到火的本质，就是化学反应放射出的电磁波。人类先祖掌握了用火的本领，实质上就是对光的朦胧认知和运用。

      19世纪末，以牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论和玻尔兹曼统计力学为支柱的经典物理学体系，几乎可以解释宇宙之中的一切现象，人类似乎掌握了世界的终极真理。这种乐观情绪，掩饰不住科学界对物理学天空上“两朵乌云”的担忧。两朵恐怖的乌云，一朵叫做“以太”，另一朵叫做“黑体”，都是关于光的问题。它们的出现，最终导致经典物理学理论体系的解体，促成了相对论和量子物理学的诞生。

      花开一枝，各表两朵。下面我们先说“以太”。

      人们都知道，水波的传播媒介是水，声波的传播媒介是空气或其它物体。离开水和空气之类的介质，水波和声波就无法传播。但是，光可以在真空中传播，令科学家们困惑不已，只好假设一个子虚乌有的“以太”，来做光波的传播媒介。

      “以太”解决了传递光波的媒介问题，但立即面临着“以太风”的大麻烦。假设“以太”弥漫于宇宙之中，地球以每秒30公里的速度绕着太阳运动，那就必然会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来。这样一来，光波顺着地球前进方向传播，速度就会变慢；逆着地球前进方向传播，速度就会变快。大家可以想象一下自己在逆风中前行的情景。

      1887年，迈克尔逊和莫雷在克利夫兰进行了一个著名的“以太漂移”实验，发现无论从哪个方向测量，光波的速度都相同。实验结果证明，光波的传播速度与地球运动的方向无关，宣告“以太”假说破产。科学家们在这个实验面前一筹莫展，后来的“电磁场”理论，很好地解决了光波的传播媒介问题。“光速不变”催生出了惊世骇俗的相对论。

      爱因斯坦在上中学的时候，时常在思考一个问题：“倘使一个人以光速跟着光波跑，那么他就处在一个不随时间而改变的波场中。”他设想：如果一个人能够追上光，那么他看到的光就像静止的一样；光不可能处于静止状态，那么就只能假设时间静止下来了。这个“追光实验”，后来成为他创立狭义相对论的基础。

      在牛顿的万有引力定律中，没有时间参量，隐含着瞬时超距作用的难题。也就是说，引力的发生，是瞬间的，甚至不需要时间。比如太阳突然消失，距离最近的水星和距离最远的冥王星，都能够同时“感知”到。牛顿对此讳莫如深，被人诘问时常常恼羞成怒。相对论预言引力速度等于光速，替牛顿解了围。“广义相对论将万有引力的本质，解释为物质质量引起的空间弯曲效应。相对论预言的时间变慢、光线弯曲和引力波，已经被精确的实验所证实。相对论”不仅颠覆了经典物理学的时空观念，而且还革新了人类的世界观念。

      上面说了光速不变导致“以太”破产，下面接着说“黑体”辐射导致“紫外灾难”。

      19世纪中后期，世界开始进行第二次工业革命，人类进入了“电气时代”。为了提高冶金和照明的效率，人们急需找到辐射强度和辐射频率的关系。出于研究的方便，物理学家们假设了“黑体”这种理想的物体，来作为研究热辐射规律的标准物体。所谓的“黑体”，就是指能够全部吸收外来的辐射，而毫无任何反射和透射，吸收率是100%的理想物体。

      科学家发现，黑体辐射的规律需要两套数学公式，才能完美地描述。其中一套公式只对电磁波的高频区域有效，而另一套公式只对电磁波的低频区域有效。当辐射频率趋向无穷大时，能量也会变得无穷大，引发了“紫外灾变”的大地震，经典物理学的大厦颤动不已。

      在黑体辐射研究领域浸淫多年的普朗克，也没有搞出个什么头绪来。1900年的一天，普朗克转换了一个思路：管他三七二十一，先用数学方法把这两个公式拼接起来再说。没过几天，两套公式就被数学高手普朗克拼凑成了一个。这个著名的普朗克黑体公式，只是一个权宜之计。普朗克黑体公式尽管非常管用，但人们只知其然，不知其所以然，不知道这个公式背后隐藏着什么样的物理意义。

      又经过了一段时间的苦苦思索，普朗克终于发现：如果要让这个公式成立，就必须得假设能量在发射或者吸收的过程之中，不是连续不断的，而是一小份一小份的。普朗克公式与实验结果完全一致，一些人只得在表面上勉强地接受，但内心却疑虑重重。能量竟然不是连续的，完全违背了人们的传统观念。对于这个假设，普朗克本人一开始也是拒绝的。

      能量不可无限分割，有一个最小单元，这个基本单元就叫做“能量子”，后简称“量子”。随后，越来越多的实验证实了这个假设。量子假说对量子论的建立，起到了开创性的作用。那朵叫做黑体辐射的乌云，终于爆发出了量子物理学的电闪雷鸣。

      1905年，爱因斯坦受到普朗克的启发，引进“能量子”假说，提出“光量子”（光子）的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。后来他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。1922年,康普顿X射线光谱实验证实了光量子假说。

      1913年，玻尔在普朗克量子辐射的基础上，建立了原子辐射和吸收的量子化理论，成功地解释了氢原子及较重元素原子的谱线。在此后，以玻尔的量子原子论为基础，物质的光、电、磁及其他诸多化学性质，都得到了很好的解释。

      1924年底，德布罗意提出“波粒二象性”假说，突破了玻尔的原子量子论，使微观物理得到更大的发展。这个大胆的创造性假设轰动了整个学术界。按照经典物理的观念，粒子与波是完全不同的两种物质形态，根本不可能融合在一起，许多学者都对此持怀疑态度。但爱因斯坦十分赞赏地说道:“一幅巨大帷幕的一角卷起来了。”1927年，实验证实了德布罗意的物质波的真实性。

      1925年，海森堡发表了矩阵力学理论，认为人不能够确定某时刻电子在空间的位置，也不能在轨道上跟踪它。玻恩把矩阵力学与爱因斯坦抛弃绝对时空观念相媲美。狄拉克在研究海森堡的理论与经典理论之间的本质区别之后，于1927年发表了一篇标题为《量子代数学》的论文，使矩阵力学理论体系更加严密。

      1925年，泡利提出了“电子自旋”的概念；狄拉克得出了电子具有磁矩的结论，并提出了符合狭义相对论要求的电子量子论，开创了相对论波动力学的研究。自第一个反粒子发现之后，物理学家们逐渐认识到，一切粒子都有反粒子，它与粒子具有相同的质量、寿命和自旋，具有相反的电荷和磁矩。

      1926年，薛定谔沿着另一条途径，建立了量子力学的又一种数学形式——波动力学。薛定谔的物质波运动方程，提供了系统和定量处理原子结构问题的理论。除了物质的磁性及其相对论效应之外，它在原则上能解释所有原子现象，是原子物理学中应用最广泛的公式。它在量子力学中的地位，与牛顿运动方程在经典力学中的地位相似。

      1927年，海森堡第一次提出了“不确定关系”，指出在同一时刻以相同的精度测定粒子的位置与动量是不可能的，只能从中精确地确定两者之一。从此，“不确定原理”成为了量子力学的基本原理之一。

      从波粒二象性到波动力学，再到相对论波动方程，从矩阵力学到以不确定性原理、不相容原理和互补性原理为核心的哥本哈根学派对量子力学的诠释，波动力学和矩阵力学的统一使量子力学理论构建成功。

      量子力学的诞生，为人类带来了很多革命性的发明创造。激光、原子能、纳米材料和芯片等高科技产品，无不与量子力学相关。量子力学的运用，引发了一系列的技术革命，包括核能、计算机、材料学、信息技术等领域，完全深入到了我们生活的每一个角落。就技术成果而言，量子力学可以说是最成功的理论。

      科学家预言，超高场装置可以产生出强大的激光，能够撕裂真空中的“虚粒子对”。我们原本以为不存在任何物质的真空，其实充满着瞬间出现又瞬间消失的虚粒子对。这个预言一旦被实验证实，道家“有生于无”的哲学观点将成为事实；“色即是空，空即是色”的佛学呓语，将不再艰涩难懂。等到那个时候，暗物质和暗能量这两朵漂浮在21世纪物理学天空的乌云，也将烟消云散。

      量子力学的新概念和新理论，深度影响着其它相关学科，使固体物理、生物物理、物理化学、核物理、天体物理甚至宇宙学等领域，都取得了革命性的进展。由于参与的人数众多、跨越的时间漫长、创建的过程十分艰辛，以及给自然科学带来的冲击与变革巨大，使得量子力学成为一门极其独特的学科。

      量子力学是现代物理学的理论基础之一，是研究微观粒子运动规律的科学。随着量子力学的发展，人们对物质的结构，及其相互作用的见解，发生了革命性的变化，使人们对物质世界的认识，从宏观层次跨进了微观层次。量子力学的诞生，使得人类对于世界的理解，从原先的本体论，变成了认识论。

      从知府为之添加桐油的那盏灯里，我看到了人类的追光梦；从人类的追光梦里，我看到了相对论和量子力学的诞生；从相对论和量子力学里，我看见了人类的科学技术、世界观念和生活方式发生了翻天覆地的变化。