第一章 “分量化”的能量
非常好，我已经准备好了。我告诉自己，不能撒娇，不能谄媚，不能呼喊。即使凯特是一只非常非常美丽的动物，我也要保持严肃，表现出应有的职业性。对，今天我是有任务在身的，通过今天的采访，我要让人们认识到，世界是多么的荒谬。这个世界并不是指我们肉眼看到的世界，而是我们人类无法感知的世界——微观世界。由质子、中子、电子组成的微观粒子构成了我们看到的、触摸到的宏观世界的物质。这些粒子的运动非常混乱。同时，正是因为这些粒子，需要将物理学分为经典物理学和量子物理学。为什么经典物理学中那些被认可了几个世纪的原理，在我要说的这个世界中突然全都不成立了呢？这听起来很荒谬，是吧？如果我们将微观世界看作一个非常小的宏观世界，并不是一个单独的世界的话，的确非常荒谬，但是……我们还是规规矩矩地来吧。我很确定，凯特会比我解释得更清楚。不过，你们有没有发觉，采访一只猫，看上去真的很荒谬呀？哈哈，你们继续读下去，会发现更荒谬的事儿。
这时候，我已经到了。
今天牛津的天气很好。我站在诺斯穆尔路24号前，薛定谔和他的妻子从1934年11月至1936年住在这儿。薛定谔第一次借用他的那只关在盒子里“既死又活”的猫是在1935年。也正是由于这个非常奇怪的借用，我今天来到了这儿，想弄明白这一物理学史中最著名的思想实验，到底是怎么回事。
我按了门铃。开门的是一位女士，她微笑着请我在客厅落座，跟我说凯特马上就来。
我在一个绿色小转椅上坐下；透过前面的大窗户，可以隐约看到生机盎然的花园，清晨的阳光照进房间。我有一点儿紧张。房间布置得非常完美，风格是20世纪30年代的，好似在这间屋子里，时间停留在了那个时候。我开始在笔记本的第一页写下今天的日期。突然，一个细细的声音将我的思绪转移了。
——早上好呀，娃娃，我有什么可以为你效劳的吗？
我抬起头。是它，它在那儿，我一直在等待的凯特！它坐在我面前的书桌上。它竟然叫我“娃娃”！它怎么胆子这么大？
——有什么不对劲的吗，娃娃？我可以为你做点什么吗？
——噢，我……不用了，谢谢，我这样子挺好的……您怎么样，尊敬的凯特？我们可以开始今天的采访了吗？我知道您很忙，每天有各种各样的事情，我希望不会“偷”走您太多时间……
——哈哈，娃娃，你可以“偷”走我任何东西。我很荣幸能够接受你的采访。那么……
你们知道“笑里藏刀的目光”是什么意思吗？就是它现在这样的。如果它不是一只猫，我可以发誓，我看到了一个男人的微笑……天呐，这只猫也太漂亮了吧……天知道采访的最后我能不能摸摸它，它那柔软的皮毛仿佛是在向我发出邀请。
——嗯……您真的太好了，尊敬的凯特，但是……
——请叫我凯特吧……
——好的……凯特，我们可以开始了吗？
——当然可以，娃娃。你想什么时候开始，我们就什么时候开始，喵——
它翻了个身，举起后爪挠挠它右耳下方的脖子。一撮撮毛随着它的动作掉落，在逆光下飘浮在空中，慢慢地落在书桌上、地板上。
它又重新端坐好，看起来似乎是一座古埃及雕像。它真的是一只十分漂亮的虎斑猫呀，身上的皮毛是浅褐色和深褐色相间的，鼻子是半粉色半褐色，嘴唇是粉色的，尾巴的底色是棕色——有一圈黑色呈环状包围，尾头是黑色的。它的前爪优雅地包裹着尾巴的末端。脖子下方，一块白色的区域特别显眼。咦，它没有右耳的尖端……想必是为了争夺领地或配偶被同伴给咬掉的吧。它真的是一只非常漂亮的猫呀。好吧，我得控制我自己。它只是一个受采访者。
——凯特，您和我说说，为什么物理学家埃尔温·薛定谔要将您的曾祖父置于他那著名的思想实验的盒子中呢？
回答我之前，它半眯着眼睛，目光落在我身上。我感到一丝尴尬，移开视线到我的记录本上。
它开始说话了：
——物理学是优雅的。物理学的理论、观测、方程式、解释，就像是一件件披在大自然身上的完美衣裳。没有什么，或者说几乎没有什么不是这样的。然而，例外总是会有的。也许我，就代表一个：我是在那些衣裳下面等着你的特例。也许正是因为这个，亲爱的薛爷爷选择了宇宙中最优雅的动物来描述这些特例。
——薛爷爷指的是薛定谔教授，对吗？
——是的，埃尔温·薛定谔。我的曾祖父当时就住在这所花园里，它听到了埃尔温和他同事的对话。它和我说了尊敬的薛定谔教授的所有想法。他那个以我曾祖父为主角的思想实验，其实是为了捉弄新物理学！当时，不是所有人都同意有关原子和电子的新思想的。
——因此他就将您的曾祖父关进了他的思想实验的盒子里，然后……
——然后他说：“你们想象一下，在盒子内部有一个可以杀死猫的装置。猫有没有死取决于那一小瓶毒药，小瓶子也许会被一个小锤子打碎，这受一群原子控制。如果这群原子衰变，即原子核破裂，放射出各种粒子，那么小瓶子就会被打碎，毒素释放，猫就会死。如果这群原子保持完整，猫就是安全的。”因此，直到打开盒子观察里面的情况前，我的曾祖父一直保持着既死又活的状态！
——很难想象这一情况啊！
——娃娃，这就是量子物理的疯狂之处，很有意思，对吧？
——呃，对于现在来说，这只是非常难懂而已。
——亲爱的，我理解，人类的想象力并不是为了这个荒唐的世界服务的。突然间，之前非常显而易见的道理成了错误的了，但是，我们还是需要从头开始捋清楚。
——或许这样做确实更好一些。即使我不明白，这和原子核有什么关系，和盒子，和对一只猫的命运的猜想又有什么关系！
当我正想邀请凯特继续解释时，它开始舒展身体了：它把爪子伸直，身体弯曲成一个拱形，抬起屁股，开始清理自己左耳后面的区域。
——不好意思，凯特，我们要休息一下吗？
——当然不用，宝贝。
——那么，如果可以的话，我想问的第一个问题十分简单：有没有一个科学家们做的短片，是专门讲述量子物理的？
——这是一个灾难！
说出“灾难”这个词的时候，凯特的脸拉了下来，轻微地朝我瞪了瞪眼睛。我的天，我难道问了不该问的问题了？
——什……什么灾难？
我有点儿害怕地问道。
——著名的紫外线灾难啊！这是出发点！
——或许对您来说是非常著名的……我却从来没有听说过呢！
凯特盯住我，轻微地歪了歪头，我再一次感觉到它在冲我诡异地笑。它是在向我隐瞒什么吗？
——好的，女士，请你坐好，竖起耳朵听好了。如今，我们普遍认为，物质是由原子组成的，原子里有由质子和中子构成的原子核以及外层的电子云，对吗？
——对！
——然而，20世纪初期，当物理学刚开始发展时，针对物质的组成众说纷纭，我们今天普遍认可的原子模型还未诞生。物理学家们遇到了许多困难，例如，当时有一种现象，他们完全无法解释，也正是从这个奥秘开始，开启了物理学史上的革命。
——真的吗？
——当然！你好好听着。从远古时期开始，你们的祖先观察篝火的炽热废墟时，物理学家们就不能详细解释一个显著的现象：从炽热的物体中为什么会发出不同的可见光。它可以是烧木炭发出的光，壁炉里烧木头发出的光，或者旧灯泡的钨丝发出的光，等等。
——我明白了，就像铁匠敲一块铁时发出的光，对吗？
——对。白炽光可以包含红光、黄光……直到总体上变成耀眼的近蓝色白光。光之所以是白色的，是因为在红光和黄光的基础上增加了蓝光。现在你思考一下，有没有一个你熟悉的物体，它主要发黄光？
——嗯……
——你可以求助观众，也就是我的……呃？
——我觉得是有的！
我窃笑。
——太阳就是一个主要发黄光的物体呀！我们的恒星是一个由炽热气体组成的巨大球体，它发出大量的电磁波，分为有色波或无色波，大部分的波都拥有巨大的能量，可以被肉眼看到，总体发黄光。用术语来说也就是，因为太阳表面的温度大约为5 727 ℃，大多数电磁波的波长都是600纳米，即为黄光的波长。然而，参宿四恒星的表面温度较低，只有2 727 ℃，因此肉眼观察它呈微红色。天狼星在空中之所以发出耀眼的白光，是因为它表面的温度高达29 727 ℃。
——那么，也就是说，表面温度和光色之间，存在一定的关系！
——没错！当你去店里买荧光灯泡也是一样的，那些贵的、旧的、里面装了钨丝的，在包装上，你都可以看到一个叫作“色温”的参数表，这样你就可以自由地选择冷白光或者热白光了……
——啊，原来是这样！那么，在电灯泡的包装上，竟然有量子物理学的开端呀！
——从某种意义上说，是的！不论什么温度的物质，都会发出光线，或者说是电磁波。它是像煤炭发出的光一样可见，还是像暖气片发出的光一样不可见，取决于自身的能量。换句话说：物理学家经常把“光”这个词作为电磁辐射的同义词。
——不过我还是有点疑惑！我之前很确信，所谓的“光”指的只是太阳的光，灯泡的光……总之，是可以被“看见”的。
——我知道。你得慢慢习惯起来。
——亲爱的凯特，您等会儿啊。我的体温是36℃，那我也会发光吗？还有您呢，凯特？您体温比我高一点儿吧，您也发光吗？
——当然了，亲爱的。你刚才说的啊，我们身上发出的光主要指的是红外线。不过现在，我希望把你的注意力带到量子物理学诞生的时候，好吗？
——好的，您继续吧，凯特。
——我们已经知道，因为吸收了不同程度的热量（从达到的温度可以看出），从物体发出的波具有一定的能量。吸收的热量少，物体发出红光；吸收的热量多，物体发出白光。要注意，物体的能量只取决于它的温度，而不取决于组成它的物质！
——啊，好有趣。
——这个现象在物理学发展之初，并没有得到一个合理的解释。为什么就是“那种”光呢？在物体的温度和光的颜色之间，存在一定的关系吗？这个问题不仅困扰着实验室里的科学家们，也引起了一些德国企业的注意。这些企业从1880年起，为了破除美国与英国的行业垄断，开始制造车灯灯泡和其他一些照明小用具。到底用什么材料才是最好的呢？如何才能有一个判断亮度的标准？当时，灯泡制造行业缺乏技术支持，准确地说，是缺一个公式，用来计算温度与光的亮度之间的关系。例如，我们知道太阳表面的温度是5 727 ℃，那是否存在一个公式，可以由这个温度推测太阳发出的光主要是黄光呢？1893年，德国物理学家威廉·维恩在对实验数据进行总结的基础上提出了一个相当有价值的公式。只是它有一个缺陷。
——什么缺陷？
——它仅适用于波长与紫外线相近的光，但是当物体温度下降而发出红光时，这个公式就不适用了。
——那如何解决这个问题呢？
——英国物理学家瑞利勋爵和詹姆斯·金斯提出了另外一个公式，但是……这里还是要说但是。
——您不要和我说这个公式也有缺陷呐！
——很遗憾，是的。它不适用于波长与紫外线相近的光。事实上，根据该公式，会得出一个非常荒唐的结果——“灾难性紫外线”。称之为“灾难”，是因为当你将物体温度升高至可以散发强紫外线时，根据该公式，物体将会发射有无限能量的电磁波。换句话说，物体散发的热量比吸收的热量还高！这是违背热力学定律的，你不可能得到比注入更高的能量。就像你去买衣服，结账的时候如果柜员给你的找零比衣服的价钱还高，这要么是柜员搞错了，要么是根本不可能发生的事！
——因此，当时并没有任何一个公式，能够完全解释物体温度与光的颜色之间的关系！
——是的！起初，英国物理学家詹姆士·克勒克·麦克斯韦完美地描述了电磁辐射与物体的组成物质之间的关系，由此诞生了早期的物理学。随着物理学的发展，他的解释变得不再完全适用。所谓的“物体变热”到底有什么未解之谜呢？当科学家们在黑暗中摸索时，柏林大学物理学教授马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克解答了这一问题。
——是有什么大事要发生了，对吗？
我在自己不怎么舒服的小转椅上坐好，问道。
凯特没有回答。它嗅了嗅空气，舒展舒展了四肢，舔了舔自己的左前爪。它现在似乎很忙，没有时间继续向我解释。我假装没看到它在干什么，低头看我的笔记本。它一直在清洗自己，现在轮到另一只爪子了。刚才记的笔记我都看完了，不知道我们什么时候可以继续呀？突然，它说话了：
——我们刚刚说到哪儿啦？
——刚说到普朗克！
——啊，对。当时，普朗克相信物质与能量之间存在一定的关系，反对“原子说”。在他以及同时代的很多科学家看来，物质的结构更像一条河，而不是一袋种子。这个看法并不能解释物体变热的情况，因此呢，他将脑海里的这个模型放在了一边，尝试寻求另一种更合理的解释。如同麦克斯韦的著名方程组确认的，电子在原子内做加速和减速运动的过程中，会发出电磁波，普朗克正是从这一理论出发的。电子加速运动，释放电磁波，真的就是物体变热的原因吗？
——天呐，他太有才了吧！
——因此，普朗克认为电子如同谐波振荡器：就像摆锤一样，当它摆动的时候，会发出电磁波。
——我的天，这是思想的一大飞跃啊！太有想象力了吧！
现在凯特的眼睛变亮了——它也为自己在讲的这个故事感到兴奋。
——故事还没结束呢。这个大科学家认为，每个电子摆有一个自身特有的振动频率，可以吸收能量。
——等等，凯特。你刚说的“吸收”，是什么意思？
——呃，你想想荡秋千时的情况：你的肌肉发力，产生机械能，推动秋千，从那一刻起它开始前后摆动，并形成一个自己的摆动频率。秋千从你推动的这个动作中获得了能量。如果没有绳子和挂钩之间的摩擦，以及身体和空气之间的摩擦，秋千不会改变它的摆动频率，并一直摆动下去。
——我无法想象这个愚蠢的游戏……10秒钟后我就要恶心了。
——哈哈，很有意思，娃娃，但你不要分心呀。电子开始摆动，发出可见和不可见的电磁波，但这只是在每个电子吸收了适当的能量之后发生的。这是普朗克引入的第一个新观点。在此之前，物理学家们非常肯定，吸收和释放的能量是有某种价值的！
——普朗克也得出了一个公式，来说明这个观点，对吗？
——没错。其实这个公式非常简单，它将能量（既包括吸收的也包括释放的）和电子的摆动频率联系在一起了：E=hf。其中，h是这个公式的常数，不是电子本身的常数，而是“普朗克常数”，一个很小很小的数值，约等于6.626×10-34 J·s。从这个简单的关系式出发，普朗克推断出了当时工业巨头们一直在探究的公式，后来被称为“普朗克辐射定律”。该定律可以根据达到的温度，最终计算出从主体辐射出的热量是如何分配的。
——……10的……从主体辐射出……
我一边记笔记，一边低声说。我亲爱的凯特教授说的话，一个逗号我都不想落下。
——如果温度保持不变的话，过一会儿就会达到所谓的热动平衡，因此吸收的能量和释放的能量是一样的。比如，这和用温度计量你出汗时腋下的温度是一样的道理。
——呃，我腋下不会出汗！
——呃，如果你发烧了……
——腋下出汗这事，可不是特别优雅的吧！像你们这种美丽的生物，只有鼻子和爪子出汗……
——哈哈，谢谢你把我定义为美丽的生物。你喜欢猫吗？
——有点儿喜欢……
我清了清嗓子，想换个话题。因为这只猫真的太漂亮了，我真的好想去摸摸它。我一直告诉自己这样会显得缺乏职业素养，而且凯特可能会不高兴！要不重新回到原来的话题吧？我这样想着，说道：
——对，达到了热动平衡，所有吸收的能量都以电磁辐射的形式重新释放了……
——是的，看来你跟上我的思路了。事实上，这是一个持续不断的过程，吸收和释放、吸收和释放、吸收和释放……
——普朗克简直是个天才！他有没有组织一场聚会，来庆祝自己的研究成果？如果是我的话我就这么干了！
——呃，并没有。你记得吗？普朗克是反对原子说的，他相信物质和能量之间存在关系……提出能量如同被分成一小块一小块装在袋子里一样的观点，其实对他来说是失败的！
当凯特说出“失败”二字时，它笑了。显然这是它也非常感兴趣的一个话题。它发亮的皮毛和反光仿佛是在提醒我，即使在这刻，我们也是沉浸在太阳发出的电磁波里。
凯特接着说：
——我们终于到了分量化能量的核心概念：量子。它们是可以被电子吸收或者释放的一袋袋能量，并且，它们每个个体是不可分割的。这有一点像你们用的钱，即有一定数额标注的纸币或者硬币。你们赚钱和花钱的时候，就如同吸收和释放能量一样地在吸收和释放财富，你们就好像财富摆锤一样……
——因此，从那以后，量子物理学的概念就诞生了？
——不是马上就诞生的。普朗克是在1900年12月提出他的理论，但他从来没有真正相信自己的理论。他希望最终有同行找到另一个解释，证明最初那个物质的结构和河流相似的观点。同行们为普朗克解释了光辐射的神秘情况并向他表示了祝贺，然而，所有人都确信，他的理论只是一个小诡计，物理学领域很快会有新的发现，不这么奇怪的、更现实一点的发现。袋装化的能量这个概念确实有点儿奇怪。
——然而……
——然而之后并没有什么新的发现。之后的10年，物理学家们都没有找到一个比普朗克更好的解释。还有一件非常神奇的事情：当时普朗克的量子学说有很多粉丝，其中一个是在伯尔尼专利办公室工作的国家职员，他叫阿尔伯特·爱因斯坦。
——真的吗？！
——是的。很荒谬的是，刚开始爱因斯坦非常崇拜量子学说，但之后他改变了想法，开始反对量子学说。他们俩之间擦出了很多火花呢！哈哈，但是现在先不说，采访该暂停了……喵……
——哦不，我想知道普朗克和爱因斯坦，他们吵架了吗？他们之间发生了什么？最终谁赢了？
——小姐，我们该休息一下了，我去吃点东西。你看看几点了。
——天啊！如果那个钟的时间是准的话，已经很晚了……
我指了指房间角落的摆钟。
凯特舒展了一下它的后爪，之后它看了看我，又看了看我的笔记本，说：“你看见什么了？一个表示我们现在的时间的钟摆，还是那具有革命性意义的‘钟摆’？”
凯特的话飘在半空中，我的好奇心托着它。我站起来，穿上被弄皱的夹克，走近凯特，想向它告别。和一只如此重要的猫应该如何告别呢？伸手去握它的爪子吗？摸摸它的头？
我还在犹豫的时候，它打破尴尬，说：“明天见，亲爱的，还是一样的时间。你要准时噢。”
说完，它跳出窗户，瞬间消失在花园高高的草丛里。
我的笔记
·19世纪末到20世纪早期，科学家们还不能解释关于主体辐射可见光和不可见光的现象。比如，烧煤炭发出的光、铁匠打铁发出的光，以及暖气片发出的光，等等。
·普朗克提出将电子想象成摆锤的观点：当电子从外部吸收能量就会摆动、加速和减速，进而发出电磁辐射，也就是可见光和不可见光。这一观点与麦克斯韦的理论是一致的。
·普朗克具有革命性意义的观点是：电子吸收和释放的能量是分量化的。就如同我们用的钱一样：我们总是用一些特定数额的纸币或者硬币，钱被我们分量化了。能量的“分”被称为“量子”。
·然而普朗克对自己的成果并不满意，他希望有人找到一个更好的解释，回到“物质的结构是连续的”这一观点。
我们一来到世间，社会就在我们面前树起了一个巨大的问号，你怎样度过自己的一生？
——阿尔伯特·爱因斯坦