卷五 · 两朵乌云：相对论与量子革命

物理学史 · 卷五 / 六 ｜ 覆盖时代：1895 — 1932 年 ｜ 阅读约 17 分钟

19 世纪最后的五年，物理学忽然「漏电」：实验室里接连冒出 X 射线、放射性、电子——原子这个希腊语里的「不可分者」裂开了。紧接着，卷四末尾的两朵乌云先后化作两场风暴：相对论重写了时空，量子论重写了因果。本卷是全系列概念震荡最剧烈的一卷：三十年里，物理学的基础被换掉了两次。

原子裂开：世纪末的三大发现

• 1895 年，伦琴发现 X 射线——能穿透肉体的「未知射线」轰动世界；
• 1896 年，贝克勒尔发现铀盐自发放出射线；居里夫妇（皮埃尔与玛丽）随后从数吨沥青铀矿渣中提炼出钋与镭，并把这种性质命名为放射性；
• 1897 年，J. J. 汤姆孙测出阴极射线的荷质比，证明它是一种比氢原子轻千倍的带电粒子——电子。原子不再不可分。

玛丽·居里两度获诺奖（1903 物理、1911 化学），也是放射性这个词的命名者。放射性意味着原子内部在释放能量——按经典物理这无法解释：镭不断发热，能量从哪里来？原子内部的门被撬开了，门后是什么，要等卷六的核物理来回答。

第一朵乌云：时空的重组

迈克尔逊-莫雷实验找不到以太。多数人忙着给以太打补丁，26 岁的专利局职员爱因斯坦（1879—1955）换了一个问法：如果根本不存在以太呢？1905 年（史称「奇迹年」，他一年发表了四篇改写物理学的论文）的狭义相对论只有两条公设：相对性原理（物理定律在一切惯性系中相同——伽利略的老原理）与光速不变（真空中光速与光源速度无关）。代价是整个牛顿时空观：

• 同时性是相对的：两个事件是否「同时」，取决于观察者——牛顿的绝对时间死去；
• 运动的时钟变慢、尺子缩短；
• 质量与能量是同一枚硬币的两面：

十年的沉默之后，1915 年他把狭义相对论与引力调和：引力不是力，而是时空的弯曲——物质告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何运动。水星近日点每百年 43 角秒的剩余进动、星光掠日偏折（1919 年爱丁顿日食队验证，令爱因斯坦一夜成名）、引力红移，全部出自同一个场方程。牛顿的引力被证明是「弱场低速」下的绝佳近似——正是卷三末预埋的那颗雷：绝对时空，被它的缔造者传承者亲手拆除。

第二朵乌云：量子的诞生

另一朵乌云的引爆者是普朗克（1858—1947）。黑体辐射的谱线怎么算？经典计算给出「紫外灾难」。1900 年 12 月 14 日，普朗克提出：腔壁与辐射交换能量必须一份一份进行，每份能量与频率成正比：

普朗克视之为「绝望之举」，但他亲手定下的常数 （普朗克常数）将成为新物理学的印章。

爱因斯坦立即接棒：光不仅发射时不连续，本身就是粒子（光子），并以此解释了赫兹发现的光电效应：

（这一贡献——而非相对论——正是他 1921 年诺奖的授奖理由。）1913 年玻尔（1885—1962）把量子化塞进卢瑟福的核式原子：电子只能占据分立的定态轨道，跃迁时放出或吸收 ——氢原子光谱的巴尔末公式被精确导出，物理学家第一次「算出了」原子的内部。

真正的风暴在 1924—1928 年。德布罗意（1924）：既然波可以是粒子，粒子为什么不能是波？电子的波长 很快被戴维孙-革末的电子衍射证实。1925 年，海森堡（1901—1976）放弃「轨道」图像，用只含可观测量的矩阵重写力学；1926 年，薛定谔（1887—1961）写出波动力学方程：

两种形式很快被证明等价——量子力学诞生了。1927 年海森堡提出不确定关系：

这不是仪器不行，而是自然的本性：位置与动量原则上不可同时确定。玻恩给出概率诠释： 是找到粒子的概率——决定论让位于概率。玻尔以「互补原理」调和波粒二象：波动性与粒子性不矛盾，只是不同实验安排下的互补侧面。爱因斯坦拒绝接受，与玻尔展开了持续二十余年的世纪论战（「上帝不掷骰子」对「别指挥上帝怎么做」）——这场论战没有输家：它逼出的贝尔不等式检验（20 世纪 60—80 年代）一次次站在量子力学一边，并在六十年后（2022 年诺奖）尘埃落定。

尾声：向下一卷

到 1932 年，新物理的词汇表已经齐备：相对论管着时空与引力，量子力学管着原子与光。但几乎没有人知道，就在这一年，三份发现将打开一扇谁也没料到的大门——原子核。门后是相当于化学能百万倍的能量，是粒子动物园，是宇宙的起源，也是人类第一次握住自我毁灭的力量。

下一卷：原子核以远。

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