大家好，接下來的一段時間，我將給大家講一下量子力學(xué)，我會盡可能地用通俗易懂的語言來給大家，按照科學(xué)史的時間順序，來敘述舊量子論和量子力學(xué)的發(fā)展。所以我們這個系列就叫量子史話。

按照時間順序敘述的話，有兩個優(yōu)點(diǎn)，首先是邏輯比較清晰，在一個就是把能說的事，可以一個不落地說完。

在說舊量子論之前，我覺得有必要先回顧下19世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)的輝煌，因?yàn)?0世紀(jì)初，舊量子論的出現(xiàn)并不是一個偶然的事件，在他的身上我們可以看到經(jīng)典物理學(xué)的影子，而且舊量子論的出現(xiàn)本身就是為了解決經(jīng)典物理學(xué)在當(dāng)時所面臨的困境。

說白了就是，在19世紀(jì)的時候，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)總是超前于理論物理學(xué)，在實(shí)驗(yàn)中，大批的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很多用經(jīng)典物理學(xué)理論，無法解釋的現(xiàn)象，每一個無法解釋的現(xiàn)象都是一個坑，因此就挖了很多的坑，挖坑的人有：德國人本生、基爾霍夫，赫茲還有倫琴，法國人貝克勒爾、居里夫人，英國卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的湯姆遜，美國人邁克爾遜、莫雷。

他們都是非常有名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，但實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家只負(fù)責(zé)挖坑，不負(fù)責(zé)填坑，而且一個比一個挖的坑深，等到了20世紀(jì)初，當(dāng)理論物理學(xué)家這個職位得到重視的時候，人們才發(fā)現(xiàn)，曾經(jīng)引以為傲的經(jīng)典物理學(xué)大廈，已經(jīng)風(fēng)雨飄搖。

我們常說的經(jīng)典物理學(xué)大廈由三棟主樓構(gòu)成，中間的當(dāng)然是牛頓建立起來的經(jīng)典力學(xué)大廈，左右兩邊分別是，麥克斯韋統(tǒng)一起來的經(jīng)典電動力學(xué)大廈，和玻爾茲曼完善起來的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)大廈。

他們分別主管了力、光、電、磁、熱等等這些，我們生活中能看到的所有的一切現(xiàn)象，而且更為神奇的是，這三座大廈都以客觀現(xiàn)實(shí)性、和決定性為根基，他們互相呼應(yīng)、互相補(bǔ)充，沒有明顯矛盾的地方。

說到經(jīng)典力學(xué)是我們最熟悉的，牛頓三大定律解釋了生活中，能夠看到的所有的力學(xué)現(xiàn)象，而且牛頓還用簡潔的萬有引力公式，統(tǒng)一了天上和地下，解釋了讓人們困惑的蘋果落地和月球繞地球運(yùn)行，其實(shí)一種力作用的結(jié)果；

不過，可惜的是，牛頓力學(xué)的巔峰時期并非出現(xiàn)在牛頓在世的時候，因?yàn)榕ｎD本人總是放不下他心中的那個上帝，他仍然認(rèn)為萬有引力，只是一個，人類總結(jié)出來唯象理論，真正的真理還隱藏在上帝的背后；

你要是問牛頓，你的萬有引力真的可以解釋天上行星的運(yùn)動嗎？牛頓肯定會回答，僅憑萬有引力，沒有上帝之手的參與，行星不可能這樣規(guī)律的運(yùn)轉(zhuǎn)。

到了18世紀(jì)末，也就是牛頓死了幾十年后，法國的科學(xué)家拉格朗日和拉普拉斯，分別寫了兩本書：《分析力學(xué)》和《天體力學(xué)》，這兩本書才真正做到了用牛頓力學(xué)去解釋自然萬物。

這里還有一個比較有趣故事，拿破侖曾是拉普拉斯的學(xué)生，拉普拉斯在寫完《天體力學(xué)》以后，就把這本書拿給了已經(jīng)是法國皇帝的拿破侖，拿破侖大致看了一下，就發(fā)現(xiàn)了一個問題，他問自己的老師，為何你的書中一句也不提上帝，拉普拉斯自豪的說，我不需要上帝這個假設(shè)。

沒錯，上帝這個假設(shè)已經(jīng)被自然科學(xué)踢出了宇宙，這是牛頓力學(xué)最偉大的時刻，順便拉普拉斯還提出了，物理學(xué)史上的一只神獸，拉普拉斯妖。

也可以叫它拉普拉斯智者，說的是，如果有一個智者，它可以獲悉宇宙中所有物質(zhì)此刻的運(yùn)動狀態(tài)，而且還能知道它們所經(jīng)歷的相互作用，那么這位智者就能知道宇宙萬物的過去、現(xiàn)在和未來。

拉普拉斯形象地描述一個決定性、因果性的宇宙，這是一種思維范式，也是一種哲學(xué)觀，在這種思想熏陶下成長起來的物理學(xué)家，他們有一個共同的名字叫，經(jīng)典物理學(xué)家。比方說，我們熟悉的洛倫茲、普朗克、愛因斯坦，都可以叫他們經(jīng)典物理學(xué)家。

這也就解釋了為何，洛倫茲推開了相對論的大門，普朗克推開了量子論的大門，卻不敢往進(jìn)邁一步，愛因斯坦最后到死都無法接受量子力學(xué)的概率解釋。

當(dāng)然這是后話，我們后面再說。

除了拉普拉斯之外，在1846年的時候，還發(fā)生一件大事，在1846年之前的幾十年間，人們就發(fā)現(xiàn)，天王星運(yùn)動的軌道速度時快時慢，總是跟理論有偏差，人們就覺得牛頓不應(yīng)該錯吧，所以就預(yù)言了海王星的存在；

法國天文學(xué)家烏爾班·勒維耶也是這樣想的，他埋頭一陣算，花了幾個月的時間，竟讓他把海王星的質(zhì)量、軌道參數(shù)、當(dāng)前位置等等這些信息給算出來了。

1846年的9月23號，德國天文學(xué)家就在勒維耶預(yù)報(bào)的位置，相差不到1°的天區(qū)中，找到了以前星圖上從來沒有的暗星，它就是海王星。海王星因此也被稱為筆尖上的行星。

它的發(fā)現(xiàn)不僅是經(jīng)典力學(xué)的高光時刻，也代表了人類在，自然未知面前的一次偉大勝利，更是充分展現(xiàn)了科學(xué)能夠預(yù)測未來和未知的魔力，從此牛頓和它的力學(xué)體系，就走上了神壇。以后人們在談?wù)撆ｎD的時候只能無條件地信任和仰望。

這就是19世紀(jì)的經(jīng)典力學(xué)大廈，它莊嚴(yán)、雄偉、金碧輝煌，反正你怎樣形容都不為過，就算是把牛頓吹上天，也無法形容他的偉大。下面我們再簡單地說下電動力學(xué)和熱力學(xué)。

電和磁這兩種現(xiàn)象，人們發(fā)現(xiàn)得比較早，自然界本身就存在有天然磁石，而且閃電、靜電也比較常見的現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)這兩者之間存在關(guān)系，是在1819年。

這一年丹麥物理學(xué)家奧斯特，無意中看到了，放在通電導(dǎo)線旁邊的，羅盤指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，他就猜測電流可以產(chǎn)生磁場，所以實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家就來了興趣，開始搗鼓電流。

來年法國人，阿拉果發(fā)現(xiàn)，通電導(dǎo)線確實(shí)有磁場，因?yàn)樗梢晕F屑，安培也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，兩個通電導(dǎo)線，在電流方向相同和不同的時候，會表現(xiàn)出微弱的斥力和吸引力。

英國人法拉第，順勢就來了一個逆向思維，那既然電能生磁，磁是不是也能生電？他做了一個簡單的實(shí)驗(yàn)，把一個磁鐵在螺旋線圈里，上下抽動，果然產(chǎn)生了電流。

這就是我們現(xiàn)在熟知的，電磁感應(yīng)現(xiàn)象，那么電和磁這兩種，看起來毫不相干的作用形式，它們之間有什么內(nèi)在聯(lián)系？又如何用數(shù)學(xué)語言來描述？

1864年，麥克斯韋用一組對稱、優(yōu)美的方程統(tǒng)一了，電和磁這兩種現(xiàn)象，這兩種現(xiàn)象都是，電磁這個整體的，不同表現(xiàn)形式，就像水有液態(tài)又有固態(tài)一樣，并且預(yù)言了電磁波的存在。

由于計(jì)算出來的電磁波的傳播速度，跟當(dāng)時測量的光速，驚人的一致，麥克斯韋覺得這不是一種巧合，指出了光可能就是一種電磁波。

在麥克斯韋去世8年以后，1887年德國物理學(xué)家赫茲，在實(shí)驗(yàn)室還真就發(fā)現(xiàn)了電磁波，并且計(jì)算了電磁波的前進(jìn)速度，跟麥克斯韋的預(yù)言一致。

至此宏偉的電動力學(xué)大廈落成，麥克斯韋在統(tǒng)一電和磁的時候，還順便統(tǒng)一了光學(xué)，后世沒有一位科學(xué)家，不被麥克斯韋方程組的魅力所折服，玻爾茲曼曾這樣稱贊道：能寫出這樣的數(shù)學(xué)公式，舍上帝其誰？

最后我們說下熱力學(xué)，熱力學(xué)主要研究的就是熱現(xiàn)象，和熱在不同系統(tǒng)之間，傳遞的一門學(xué)科，比如說熱機(jī)向外做功，我們生活中燒開水的過程，以及開水靜置以后變涼的過程，就是熱力學(xué)研究的對象。

19世紀(jì)末的時候，熱力學(xué)三大定律已經(jīng)基本成型，這三大定律基本上，概括了熱力學(xué)所有的內(nèi)容，尤其是第一定律能量守恒，已經(jīng)被奉為金科玉律，具有很強(qiáng)的普適性。

熱力學(xué)第二定律在克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼的努力下，也已經(jīng)得到了完善，這里需要特別提一下，克勞修斯首次提出了熵的概念，麥克斯韋首次使用統(tǒng)計(jì)學(xué)，和概率來描述宏觀氣體的狀態(tài)，開創(chuàng)造了分子動力學(xué)理論。

要知道麥克斯韋的這一操作相當(dāng)具有開創(chuàng)性，因?yàn)楫?dāng)時原子本身是否存在，都還沒有一個準(zhǔn)確的說法，要想描述氣體這種宏觀物質(zhì)，所表現(xiàn)出來的壓力和溫度，只有假設(shè)分子是存在的，然后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)，算出氣體內(nèi)，分子的平均動能，才解釋了氣體的宏觀表現(xiàn)。

比麥克斯韋小13歲的玻爾茲曼，跟麥克斯韋一樣也相信原子、分子是真實(shí)存在的，當(dāng)然他也繼承了麥克斯韋的分子動力學(xué)理論。

并且在1870年的時候，將熵和系統(tǒng)內(nèi)分子的無序狀態(tài)聯(lián)系起來，在統(tǒng)計(jì)力學(xué)的角度對熱力學(xué)第二定律給出了概率解釋。

至此統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)大廈落成，再加上經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動力學(xué)，就構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)金碧輝煌的建筑群。

如此成就，讓很多科學(xué)家徹底地膨脹了，認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)盡善盡美，沒啥可以研究了，往后的日子能做的就是修正一些常數(shù)，在經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)解釋一些還沒有完美解釋的問題，不過這只是時間的問題。

可真實(shí)情況是，當(dāng)人們都認(rèn)為，經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)江湖的時候，等待它的將是一場狂風(fēng)暴雨般的變革。誰也沒有預(yù)料到，屹立幾百年的經(jīng)典物理學(xué)大廈，即將在短短的幾十年間轟然倒塌。

原因是在繁榮表象的背后，經(jīng)典物理學(xué)的根基已經(jīng)出現(xiàn)了問題。上空還飄著兩朵烏云，這兩朵烏云最后孕育出了兩顆參天大樹，成為了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。

這也是我們下個視頻要說的經(jīng)典物理學(xué)，所面臨的困境。其實(shí)不僅僅是兩朵烏云，在遙遠(yuǎn)的天邊，你還能隱約看到幾朵小烏云，它們都是扳倒經(jīng)典物理學(xué)大廈的幫兇。

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