感谢普朗克

感谢普朗克
—他从普通电灯泡里发现大学问
【英国《经济学家》周刊12月9日一期文章】题：感谢普朗克
一百年前的12月，一个电灯泡忽然引起了一位物理学家的兴趣———是什么使灯泡发出黄色的光呢？黄色说明灯泡发出的大都是可见频率的光线，但传统物理学却说，加热的物体发出的光线大部分是短波，也就是不可见的光。就这一令人困惑的现象，即黑体辐射问题，马克斯·普朗克在1900年12月14日柏林德国物理学研究会上发表演讲阐述了自己的观点。也就是在那个时候，世界各国的物理学家才真正开始思考这个问题。因为要解开这一困惑，普朗克创立了量子理论学说。数学难题
当时，认为光以单个能量单位———量子———进行传播的理论听起来还十分荒谬。尽管牛顿当年也做过这样的设想，但是一系列发现清楚地证明，光是以连续能量波传送的。人们开始注意到这个问题，这种奇特的现象被称为光的“二重性”，根据测量仪器的不同，光能够以波和粒子两种形式活动。
当时，普朗克只是把量子理论看成一道数学难题，是物理学家喜欢钻研的那种错综复杂的方程式。甚至他自己也认为这一构想不符合物理现实。虽然他是第一个研究量子力学的人，但后来者不乏其人。然而，即使是有史以来最伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦，也无法理解这一理论的许多涵义。2000年早些时候，一些物理学家评出了物理学十大难题，其中的八项都与量子理论有直接关联。
尽管量子理论很难理解，但它却并非与日常生活毫无关联。因发现了介子和底夸克（宇宙中两种最基本的粒子）而闻名的粒子物理学家利昂·莱德曼估计，量子现象在技术中的应用已占到了美国国民生产总值的1/4。而随着物理学界对量子的研究进入第二个世纪，技术上的应用也会越来越多。　第一代量子技术
在普朗克发表演讲的几十年后，人们才迟迟认识到，正如普朗克发现的能量波像微小的粒子一样活动，粒子也可能像波一样活动，第一代量子技术就是由此产生的。这就是说，电子不是以质量点形式存在，而是以围绕一个点的几率“片”形式存在。物理学家只要解答埃尔温·施勒丁格1926年提出的波方程，就能计算出在空间任何一个特定点找到电子的几率。
当今的量子技术装置，诸如晶体管、激光和发光二极管等，都是利用了电子的波状性质。举例来说，晶体管是由彼此相邻的多电子区和少电子区组成的。对施勒丁格波方程的解答表明，电子不管如何分散，只能存在于这样的区域内。这意味着，工程师可以通过操纵各区之间的量子转换来控制晶体管中的电流。
施勒丁格方程不仅适用于电子，它事实上描述了一切物质的波性。由于物体波长受其质量的影响，物质通常只在亚原子尺度以可察觉的波状活动。
从人的尺度来看，它一般是以分离的普通粒子形式活动。传统理论认为，波状量子世界与真实粒子世界的分界线也恰恰是区分物理学与化学的界限。因为尽管可以用施勒丁格方程制作模型进行原子和分子研究，但是直到不久前，化学家还一直认为进行错综复杂的量子计算并无多大价值。这种情况如今已有所改变。从不同角度来看，既可以说化学与微小物体的联系日趋紧密，也可以说量子物理学正在向宏观发展。
这一变化意味着，一些在量子物理学上认为已解决了的老问题在量子化学上又提出了新的挑战。举例来说，今年早些时候，贝尔实验室的物理学家扬·亨德里克·舍恩声称，他的小组研制出第一台电动“有机”激光器。这种激光器使用廉价的有机化合物“tetracene”分子来发光，而一般电子装置中的常规激光器是由昂贵的砷化镓构成的。物理学与化学相结合
在化学和物理学边缘上，更进一步的应用是量子密码学。这是一种利用单个光子的量子特征的编码系统，可以确保电子传输的完全保密性。它的可行性取决于能否一贯地散发和探测单个光子。迄今为止，物理学家一直在尝试用非常微弱的激光束做这项研究。但就在2000年11月，斯坦福大学的化学家默尔纳在分析了一种分子的量子能量状态后发现，这种分子每次可释放出一个单个光子，且比弱激光更为稳定可靠。
物理学与化学结合应用的另一个例子是碳纳米管——由碳原子组成的牢固而有弹性的圆柱形结构。热衷于纳米技术的人认为，有一天服务于人类的将是分子结构大小的机器。而碳纳米管的传导性也极强。在纳米管的一端加入的电子会即时迅速地传到另一端。此外，剑桥大学的布鲁斯·阿尔夫纳尔最近说，电子的磁力“自旋”在通过纳米管后仍保持不变———这在电子传导中是很少见的。由于能够传导磁力自旋，碳纳米管可能成为未来量子计算设备的基础。这种设备能够大幅提高计算能力，因为“0”和“1”的传统计算模式将被一组“中间”自旋数值代替。
这些小装置听上去有些稀奇古怪，许多持怀疑态度的人对此也嗤之以鼻。但对于量子理论来说，纯粹的怀疑恰是其特征所在。如果一个量子物理学家现在能预测他的研究对未来的影响，他就违背了他的学科长久以来的光荣传统准则。事实上，普朗克对自己所创立的理论也将信将疑。对于正在进行这项研究，以及那些自认为很清楚一直以来所钻研方向的人来说，量子理论超越物理学、深入化学甚至到生物学领域的发展过程很可能会令他们震惊。