量子史话（一）什么是经典物理学？

大家好，接下来的一段时间，我将给大家讲一下量子力学，我会尽可能地用通俗易懂的语言来给大家，按照科学史的时间顺序，来叙述旧量子论和量子力学的发展。所以我们这个系列就叫量子史话。

按照时间顺序叙述的话，有两个优点，首先是逻辑比较清晰，在一个就是把能说的事，可以一个不落地说完。

在说旧量子论之前，我觉得有必要先回顾下19世纪，经典物理学的辉煌，因为20世纪初，旧量子论的出现并不是一个偶然的事件，在他的身上我们可以看到经典物理学的影子，而且旧量子论的出现本身就是为了解决经典物理学在当时所面临的困境。

说白了就是，在19世纪的时候，实验物理学总是超前于理论物理学，在实验中，大批的物理学家发现了很多用经典物理学理论，无法解释的现象，每一个无法解释的现象都是一个坑，因此就挖了很多的坑，挖坑的人有：德国人本生、基尔霍夫，赫兹还有伦琴，法国人贝克勒尔、居里夫人，英国卡文迪许实验室的汤姆逊，美国人迈克尔逊、莫雷。

他们都是非常有名的实验物理学家，但实验物理学家只负责挖坑，不负责填坑，而且一个比一个挖的坑深，等到了20世纪初，当理论物理学家这个职位得到重视的时候，人们才发现，曾经引以为傲的经典物理学大厦，已经风雨飘摇。

我们常说的经典物理学大厦由三栋主楼构成，中间的当然是牛顿建立起来的经典力学大厦，左右两边分别是，麦克斯韦统一起来的经典电动力学大厦，和玻尔兹曼完善起来的热力学和统计力学大厦。

他们分别主管了力、光、电、磁、热等等这些，我们生活中能看到的所有的一切现象，而且更为神奇的是，这三座大厦都以客观现实性、和决定性为根基，他们互相呼应、互相补充，没有明显矛盾的地方。

说到经典力学是我们最熟悉的，牛顿三大定律解释了生活中，能够看到的所有的力学现象，而且牛顿还用简洁的万有引力公式，统一了天上和地下，解释了让人们困惑的苹果落地和月球绕地球运行，其实一种力作用的结果；

不过，可惜的是，牛顿力学的巅峰时期并非出现在牛顿在世的时候，因为牛顿本人总是放不下他心中的那个上帝，他仍然认为万有引力，只是一个，人类总结出来唯象理论，真正的真理还隐藏在上帝的背后；

你要是问牛顿，你的万有引力真的可以解释天上行星的运动吗？牛顿肯定会回答，仅凭万有引力，没有上帝之手的参与，行星不可能这样规律的运转。

到了18世纪末，也就是牛顿死了几十年后，法国的科学家拉格朗日和拉普拉斯，分别写了两本书：《分析力学》和《天体力学》，这两本书才真正做到了用牛顿力学去解释自然万物。

这里还有一个比较有趣故事，拿破仑曾是拉普拉斯的学生，拉普拉斯在写完《天体力学》以后，就把这本书拿给了已经是法国皇帝的拿破仑，拿破仑大致看了一下，就发现了一个问题，他问自己的老师，为何你的书中一句也不提上帝，拉普拉斯自豪的说，我不需要上帝这个假设。

没错，上帝这个假设已经被自然科学踢出了宇宙，这是牛顿力学最伟大的时刻，顺便拉普拉斯还提出了，物理学史上的一只神兽，拉普拉斯妖。

也可以叫它拉普拉斯智者，说的是，如果有一个智者，它可以获悉宇宙中所有物质此刻的运动状态，而且还能知道它们所经历的相互作用，那么这位智者就能知道宇宙万物的过去、现在和未来。

拉普拉斯形象地描述一个决定性、因果性的宇宙，这是一种思维范式，也是一种哲学观，在这种思想熏陶下成长起来的物理学家，他们有一个共同的名字叫，经典物理学家。比方说，我们熟悉的洛伦兹、普朗克、爱因斯坦，都可以叫他们经典物理学家。

这也就解释了为何，洛伦兹推开了相对论的大门，普朗克推开了量子论的大门，却不敢往进迈一步，爱因斯坦最后到死都无法接受量子力学的概率解释。

当然这是后话，我们后面再说。

除了拉普拉斯之外，在1846年的时候，还发生一件大事，在1846年之前的几十年间，人们就发现，天王星运动的轨道速度时快时慢，总是跟理论有偏差，人们就觉得牛顿不应该错吧，所以就预言了海王星的存在；

法国天文学家乌尔班·勒维耶也是这样想的，他埋头一阵算，花了几个月的时间，竟让他把海王星的质量、轨道参数、当前位置等等这些信息给算出来了。

1846年的9月23号，德国天文学家就在勒维耶预报的位置，相差不到1°的天区中，找到了以前星图上从来没有的暗星，它就是海王星。海王星因此也被称为笔尖上的行星。

它的发现不仅是经典力学的高光时刻，也代表了人类在，自然未知面前的一次伟大胜利，更是充分展现了科学能够预测未来和未知的魔力，从此牛顿和它的力学体系，就走上了神坛。以后人们在谈论牛顿的时候只能无条件地信任和仰望。

这就是19世纪的经典力学大厦，它庄严、雄伟、金碧辉煌，反正你怎样形容都不为过，就算是把牛顿吹上天，也无法形容他的伟大。下面我们再简单地说下电动力学和热力学。

电和磁这两种现象，人们发现得比较早，自然界本身就存在有天然磁石，而且闪电、静电也比较常见的现象，但发现这两者之间存在关系，是在1819年。

这一年丹麦物理学家奥斯特，无意中看到了，放在通电导线旁边的，罗盘指针发生了偏转，他就猜测电流可以产生磁场，所以实验物理学家就来了兴趣，开始捣鼓电流。

来年法国人，阿拉果发现，通电导线确实有磁场，因为它可以吸引铁屑，安培也发现了同样的现象，两个通电导线，在电流方向相同和不同的时候，会表现出微弱的斥力和吸引力。

英国人法拉第，顺势就来了一个逆向思维，那既然电能生磁，磁是不是也能生电？他做了一个简单的实验，把一个磁铁在螺旋线圈里，上下抽动，果然产生了电流。

这就是我们现在熟知的，电磁感应现象，那么电和磁这两种，看起来毫不相干的作用形式，它们之间有什么内在联系？又如何用数学语言来描述？

1864年，麦克斯韦用一组对称、优美的方程统一了，电和磁这两种现象，这两种现象都是，电磁这个整体的，不同表现形式，就像水有液态又有固态一样，并且预言了电磁波的存在。

由于计算出来的电磁波的传播速度，跟当时测量的光速，惊人的一致，麦克斯韦觉得这不是一种巧合，指出了光可能就是一种电磁波。

在麦克斯韦去世8年以后，1887年德国物理学家赫兹，在实验室还真就发现了电磁波，并且计算了电磁波的前进速度，跟麦克斯韦的预言一致。

至此宏伟的电动力学大厦落成，麦克斯韦在统一电和磁的时候，还顺便统一了光学，后世没有一位科学家，不被麦克斯韦方程组的魅力所折服，玻尔兹曼曾这样称赞道：能写出这样的数学公式，舍上帝其谁？

最后我们说下热力学，热力学主要研究的就是热现象，和热在不同系统之间，传递的一门学科，比如说热机向外做功，我们生活中烧开水的过程，以及开水静置以后变凉的过程，就是热力学研究的对象。

19世纪末的时候，热力学三大定律已经基本成型，这三大定律基本上，概括了热力学所有的内容，尤其是第一定律能量守恒，已经被奉为金科玉律，具有很强的普适性。

热力学第二定律在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼的努力下，也已经得到了完善，这里需要特别提一下，克劳修斯首次提出了熵的概念，麦克斯韦首次使用统计学，和概率来描述宏观气体的状态，开创造了分子动力学理论。

要知道麦克斯韦的这一操作相当具有开创性，因为当时原子本身是否存在，都还没有一个准确的说法，要想描述气体这种宏观物质，所表现出来的压力和温度，只有假设分子是存在的，然后利用统计学，算出气体内，分子的平均动能，才解释了气体的宏观表现。

比麦克斯韦小13岁的玻尔兹曼，跟麦克斯韦一样也相信原子、分子是真实存在的，当然他也继承了麦克斯韦的分子动力学理论。

并且在1870年的时候，将熵和系统内分子的无序状态联系起来，在统计力学的角度对热力学第二定律给出了概率解释。

至此统计热力学大厦落成，再加上经典力学、经典电动力学，就构成了经典物理学金碧辉煌的建筑群。

如此成就，让很多科学家彻底地膨胀了，认为物理学已经尽善尽美，没啥可以研究了，往后的日子能做的就是修正一些常数，在经典物理学的基础上，继续解释一些还没有完美解释的问题，不过这只是时间的问题。

可真实情况是，当人们都认为，经典物理学一统江湖的时候，等待它的将是一场狂风暴雨般的变革。谁也没有预料到，屹立几百年的经典物理学大厦，即将在短短的几十年间轰然倒塌。

原因是在繁荣表象的背后，经典物理学的根基已经出现了问题。上空还飘着两朵乌云，这两朵乌云最后孕育出了两颗参天大树，成为了现代物理学的两大支柱。

这也是我们下个视频要说的经典物理学，所面临的困境。其实不仅仅是两朵乌云，在遥远的天边，你还能隐约看到几朵小乌云，它们都是扳倒经典物理学大厦的帮凶。