【正见网2024年08月22日】
一、古代对原子的认识
原子论（Atomism）一词，来自古希腊语atomos，含义为“不可分割”。是一种关于世界本原的看法。在古希腊还有一种元素说，泰勒斯认为是水，阿那克西美尼认为是气，而赫拉克利特则认为是火。后来，恩培多克勒在这几种元素之外再加上土，发展为四元素说。毕达哥拉斯派认为是数，巴门尼德认为是永恒不变、不可分割的“一”。
留基伯（鼎盛期约公元前440年）和他的弟子德谟克利特（公元前460-前370）并称为原子论的奠基人。德谟克利特和留基伯提出了完整且机械论性质的宇宙观，并没有依赖于神或众神概念。他们认为原子是最小的、不可分割的物质粒子（“原子”这个词本身就是不可再分割的意思）。原子之间存在着空无的虚空（void），无数原子从古以来就存在于虚空之中，既不能创生，也不能毁灭，它们在无限的虚空中运动，从而构成万物。德谟克利特的原子论里没有神存在的空间，他认为除了永恒的原子和虚空外，从来就没有不死的神灵。他甚至认为，人的灵魂也是由最活跃、最精微的原子构成的，因此它也是一种物体。原子分离，物体消灭，灵魂当然也随之消灭。
古希腊哲学家亚里士多德反对原子论，尤其反对虚空的存在。他在《物理学》和《论天》等著作中写道：“不可分的东西是没有运动和变化的。” “充实的空间里能够有变化，并且，即使在物体之间没有虚空把它们分开，他们也能够彼此调换位置。” 相反，“虚空其实倒会把运动取消，在虚空里面，会只有一个普遍的静止。”因此，亚里士多德认为，虚空是根本不存在的，空间处处为连绵不断的物质所充满。他认为，地上的物体包含四种原素，即土、火、气和水。原素不呈微粒状，而是连续的，原素也不是不可破坏，而是“从彼此产生出来的”。除此之外，还有 “看不见、摸不着”的“第五原素”—天。他说：“天与土、火、气和水不同，天乃是古代人所称为以太的东西。”以太是圣洁之物，它不包含任何矛盾和对立，因而是永远不会发生变化，是永恒的。以太作为宇宙的本原物质的概念逐渐从神话走到自然哲学中来。
中国古代虽然不是物质微粒结构的这种认识，但很早就提出了物质本原的“元气说”。例如，约在公元前400年成书的老子道德经就提出：道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴而抱阳，冲气以为和。后来，很多人都把气当作充满著宇宙的一种物质原素。例如，宋代张载（1020年-1077年）提出：太虚即气，太虚无形，气之本体；其聚其散，变化之客形尔。太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散为太虚。明代王夫之 （1619年-1692年）也指出阴阳二气充满太虚，此外更无它物，亦无间隙。凡虚空皆气也，聚则显，显则人谓之有，散则隐，隐则人谓之无。他们认为，空间中充满著元气，由于阴阳二气相互作用及其聚散变化，产生了宇宙万物。 [1]
古希腊的原子论和中国古代的元气说，虽然是直观的或朴素的，是一种形而上的学说，未形成类似近代科学的理论，但同时也未受到客观实验条件的制约，而可能是一种更为全面和开阔的认识。在中国古代的元气说中，这种气或者元气是一种连续状态的物质，可以作为对原子论的物质离散结构的一种必要的补充。物质从宏观到微观的存在形式，其实是不同层的离散粒子和“虚空”的统一体。在某一层较大粒子之间的“虚空”中，可能弥漫着微观粒子云团，层层粒子空间皆如此。在这方面，古代的哲学思想常常会带来有益的启示，有待于人们在对物质及其运动的深入研究中，不断的去探索和发现物质存在的新形式。
二、近代科学对原子和量子认识的发展
一直持续到十七世纪，才第一次有了近代科学上的论述。罗伯特．波义耳对原子的看法，跟古希腊人大同小异，但他把原子的概念仅限于物质世界，并不接受古希腊人用原子解释形而上层面的说法。牛顿则是在波义耳的原子认知上，再加上惯性的概念；不过要注意的是，牛顿对原子的看法来自于我们的生活经验，却仍然没有实证基础。
到了19世纪初，拉瓦锡现代化学元素概念的确立和普鲁斯特化合物定比定律（同一种化合物中不同元素的重量比为定值）的发现为道尔顿原子论的提出奠定了基础。1803年道尔顿在他的笔记本中清晰的描述了他的原子理论：（1）化学元素是由不可分割的微小原子组成；（2）同一种元素的所有原子都相同，不同元素具有不同的原子，而不同原子的区别在于其不同的重量；（3）化合物中的不同元素的原子数量比为简单的整数比。他的这个论述非常简洁有力，也能够用来解释定比定律； 并在化学家中得到了迅速的普及。随着分析化学的发展，各种原子的原子量和化合物的元素原子比例（也就是分子式）都被确定下来。然而跟牛顿一样，道耳顿也没有可证明原子确实存在的实证结果。
19世纪末，电子的发现使不可分割的道尔顿原子不再成立。19世纪初各种关于原子内部结构的模型被提出。1913年玻尔在卢瑟福原子核模型和普朗克量子理论的基础上，提出了量子原子模型（见图1）。这个模型用简单的数学公式解释氢原子光谱。玻尔原子模型是量子理论在20世纪初的一次重大的进展，玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律。但对于稍微复杂一点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释它的光谱现象。这说明玻尔理论还没有完全揭示微观粒子运动的规律。它的不足之处在于保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看做经典力学描述下的轨道运动，所以仍然有许多无法解决的难题。实际上，原子中电子的坐标没有确定的值。因此，我们只能说某时刻电子在某点附近单位体积内出现的概率是多少，而不能把电子的运动看做一个具有确定坐标的质点的轨道运动。
图1 玻尔原子模型示意图（维基百科）
1900年，普朗克首次提出量子概念，用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子，也就是光能量的最小单元，后来称之为“光量子” (Light Quantum) ，或简称“光子” (Photon)。 电磁波则被看作是粒子似的光量子所组成。如果电磁波的频率为ｆ，则每一个光量子的能量就是hf。光量子的个数与电磁波振幅(即电磁场强度)平方成正比。古典理论在电磁波强度高(即光量子数目多)、频率低时适用。但在频率高且光量子数目小时，光的粒子特性就凸显到无法忽略了。
那时，人们已经知道原子在高温时会发光，而且所发出光的频率不连续，只有某些频率会出现。而依照古典物理，电子环绕原子核时所发出的光，其频率可以是任意值。玻尔假设电子在这些轨道上运转时不会放射出电磁波，但电子可以从一个轨道跳跃到另一个轨道。由于不同轨道带有不同的能量，所以在跳跃时电子需放出(或吸收)能量，这些能量就以光量子的形式出现。从能量守恒可以算出光量子应带有的能量大小和光量子的频率。他发现这些频率与测量到的氢原子放射光谱完全一致。
德布罗意于1924年提出的德布罗意假说表明，每一种微观粒子都具有波粒二象性（Wave–Particle Duality）。电子也不例外，具有这种性质。电子是一种波动，是电子波。电子的能量与动量分别决定了它的物质波频率与波数。他是在爱因斯坦“光子”概念的启发下提出的，既然看似波动的光辐射，具有“粒子”特性，那么像电子这类看似“粒子”的物质，也应具有类似正弦波的波动性（见图2）。这就是“德布罗意物质波”的概念。
图2 波粒二象性示意图（维基百科）
按照物理运动规律的不同，将遵从经典运动规律（牛顿力学，电磁场理论）的那些物质所构成的世界称为“经典世界”，而将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是BEC、超导体、“薛定谔猫”等宏观尺度下的量子系统，它们的共同特征就是必须遵从量子力学的规律。“量子”与“经典”的本质区别在于：经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的；而量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，这种不确定性却是量子世界的本质特征。这个特征体现在量子力学中量子叠加态的描述上。量子态又称波函数或几率幅，它没有任何经典对应。 事实上，量子力学的所有奇异特性正是源于这个几率幅。近百年来对量子力学争论不休也在于这个几率幅（量子态）。
但是，量子力学一方面可以预测出实验的结果。可在另一方面，量子力学所呈现的世界观是那么的荒诞，激烈地冲击了古典物理中形成的既有认识。这让许多物理学家觉得很不自在。例如本世纪最著名的物理学家爱因斯坦，一辈子拒绝接受量子力学。他曾经在与别人讨论量子力学时，问了一句连小学生都知道答案的问题：“是不是只有当你在看它的时候，月亮才在那儿呢?”这个奇怪的问题只有摆在量子力学框架中，才不至于显得突兀。反过来讲，爱因斯坦有此一问，十足反衬了量子力学的怪异之处。量子力学的宗师之一，薛丁谔(E. Schrodinger)曾感叹道：“这些可恶的量子跳跃果真成立的话，我真要后悔介入量子理论了。”著名物理学家费曼(R．Feynman)在《物理定律的特性》一书中也说过：“我想我可以有把握地讲，没有人懂量子力学。”
针对这种叠加态的概念，奥地利物理学者埃尔温·薛定谔于1935年提出“薛定谔猫”的思想实验，指出量子力学中占主导地位的哥本哈根诠释中波函数坍缩与物理常识之间的矛盾。猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态。与爱因斯坦、薛定谔和费曼一样对量子力学感到不满或不安的物理学家、哲学家不少。所以自量子力学诞生至今，持续不断有人在研究量子力学的意义与诠释。不过这一方面的研究不容易有明确的进展，一般讲求成效的物理学家避之惟恐不及。严格讲，能够真正深入问题核心的专家并不多。但是一般读者只要愿意稍微用一点心思，了解一点量子力学的来龙去脉，依靠正确的方法论，从实验现象和直观逻辑的视角，就可以察看和思考量子力学中最玄虚的地方，顺便了解和研判一下物理学家们的激烈争论的意义。
三、量子的形态以及SG实验的启示
量子力学发展至今，一直困扰科学界的主要问题就是量子的粒子性和波动性叠加态的物理本质是什么？由于缺少对量子形态模型的清晰建构，所以只得用叠加态这种似是而非的方式进行如此玄之又玄的表述。直到1992年， Les Allen等人证实了轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的存在，才对粒子自旋角动量之外所具有的轨道角动量特性逐渐有所认识。
从古人的哲学认识和科学的发展角度看，原子和量子都不是客观物质世界的最基本粒子，还可以向微观层面继续分解为一层又一层的粒子，也就是说，原子是一簇粒子云团，量子则可能是由更微观的不同层粒子构成的粒子云团。是否有些类似宇宙太空中星系的形态特征？（见图3），远看是一颗星星，放大后看则是一个星系。从相关视频中可以看到，这样的星系类似旋转的涡旋，自旋的同时应当还有围绕中心的公转，是否与太极图中的阴阳鱼的迴转图形有些类似？当光子沿着光轴传播移动时，粒子云团这种自旋与公转复合而成的螺旋式行进中的不同姿态，其能量便呈现出波函数的周期性变化，并与其频率和波长相对应。这样的物理模型还可以解释光的偏振特性以及半波损失等现象，同时，也使烟雾缠绕的、抽象而又玄虚的量子形态既形象直观，又清晰明确，并且具有状态的确定性。
图3 NASA哈勃团队发布的星系图片 (Arp 273，NASA, ESA and the Hubble Heritage Team)
1922年，德国物理学家奥托·斯特恩（Otto Stern）设想了一个可以推翻玻尔原子模型理论的实验。他想测试在磁场中是否可以定向，还是像玻尔提出的那样只能在离散方向上定向。斯特恩-格拉赫（Stern-Gerlach）实验是一个标志性的、划时代的实验，被认为是量子力学的奠基之石和物理学史上最重要的实验之一。斯特恩计划蒸发一个银样品，并将其汇聚成原子束。然后，他将光束射入到一个非均匀的磁场，并将原子收集到一块玻璃板上。因为单个银原子就像小小磁铁，磁场会根据它们不同的方向使它们发生不同角度转。如果它们最外层的电子能像经典理论所预测的那样任意定向，那么被偏转的原子将沿着探测板形成一个单一的宽轨迹，如图4所示。实验结果表明，银原子沉积层被整齐地分成了两部分，与经典预测的分布形式不一致。然而，斯特恩和格拉赫的实验对尚处于萌芽阶段的量子理论提供了有力的实验支撑的同时，同时也引出了如何解释这种现象的新困惑。
图4 斯特恩-格拉赫实验装置图（维基百科）
为了解释上述斯特恩-格拉赫实验的结果。1925年，两位荷兰学者乌伦贝克（G.E.Uhlenbeck）和古兹密特（S.A.Goudsmit）提出了电子自旋的假设。他们认为电子除轨道运动外，还存在着一种固有的自旋运动，具有自旋角动量以及相应的自旋磁矩。电子的自旋磁矩与自旋角动量成正比，而方向相反。上述实验表明：自旋磁矩在外磁场中也是空间量子化的，在磁场方向上的分量只能有两个量值；同时表明自旋角动量也是空间量子化的，在磁场方向分量也只有两个可能的量值。所以认为：当粒子穿过非均匀磁场时，每个粒子所受到的力取决于其自旋方向。 如果粒子的自旋与磁场一致，它会受到更大的力并向上偏转，而如果自旋与磁场相反，它会受到较小的力并向下偏转。非均匀磁场使得粒子由不确定的叠加态坍缩到某一种确定的自旋状态。
如果让已经知道自旋状态的其中一束银原子再穿过非均匀磁场，进行多级Stern-Gerlach实验，会是怎样的结果呢？
（1）如果我们遮住自旋向下的那束，而使得自旋向上的原子束再通过一个磁场梯度同样为垂直方向的SG实验装置，那么出来后原子束仍然保持为一束；
（2）但如果将实验中的第二级SG装置的磁场梯度改为水平方向，那么自旋向上的原子束通过这个非均匀磁场后，原子束再次在水平方向分成两束，而且两束强度相等；
（3）如果接着上述（2）中所述的实验，我们再次遮住其中一束，只让另一束通过第三级SG装置（磁场梯度为垂直方向），这样的银原子束流通过第三级SG装置后，再次得到了垂直方向上分布的两束原子束流。
这样的实验结果，令科学家们感到费解，不确定的叠加态为什么可以重复出现？确定的粒子自旋态因何而改变？如果采用“星云涡旋”模型便很容易解释：银原子沿轨道旋转会产生磁矩，磁矩的方向即“涡旋”的法线方向，当 “涡旋”以随机状态和姿态进入非均匀磁场时，磁场作用下会逐渐调整姿态进而达到一种吸力平衡或斥力平衡状态， “涡旋”与磁力线垂直，出来时，由于磁场吸力或斥力作用的不同而在磁场方向上分为两束。多级 Stern-Gerlach 实验亦同此理。这也说明，所谓的叠加态是不存在的，粒子本身就处于一种轨道旋转态中，只是轨道平面方向会因磁场的作用而改变。其物理意义是非常简明而明确的。
从古代至今，对原子和量子的认识，经过了从哲学层面认识到科学层面认识的嬗变。核心问题集中于这三个问题：（1）原子或量子是否可以再层层分割？（2）粒子间的是否有虚空存在？（3）量子是怎样的一种物理形态？现代的科学认识主要是基于实验，同时也受到科技测量手段的制约，越来越进入到形而下框框的局限之中，当遇到难以解释的情况时，又会转向玄虚或鬼魅。实际上，这也是人类发展中逐渐脱离形而上的思维方式后蜕变的必然趋势。关于光量子的偏振、传播和干涉方面的种种迷雾，将在后续的专题中分别加以探析。
参考文献：
[1] 翁宝山，《原子的世界》，2006年出版。
