量子力学并没有多玄乎，一文从其古希腊源头彻底讲清楚｜文史宴
文/陈利根
量子力学其实是原子论发展到今天的产物，是原子论的一部分。原子论的历史从古希腊开始，十分漫长，本文提纲挈领，讲清楚从古希腊到现代，两千多年来人类对原子的认知不断加深的历史。
我们人类的先贤，在一次次的探索中质疑和追问；又在一次次追问和质疑中探索，让真理离我们越来越近。
承蒙大司马的抬爱，约我撰写了一篇关于化学史的文章，并在《文史宴》发表了。今天，笔者借着文史宴的讲台，再对原子论的历史进行一番追溯和评述，希望各位看官能从化学和历史中品出趣味。
对事物的追根寻源、刨根问底，是好奇的人们所共有的习惯；或者说，是好奇的人们所共有的精神。正是我们人类自古以来就有这种代代相传的探索精神，使得我们人类在历史的长河中不断地成长，不断地进步，不断地发展。
从宏观来看。当人们遥望星空，就会追问：宇宙究竟有没有尽头？如果没有，何来无穷的空间、无穷的时间、无穷的物质？如果有，尽头之外又是什么？
古今中外，总有人类的先贤思考这些看似无用，其实非常启迪人类智慧的问题。早在战国时期，诗人屈原就发出“天问”：冥昭瞢暗，谁能极之？阴阳三合，何本何化？
屈原“天问”
从微观来看。当我们的先人把一块木头劈成两爿时，有人也许就把木头当柴火烧了；但哲人就会思考：如果把木头不断地劈开，劈开，一直劈下去……，会有穷尽吗？
古希腊的哲学家德谟克利特就是这样一位哲人，正是他，最早提出了比较系统的原子论。
今天，我就和大家一起，聊聊原子论的发展史，沿着我们人类祖先的足迹，顺着他们的思路，来看看这些人类的先贤是如何逐渐深入到微观世界里面去的。
各位看官不用担心，虽然关于原子的探索属于化学的一个领域，但即使你在中学时化学考试成绩不理想，也不会影响下面的阅读。
一堆古希腊人钻进了微观世界
学化学的朋友也许知道，最早提出“万物由原子构成”并建立原子论的人是古希腊的哲学家德谟克利特，他认为“原子是一种最后的不可分的物质微粒”，也就是把一块木头劈开、劈开，一直劈开，到最后就无法劈开了，这个“无法劈开的微粒”，就是原子。
其实，德谟克利特创建的原子论，深受他的前辈们的影响。在他之前，已经有一堆哲学家钻进了微观世界。他的老师留基伯就已经提出了原子的概念，德谟克利特继承和发展了老师的思想。
德谟克利特的纪念邮票
需要指出的是，德谟克利特的原子论是建立在理性思辨的基础上的，和后来建立在实验观察基础上的现代原子论在方法上完全不一样。令人惊奇的是，他的许多思辨结论，在两千多年后得到了现代科学实验的验证。
德谟克利特认为，原子和原子之间，存在着“虚空”。这是一个大胆而富有想象力的推论。现代科技证明：在微观粒子之间，确实存在大量的“虚空”。
德谟克利特认为，原子一直存在于宇宙之中，它们不能被创造，也不能被消灭。这个就更厉害了，这是物质守恒定律的雏形。要知道，物质守恒定律一直到18世纪法国化学家拉瓦锡的燃烧实验之后，才被化学界公认。
德谟克利特还认为，原子在形式上是多样的，任何变化都是它们的结合和分离引起的。这个还要厉害，把它放在21世纪的化学课上讲，依然是正确的。
当然，德谟克利特的原子论仅仅对原子进行了大胆想象和推论，对原子的本质无法给出任何说法。
罗马人用诗描述原子
古罗马在自然科学和哲学方面的发展不象古希腊那样群星璀璨，不过，古罗马在艺术方面的发展还是成绩斐然的。说到我们今天的主题原子论，古罗马出现了一位跨越艺术和科学两大领域的大咖——卢克莱修。
卢克莱修是一位诗人，又是一位哲学家，他用诗的语言阐述了他对自然现象、宗教和人类社会发展的理解。这就是他的长诗《物性论》。
今天，我们就来欣赏卢克莱修的诗篇，看看两千年前的古罗马哲人如何阐述他对原子的理解。
有一种相似的情形时常出现在我们眼前：
瞧，每当你让太阳的光线投射进来，
斜穿过屋内黑暗的厅堂的时候，
你就会看见许多微粒以许多方式混合着，
恰恰在光线所照亮的那个空间里面，
象在一场永恒的战争中，不停地互相撞击，
一团一团地角斗着，没有休止，
时而遇合，时而分开，被推上推下。
从这个你就可以猜测到：
在那更广大的虚空里面，
有怎样一种不停的基始运动。
诗人用日常生活中“时常出现在我们眼前”的东西，来描述我们看不见的微观世界，用在阳光中显现的尘埃微粒来表征原子（诗中称为“基始”），用“黑暗的厅堂”来表征容纳原子的“虚空”。然后原子“不停地互相撞击”，形成“一团一团”，“ 时而遇合，时而分开”，非常形象地描述了原子结合形成新的物质，以及在一定条件下的物质的分解。
卢克莱修的《物性论》
这些形象的、感性的描写，是诗人和哲人既浪漫、又理性的思想，和两千年后的科学实践非常接近。这不能不说是人类文明的奇迹。
伊斯兰科学中的原子论
在漫长的中世纪，西方古典文化发展缓慢，甚至有人把中世纪称为“黑暗时代”。但是，西方不亮东方亮，阿拉伯文化的兴起，为中世纪增添了一抹亮色。伊斯兰教穆尔泰齐赖派的经院哲学家将原子论的讨论引入经院哲学，逐渐形成了理论框架。但是，由于伊斯兰中后期苏非派的神秘主义的流行，该理论被边缘化，相关文献也失散了。
神奇的是，该理论居然在一位犹太人手里复活了。一位生活在阿拉伯世界的犹太人迈蒙尼德将伊斯兰经院哲学中的原子论整理为十二个前提，主要观点是：
1、一切存在物都由不可再析分的原子组成；
2、存在一个虚空；
3、原子周围存在着依附原子但不占空间的东西（迈蒙尼德称其为“偶性”）；
4、时间由一个个分离的瞬间组成。
对比德谟克利特的原子论，伊斯兰的原子论很有创新，尤其是它不但在空间上对“存在物”进行析分，还把时间析分成一个个瞬间。这很了不起。
文艺复兴，原子论也复兴
文艺复兴大约从14世纪开始。各位看官也许纳闷：你怎么从欧洲两千年前一下子跳到14世纪，这中间一千多年难道原子论的发展是空白吗？
确实是这样，基本上就是空白。在漫长的欧洲中世纪，古典文化发展缓慢，原子论的发展也停滞不前。直到17世纪，法国学者伽森狄再一次提出了古希腊的原子论。
伽森狄是神学博士，又是教会的神职人员，但他在自然科学方面有相当的造诣，是著名的哲学家。他不但继承了古希腊的原子论，认为原子是永恒运动的，虚空是原子的运动场所，并且进一步发展了这种理论。
他认为：原子是不可分、不可灭的，物质是按一定次序结合的原子的总和。这种观点，更接近现代化学理论。
法国哲学家伽森狄
伽森狄之后，又有两位超重量级的科学家——波义耳和牛顿，对原子论提出了一些新的观点，但是，他们对原子的本质，并没有确切的描述。
道尔顿创立近代原子论
到了18世纪，随着化学学科的飞速发展，人们积累了大量化学实验的经验，原子论不仅仅是哲人们理性思辨的产物，它在被实验结果验证或质疑的同时，开始对实验结果进行新的解释。原子论进入了近代时期。
英国科学家道尔顿被认为是近代原子论的创立者。他继承了古希腊的原子论和牛顿的微粒学说，创立了新的原子论。道尔顿的原子论揭示了化学学科的一些真理，比如：
（1）原子在一切化学变化中是不可再分的最小单位。
（2）不同元素原子的性质不同，质量也不同（由于同位素的原因，偶尔有例外），原子质量是元素基本特征之一。
（3）不同元素化合时，原子以简单整数比结合。
当然，也有后来被证明是不正确的，比如：
（1）原子是实心球，原子不可分。现在我们知道，通过核反应，原子是可以分裂的。
（2）同种元素的原子性质和质量都相同。现在我们知道，由于存在同位素，同种元素的原子质量可以不同。
尽管如此，道尔顿的原子论，仍具有划时代的意义。
科技爆炸，原子论日新月异
随着科技革命的不断推进，原子论被不断修正，各种原子模型纷纷闪亮登场，原子论进入了飞速发展的时代。下面我们来欣赏一下，我们的科学家如何脑洞大开，根据当时最新的科技发现，提出他们的原子模型。
（1）汤姆生的葡萄干面包型
到了19世纪末期，在法拉第和麦克斯韦的努力下，电磁学的实验和理论已经趋于成熟，英国科学家汤姆生发现了带负电荷的电子。由于电子带负电，这意味着原子中必须还有带正电荷的东西，这样电荷才能平衡，让原子不带电。
所以，汤姆生的原子模型是葡萄干面包型，就是带正电的面包上镶嵌着带负电的葡萄干，也就是整个原子就像一个葡萄干面包。
（2）“徒弟出拳打师傅”——卢瑟福的行星模型
卢瑟福是汤姆生的学生，汤姆生退休后他接替了老师的职务。卢瑟福在用一种射线轰击金箔时，发现射线不但反射了，还发生了散射和透射，也就是射线透过了金箔。这意味着原子不是实心的，里面存在着“虚空”。就这样，汤姆生的葡萄干面包模型被他的学生卢瑟福给“击碎”了。
据此，卢瑟福提出了他的“行星模型”，就是原子中心有一个原子核，相当于太阳，而电子象行星一样围绕在太阳周围。这样就很好地解释了“虚空”的存在。
卢瑟福的行星模型
中间红色的为原子核，绿色的为电子
（3）时尚的“量子”，其实很有些年头了——波尔的量子化轨道模型
“量子”这个词近年来比较时髦：有量子贴膜、量子服装，甚至还有量子护肤品，等等，这些往往都有概念炒作之嫌。其实，量子是上世纪初就提出来的一个概念。本意是最小的、不可分割的单位。
举个例子，比如长度，就没有不可分割的单位。即使是纳米，也可以有0.5个纳米，可以分割。
但量子不能分割，不可以有0.5个量子。所以一旦某个数量是量子化的，它就不能连续地变化，只能一个量子一个量子的变化。通俗地讲，只能一份一份地变化，就象买包子，只能一个一个买，不能买半个。
言归正传。顾名思义，波尔的量子化轨道模型，就是指电子围绕原子核运行的轨道的半径，不是任意的，电子和原子核的距离是按照轨道的能级，一份一份地增加，或一份一份地减少。这让电子运行的轨道理论更加量化，可以说波尔的量子化轨道模型是卢瑟福的行星模型的升级版。
顺便提一句，波尔是卢瑟福的学生。
量子轨道模型
图中有两层电子轨道，
两层之间的距离不是任意变化的
距离的变化是量子化的
（4）电子云模型
许多朋友一定听到过“薛定谔的猫”，这是用宏观的实验（当然，是一个设想的实验）来描述微观的状态。就是说，在微观世界里，所有粒子的状态都是不确定的，就象薛定谔的猫，是死是活不能确定，处于死和活的叠加状态。
所以，在原子核外面的电子，它的状态是不确定的：你无法确定在某个时刻，某个电子它所在的具体位置。你只能通过计算，了解电子在某个位置出现的几率——也就是电子在各个具体位置上的叠加状态。
这样，电子云模型出现了。电子出现几率大的地方，电子云密度就大；反之，电子云密度就小。
电子云模型
电子云模型从问世到今天，已经有近一百年的历史了。一百年中，为我们解决了许多化学相关的问题。比如，通过计算得到电子云的伸展方向，可以了解化学键的特性，等等。这里就不展开了。
笔者曾撰文说：一部人类的文明史，伴随着化学发展史。今天我们又了解到，原子论的发展，同样也陪伴着我们人类的文明史。原子论，不但是化学学科的基础，也是物理学科的重要组成部分。
我们人类的先贤，在一次次的探索中质疑和追问；又在一次次追问和质疑中探索，让真理离我们越来越近。
让我们由衷地致敬！