曹則賢：原子與原子物理（下） | 中國(guó)科學(xué)院2026跨年科學(xué)演講

2025年12月31日，由中央廣播電視總臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院學(xué)部工作局主辦，中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心承辦的“復(fù)興路上的科學(xué)力量——中國(guó)科學(xué)院跨年科學(xué)演講”面向在全網(wǎng)播出。

當(dāng)晚，中國(guó)科學(xué)院物理研究所曹則賢研究員開(kāi)講《原子與原子物理》。現(xiàn)將演講內(nèi)容整理如下，各別字詞稍有改動(dòng)。由于微信字?jǐn)?shù)有限，本文將分為上下兩部分推送。全文包含開(kāi)篇詞、引言、元素說(shuō)、古代原子論、關(guān)于元素/原子的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、電、電子與原子研究、原子結(jié)構(gòu)與量子數(shù)、量子力學(xué)與原子、原子核模型、反粒子、反物質(zhì)、結(jié)束語(yǔ)十一部分內(nèi)容。

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因?yàn)閮?nèi)容太多，時(shí)間倉(cāng)促，難免有些文字上錯(cuò)誤，敬請(qǐng)諒解。

演講| 曹則賢

06

電、電子與原子研究

盧瑟福有了阿爾法粒子了，就跟我們現(xiàn)在人一樣，手里有個(gè)錘子，看什么問(wèn)題都是釘子，反正就拿阿爾法粒子一通亂轟。學(xué)生去轟擊金屬，轟擊什么金屬呢？轟擊重金屬，白金、金。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大角度的時(shí)候，竟然也有一些粒子被偏折過(guò)去，很有意思。那么他就做了個(gè)經(jīng)典力學(xué)的計(jì)算。

大家理解這個(gè)計(jì)算的時(shí)候，其實(shí)就三步。一步是什么呢？一步是把偏轉(zhuǎn)角和它入射的參數(shù)，入射參數(shù)就是入射速度，入射速度的速度是個(gè)矢量，可以把它用動(dòng)能這樣一個(gè)標(biāo)量，加上它的那個(gè)入射方向和散射中心和它那條線(xiàn)平行的中間的距離，就叫碰撞參數(shù)。我們漢語(yǔ)把它翻譯成瞄準(zhǔn)矩 (impact parameter， 碰撞參數(shù)) 。

反正，因?yàn)樗俣扔写笮『头较蚴莻€(gè)兩個(gè)變量。所以說(shuō)，用動(dòng)能和標(biāo)準(zhǔn)距呢，也是等價(jià)描述。

他的實(shí)驗(yàn)加上一套理論呢，就讓人們意識(shí)到，這個(gè)阿爾法粒子其實(shí)是被一個(gè)具有很大的正電荷（因?yàn)榘柗Ｗ訋д娐铮┥⑸涞玫降摹Ｋ哉姾刹皇窍駝偛拍莻€(gè)西瓜或者說(shuō)李子布丁一樣彌散了一大塊兒的，而是集中在很小很小的一個(gè)地方的。也就是說(shuō)原子的正電荷就像一個(gè)大棗似的，它中間有個(gè)核，那個(gè)核里面是集中了它所有的幾乎所有的質(zhì)量和所有的正電荷。那么，有了這個(gè)盧瑟福模型，它的意義什么呢？

這時(shí)候我們就看原子的電中性是什么意思了。電中性的意思是總電荷等于0。但是每一個(gè)電子帶一個(gè)負(fù)電荷，有很多個(gè)電子，它是怎么構(gòu)成零的呢？是有很多個(gè)負(fù)一和一個(gè)正整數(shù)加起來(lái)等于0的，也就是說(shuō)，不同原子那個(gè)電荷等于0，可能是1、-1，也可能是2、-1、-1，也可能是3、-1、-1、-1，這樣一個(gè)電荷分布構(gòu)成的。那么如果我們把一個(gè)原子當(dāng)做一個(gè)帶電體的話(huà)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的總電荷等于0的，也就是說(shuō)你作為第一級(jí)近似研究它總電荷的效應(yīng)的時(shí)候，它始終是零。所以說(shuō)這一層面就可以略過(guò)去，你必須從下面一個(gè)層面開(kāi)始研究：當(dāng)我們談?wù)撾姾煞植嫉臅r(shí)候，總電荷下面的第一個(gè)層級(jí)是什么？就是電偶極矩。所以說(shuō)就在電偶極矩上才能建出這個(gè)區(qū)別來(lái)。因?yàn)椴煌拥目傠姾啥际?，所以說(shuō)要想看出原子不同之間的電性質(zhì)的差別，最起碼首先要這第一個(gè)層級(jí)應(yīng)該在電偶極矩上看出來(lái)。所以說(shuō)，大家也就明白為什么在我們談?wù)摶瘜W(xué)、談?wù)撐镔|(zhì)的時(shí)候，始終要去談?wù)撨@個(gè)物理量電偶極矩了。什么電偶極矩什么范德瓦爾茲力啊等等，這些就是這個(gè)道理。

那么，知道了1911年有盧瑟福的這個(gè)模型后，一個(gè)荷蘭人立馬就猜出來(lái)，元素周期表可能應(yīng)該按照原子核的正電荷數(shù)目來(lái)排列，因?yàn)樗哂形ㄒ恍浴６@個(gè)原子核的正電荷數(shù)Z，它不是原子重量的一半，而是約等于它的一半，這種中間的差別待會(huì)我們?cè)僬f(shuō)，這個(gè)故事就很有意思，后來(lái)我們用這個(gè)原子核電荷數(shù)Z作為這個(gè)原子叫序數(shù)。

哎，這個(gè)詞呢，非常有意思，因?yàn)樗堑抡Z(yǔ)數(shù)字這個(gè)詞的首字母，非常有趣呢！這個(gè)字母在德語(yǔ)里發(fā)音啊，類(lèi)似我們漢語(yǔ)的“猜的”。你看，這就是我們的研究科學(xué)方法叫“猜的”。這個(gè)數(shù)字本身的發(fā)音又有點(diǎn)像我們漢語(yǔ)的“查查數(shù)”。我覺(jué)得可能可能可能是湊巧，也可能不是湊巧啊，猜的一個(gè)數(shù)啊。

咱們回到1911年這個(gè)事兒啊，原子物理研究開(kāi)掛了。我們知道在這之前開(kāi)過(guò)一次大會(huì)——1860年在德國(guó)的卡爾斯烏開(kāi)會(huì)確立了原子假設(shè)。到了1911年底啊，又覺(jué)得需要開(kāi)會(huì)了——有一位大佬，就是前排第三個(gè)，企業(yè)家，比較有錢(qián)。這位企業(yè)家贊助了這個(gè)。一個(gè)科學(xué)會(huì)議把當(dāng)時(shí)歐洲大佬聚到一起來(lái)談?wù)撦椛浜土孔拥膯?wèn)題。看圖你會(huì)發(fā)現(xiàn)，那些大佬們現(xiàn)在還不是大佬。后排左側(cè)第二個(gè)站著的是普朗克。左側(cè)第右那小個(gè)兒是誰(shuí)啊？是索末菲。后排右二，站著的是愛(ài)因斯坦啊，就是說(shuō)普朗克和愛(ài)因斯坦這這些人還只能站著呢。但是，這個(gè)會(huì)議成果是便宜了會(huì)議的兩個(gè)年輕的秘書(shū)，其中一個(gè)叫德布羅意，毛瑞斯德布羅意。會(huì)議開(kāi)完了以后，把會(huì)議文集印了不少。我估計(jì)那個(gè)毛瑞斯德布羅意啊，可能往回家撈了不少本兒。結(jié)果就便宜他弟弟，路易德布洛意了。路易德布羅意有可能看得很仔細(xì)，所以說(shuō)在1923年這位年輕的會(huì)議秘書(shū)的弟弟啊，路易德布羅意就提出了電子是物質(zhì)波的概念。

另外一個(gè)秘書(shū)叫朗萬(wàn)，就是路易德布羅意的導(dǎo)師。而我們今天做講座的樓上，有一個(gè)單位叫中國(guó)物理學(xué)會(huì)，就是瑯萬(wàn)提議建立的。哎呀，真的看這張圖我特別有感慨，就是你舉行一個(gè)科學(xué)大佬的會(huì)議，到底是誰(shuí)獲益。

在1913年，有一位盧瑟福門(mén)下的一個(gè)丹麥的博士后，在哲學(xué)雜志上發(fā)了3篇論文，論原子與分子的這個(gè)構(gòu)造，那么他干了什么呢？我估計(jì)也是受這次會(huì)議的影響。因?yàn)檫@次會(huì)議的主題是輻射，就是普朗克1900年的光量子假說(shuō)，就是光的能量是跟電的一樣，是有基本單位的，是有

普朗克常數(shù)。他把這樣的一個(gè)常數(shù)，普朗克的假說(shuō)要用來(lái)解釋“原子發(fā)光為什么是一根一根線(xiàn)”的問(wèn)題。那么他遭遇的困難是什么呢？實(shí)際上就是一個(gè)拉莫關(guān)于這個(gè)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的假設(shè)。

拉莫的電動(dòng)力學(xué)認(rèn)為，電子或者電荷被加速的過(guò)程中就會(huì)一直輻射。它的輻射功率等于多少呢？輻射功率正比與加速度的平方。這個(gè)公式現(xiàn)在在我們的電動(dòng)力學(xué)里面還有，但是，這個(gè)公式實(shí)際上是非常令人起疑的。因?yàn)槲覀冎肋\(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。在某一個(gè)坐標(biāo)系里，物體是個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的話(huà)，在另外一個(gè)參照系里，它可能是加速運(yùn)動(dòng)。但是，電荷到底輻射不輻射是一個(gè)絕對(duì)的事情，不能說(shuō)我換個(gè)參照系看，它就輻射了，這是不對(duì)的。所以說(shuō)這個(gè)公式是很令人起疑的。

但是當(dāng)時(shí)，或者說(shuō)到現(xiàn)在，我們大家還覺(jué)得它應(yīng)該是對(duì)的，運(yùn)動(dòng)電荷要輻射。那么原子里面那個(gè)電荷，在那么小的空間里快速運(yùn)動(dòng)，它只能是個(gè)加速運(yùn)動(dòng)，對(duì)吧，老要轉(zhuǎn)彎要加速運(yùn)動(dòng)。因此，按說(shuō)，原子里的電子應(yīng)該在不停的輻射。要輻射呢，那能量就有花光的時(shí)候，這時(shí)這個(gè)原子就塌方了。可是不對(duì)，氫原子壽命穩(wěn)定的很。所以說(shuō)這個(gè)事，你概念上你老是過(guò)不了這個(gè)坎兒。電子在原子里面加速，它就應(yīng)該輻射。可輻射呢？你看，它的原子本身又那么穩(wěn)定，你說(shuō)這事兒怎么辦呢？

這時(shí)候，就得膽大，就得硬假設(shè)。玻爾假設(shè)說(shuō)原子就是電子，從遠(yuǎn)處一路輻射過(guò)來(lái)，到達(dá)某一個(gè)軌道。到達(dá)這個(gè)軌道以后，它就穩(wěn)定地在這繞圈子，再也不輻射了。那么，它這一路輻射能量那個(gè)頻率應(yīng)該是多少呢？或者說(shuō)應(yīng)該輻射出多少能量呢？應(yīng)該等于現(xiàn)在電子在這地方繞圈子這個(gè)頻率的一半。意思說(shuō)我從遠(yuǎn)處來(lái)，要到達(dá)這個(gè)軌道呢，就要釋放能量，就要用某個(gè)頻率先把一部分能量花掉。這個(gè)頻率是我在這個(gè)軌道上繞圈子那個(gè)頻率的一半。這樣的話(huà)，在一個(gè)穩(wěn)

電荷Ze帶進(jìn)去，比方對(duì)于氦來(lái)說(shuō)，Z=2帶進(jìn)去，就出現(xiàn)了半整數(shù)的平方分之1這個(gè)公式，就能夠解釋一部分氦原子的譜線(xiàn)了。哎，這個(gè)很有趣，至少你看到他成功了，成功了你就說(shuō)他一定有成功的理由。

07

原子結(jié)構(gòu)與量子數(shù)

那么在這個(gè)過(guò)程中呢，波爾還計(jì)算了一個(gè)平面軌道怎么穩(wěn)定的問(wèn)題，計(jì)算了有很多電子怎么分成不同的這個(gè)殼層的問(wèn)題。那些計(jì)算都是經(jīng)典力學(xué)計(jì)算，今天看起來(lái)可能沒(méi)什么意義了。僅從這個(gè)公式本身來(lái)看，波爾模型的最重要的意義就是告訴我們大家：原子里面電子的能量是某個(gè)整數(shù)的函數(shù)，也就是說(shuō)引出了量子數(shù)這個(gè)概念。這是波爾這個(gè)模型的一個(gè)偉大意義。

有了波爾這個(gè)公式啊，當(dāng)然你可以用現(xiàn)在的這個(gè)國(guó)際單位制，去推導(dǎo)也行；用頻率表示也行，或者你用波長(zhǎng)分之一（所謂波數(shù)）表示以后，反正等于某個(gè)常數(shù)乘上平方分之一之差這么個(gè)東西。那個(gè)常數(shù)就叫彼得堡常數(shù)。后來(lái)呢，關(guān)于原子里面還提出了一個(gè)典型半徑——波爾半徑，也是剛才的意義。波爾半徑是什么意思呢？在某個(gè)軌道上穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，應(yīng)該等于這個(gè)電子和勢(shì)和原子核之間勢(shì)能的一半。這個(gè)距離就是波爾半徑。

關(guān)于這項(xiàng)工作的意義啊，不管是彼得堡常數(shù)的意義，還是波爾模型的意義，就是把原子物理里面的東西和普朗克描述黑體輻射的普朗克常數(shù)聯(lián)系到一起了，這就是其意義所在。

大家看，從得到巴爾默公式的1885年，到波爾提出原子模型1913年，這個(gè)中間隔了28年。28年這里面的認(rèn)識(shí)，實(shí)際上就是物理學(xué)的進(jìn)展是非常非常大的，為什么人們關(guān)于這個(gè)問(wèn)題是等了28年呢？因?yàn)槲覀兇蠹倚睦砩嫌幸粋€(gè)坎兒，是關(guān)于原子怎么發(fā)光的。因?yàn)槲覀冎涝拥拇笮?/p>

這時(shí)候我就想，好像是如果大家多讀讀童話(huà)，多讀讀這個(gè)玄幻小說(shuō)，可能就容易接受了，是吧？大家還記得吧，這個(gè)阿拉伯童話(huà)里面有一個(gè)特別小的瓶子，里面就能裝一個(gè)什么大魔鬼。這個(gè)地方其實(shí)就有點(diǎn)類(lèi)似的問(wèn)題，原子這么小的東西里面，到底怎么能裝下可見(jiàn)光這個(gè)大魔鬼的就是說(shuō)，大家心里一直過(guò)不了這個(gè)坎。等你過(guò)了這個(gè)坎兒，這個(gè)模型就很容易得著了啊。

這地方我要說(shuō)一個(gè)科學(xué)發(fā)展的某種規(guī)律式的東西，就是說(shuō)當(dāng)一個(gè)發(fā)現(xiàn)做出來(lái)的時(shí)候這個(gè)發(fā)現(xiàn)，配套的東西很可能也會(huì)同步出現(xiàn)。比方說(shuō)在波爾提出原子模型的1913年，一個(gè)叫嘉當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)家在研究轉(zhuǎn)動(dòng)群表示的時(shí)候，提出了一種新數(shù)學(xué)。這個(gè)新數(shù)學(xué)的對(duì)象是什么東西呢？就是這樣的一列兩行的這么存在。這個(gè)一列兩行的數(shù)學(xué)存在是什么東西呢？它里面每一個(gè)元素都是復(fù)數(shù)。每一個(gè)用復(fù)數(shù)構(gòu)成的一列兩行的，這算個(gè)什么東西呢？誒，將來(lái)到1927年，當(dāng)泡利想描述原子里面的電子的行為的時(shí)候，就必須用到它。

在1929年，艾倫菲斯特給他取了一個(gè)名字，叫旋量（spinor），請(qǐng)大家記住，我們也要理解原子里面的電子行為，要研究磁學(xué)的話(huà)，怎么著你也要學(xué)會(huì)這個(gè)泡利的方程，要知道spinor這個(gè)概念。那么，無(wú)獨(dú)有偶。當(dāng)1924年。 哥廷恩的教授波恩第一次提出“量子力學(xué)”這個(gè)詞的時(shí)候，同時(shí)在哥廷根大學(xué)庫(kù)朗和希爾波特合著的人類(lèi)第一本《數(shù)學(xué)物理方法》就出現(xiàn)了。我現(xiàn)在終于明白了當(dāng)年上大學(xué)的時(shí)候，為什么幾乎是在同一學(xué)期我們學(xué)數(shù)理方法加量子力學(xué)。當(dāng)然了，轉(zhuǎn)動(dòng)群線(xiàn)性表示的，還用到一種一門(mén)，也是我們大學(xué)理工科必須要學(xué)的數(shù)學(xué)叫《線(xiàn)的代數(shù)》，不是《線(xiàn)性代數(shù)》。你知道你為什么學(xué)的費(fèi)勁了嗎？就是因?yàn)槟莻€(gè)名字都是翻譯錯(cuò)的。《線(xiàn)的代數(shù)》就是教你線(xiàn)怎么相加相乘的代數(shù)。

那么電子在原子里能量是不是分立值呢？有人碰巧在實(shí)驗(yàn)上就做到了，還是這個(gè)玻璃管里面加電極的問(wèn)題。當(dāng)你把這個(gè)玻璃管里面的氣氛給充成水銀蒸汽的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)那個(gè)它的I-V曲線(xiàn)也就是，電流隨著電壓的變化是像逐漸增高的山峰的形狀的。也就是說(shuō)，隨著電壓的增高，電流不是單調(diào)增加的，而是漲起一個(gè)峰落下來(lái)，再漲起一個(gè)峰再落下來(lái)。但是，請(qǐng)注意，兩峰之間的距離是嚴(yán)格的4.9伏。那么你就可以理解，就是說(shuō)每隔4.9伏的電壓，那個(gè)電子的能量足以從水銀的原子里面撥出更多的電子來(lái)，也就是說(shuō)撥出水銀里面一個(gè)電子所需要的特征能量是4.9伏。這就證明了，電子在原子里面的存在狀態(tài)是某些確定的能量。如果你把這中間的氣體換成別的氣體，比如說(shuō)換成氖氣的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)每隔一段兒那個(gè)發(fā)光亮一點(diǎn)兒，每隔一段發(fā)光就亮一點(diǎn)，這就是所謂的弗蘭克赫茲（Franck-Hertz）實(shí)驗(yàn)。

我當(dāng)年這個(gè)學(xué)這個(gè)原子物理的時(shí)候。這個(gè)弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)，就弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)唄，我管你是誰(shuí)，對(duì)不對(duì)？但是現(xiàn)在我都會(huì)關(guān)注這些人了，就知這些人厲害了。弗蘭克多厲害呢，因?yàn)椴ǘ饕郧耙彩钱?dāng)實(shí)驗(yàn)教授的，當(dāng)被招到哥廷恩大學(xué)當(dāng)理論物理學(xué)教授的時(shí)候，他是死活要拉到弗蘭克的。教育部要想讓我去哥廷恩大學(xué)當(dāng)理論物理學(xué)教授，我必須把我這哥們兒拉上，離了他我活不了。所以說(shuō)使得德國(guó)的教育部還得專(zhuān)門(mén)同時(shí)給他設(shè)個(gè)位置在哥廷根。

那么至于赫茲是誰(shuí)，這個(gè)人叫古斯塔夫赫茲，你可能不知道他是誰(shuí)，但是他大爺是誰(shuí)，你肯定都知道啊。咱們那個(gè)電壓是多少頻率？頻率是什么？50什么？ 那個(gè)赫茲叫哈因里希赫茲，就是他大爺，這一家子有的是大科學(xué)家啊。科學(xué)的這個(gè)傳承是非常重要的。

我們現(xiàn)在看波爾的電子繞著原子核的這個(gè)原軌道模型是非常非常成功，能夠解釋氫原子的光譜，能夠解釋一部分氦原子的光譜。但是它太簡(jiǎn)單了一點(diǎn)，對(duì)吧？我們都是我們學(xué)過(guò)行星軌道的人都知道圓軌道相比于橢圓軌道，太簡(jiǎn)單一點(diǎn)兒。但是這個(gè)簡(jiǎn)單有道理，請(qǐng)大家記住啊，行星的軌道繞太陽(yáng)的軌道，幾乎都是橢圓對(duì)不對(duì)？可是請(qǐng)大家記住，特殊就有特殊的意義，我們的地球繞太陽(yáng)的軌道就幾乎是個(gè)完美的圓。這就是我們腳下這個(gè)地球能產(chǎn)生生命的一個(gè)主要原因，不敢說(shuō)是全部的原因。那么現(xiàn)在啊，我們要把波爾所研究的圓的簡(jiǎn)單情形給拓展到橢圓的情形，就有了既有這個(gè)圓隨著角度的量子化，還有順著鏡像的量子化問(wèn)題，這是一個(gè)威爾遜先提出來(lái)的。在兩個(gè)方向進(jìn)行量子化的時(shí)候呢，他很酷地得出了橢圓的偏心率和量子數(shù)之間的一個(gè)關(guān)系。可惜啊，這位老兄啊，他物理不是特別強(qiáng)，沒(méi)往前走。

那么另外一位大師級(jí)人物索末菲立馬就看出來(lái)了。索末菲這個(gè)人很厲害，我們可以說(shuō)構(gòu)筑近代物理的就兩家班子，一個(gè)是索家班，另外一個(gè)就是波恩及其門(mén)下啊。我們看索末菲的學(xué)生加上博士后。幾乎所有人，你都能在這個(gè)我們的物理書(shū)里找到名字。注明NP的就是所謂的諾貝爾獎(jiǎng)。當(dāng)然了，在他的學(xué)生里面，這個(gè)得諾貝爾獎(jiǎng)未必是多了不得的事情。但是他的學(xué)生還是7個(gè)學(xué)生干走了8個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

所以說(shuō)，索末菲這種人呢，就被稱(chēng)為MacTuor of Maestros，大師的大導(dǎo)師，意思就是他的學(xué)生們都是大師。所以說(shuō)，我強(qiáng)烈的呼吁就是我們的社會(huì)特別需要這樣的人物，就是不光你自己是大師，是你的所有學(xué)生都是大師。

索末菲從經(jīng)典力學(xué)出發(fā)去處理橢圓軌道，是既有角度方向又有鏡像方向兩個(gè)自由度問(wèn)題，這我就不具體推導(dǎo)了。

那么它推導(dǎo)出最后的結(jié)果是什么呢？發(fā)現(xiàn)這樣的軌道能量雖然等于兩個(gè)整數(shù)之和的平方，但是兩個(gè)整數(shù)之和還是個(gè)整數(shù)。得出一個(gè)重要的結(jié)論：當(dāng)我們考察整個(gè)橢圓軌道的運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，得出來(lái)能級(jí)和剛才考慮的原軌道能級(jí)是一樣的，還是能夠精確的解釋氫原子的光譜。這個(gè)推導(dǎo)是特別酷的，建議大家拿到這個(gè)PPT的時(shí)候，跟著這個(gè)步驟推導(dǎo)一遍。

但是，這個(gè)公式描述了電子在原子里面的行為的時(shí)候有兩個(gè)量子數(shù)，而剛才那個(gè)波爾的模型是一個(gè)。兩個(gè)量子數(shù)，如果是僅解釋這個(gè)氫原子光譜的話(huà)它是一樣的倒沒(méi)關(guān)系，但是這時(shí)候呢，有了別的事情啊，我接著往下講。

談到這個(gè)光的發(fā)光問(wèn)題。 剛才呢，我們是什么呢？是我們把一個(gè)物質(zhì)在火苗上燒，或者讓氣體在兩個(gè)電極之間發(fā)光放電發(fā)光，來(lái)去研究光譜。 現(xiàn)在有人在發(fā)光光源外面加一個(gè)電場(chǎng)，或者加一個(gè)磁場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在發(fā)光光源上面加個(gè)外電場(chǎng)的時(shí)候，發(fā)光譜線(xiàn)分裂了，這個(gè)效應(yīng)叫斯塔克效應(yīng)，是斯塔克做的。

就是說(shuō)你在發(fā)光光源外面給它加一個(gè)電場(chǎng)的時(shí)候，那里面的譜線(xiàn)會(huì)一根變成好多根，而且電場(chǎng)強(qiáng)度不一樣的時(shí)候間距會(huì)增加，這個(gè)叫斯塔克效應(yīng)。斯塔克效應(yīng)出來(lái)以后，索末菲的一個(gè)學(xué)生愛(ài)潑斯坦，一個(gè)俄國(guó)人，很輕松地給解釋了，用的是什么東西呢？用的是平面的拋物坐標(biāo)啊。這個(gè)怎么解的？大家看原始論文啊，我不講了。

但是我給大家提醒一句，就是我們大家學(xué)東西，或者說(shuō)我們老師教?hào)|西啊，還是要稍微教的全一點(diǎn)。我們?cè)谏洗髮W(xué)上中學(xué)的時(shí)候，一學(xué)描述平面上的點(diǎn)，大概我們很多人也就學(xué)會(huì)了這個(gè)直角坐位系，是吧？高級(jí)一點(diǎn)呢，也許學(xué)到了極坐標(biāo)系，極坐標(biāo)系是什么呢？就是用一點(diǎn)的距離和到這一點(diǎn)的連線(xiàn)相對(duì)于某一個(gè)參照方向轉(zhuǎn)過(guò)多少角，再將距離乘上負(fù)角，這樣的一個(gè)坐標(biāo)系叫極坐標(biāo)系。我們一般人可能就大概就學(xué)這倆，但其實(shí)還有很多描述平面上點(diǎn)的一個(gè)坐標(biāo)系，比方說(shuō)雙曲坐標(biāo)系，什么意思呢？就是你用套用一套橢圓加上一套雙曲線(xiàn)，就能夠描述一個(gè)空間里面有兩個(gè)參照點(diǎn)的平面。

大家如果仔細(xì)看我們北京的公路，大概就是這個(gè)坐標(biāo)系。二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)，你看一套拋物線(xiàn)加上城市的一套橢圓，或者說(shuō)那等于一個(gè)方框，就類(lèi)似是這樣的一個(gè)坐標(biāo)系，那么這就能描述氫分子。如果你在化學(xué)上要描述氫分子離子，氫分子離子就是兩個(gè)中心，它的平面軌道，你就得用這個(gè)坐標(biāo)系。斯塔克效應(yīng)，你得用這個(gè)坐標(biāo)系，是用兩套拋物線(xiàn)就能夠確定平面上的一個(gè)點(diǎn)，你用這套坐標(biāo)系就能理解斯達(dá)克效應(yīng)，當(dāng)然，為了徹底的理解這個(gè)扭曲的世界，我們一定要學(xué)會(huì)一般曲線(xiàn)坐標(biāo)系。

除了斯塔克效應(yīng)，有人把光源放到了磁場(chǎng)下面，這個(gè)人叫塞曼，來(lái)自荷蘭的萊頓大學(xué)。我們所學(xué)習(xí)的普通物理知識(shí)中相當(dāng)一部分源于該校的貢獻(xiàn)。

據(jù)說(shuō)塞曼在周五那天報(bào)告了他的實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)說(shuō)，在光源處施加磁場(chǎng)，鋅元素的譜線(xiàn)——由原本的一條分裂為三條。周一洛倫茲就把他叫到辦公室說(shuō)關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的理論解釋。有了一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有了一個(gè)理論解釋。于是乎讓他們倆一起得到了第二屆諾貝爾物理獎(jiǎng)。但是他這個(gè)解釋非常有意思。我們現(xiàn)在一般教科書(shū)里面都會(huì)給出底下這個(gè)公式，所謂對(duì)塞曼效應(yīng)的解釋?zhuān)沁@個(gè)是不對(duì)的，為什么呢？因?yàn)樵?897年的時(shí)候，沒(méi)有電子自旋，也沒(méi)有普朗克常數(shù)。所以說(shuō)我們的教科書(shū)里提供這些東西是不對(duì)的，至少和歷史不符。

當(dāng)年洛倫茲解釋就是我們經(jīng)典力學(xué)的受迫振動(dòng)，就是假如說(shuō)你認(rèn)為那個(gè)電子啊是一個(gè)一維振子，現(xiàn)在你加上一個(gè)磁場(chǎng)，在三維空間運(yùn)動(dòng)，也就是加上一個(gè)受迫振動(dòng)項(xiàng)，得到三個(gè)頻率——一個(gè)是原來(lái)的頻率，一個(gè)是其他頻加一個(gè)特征值，一個(gè)是其他頻率減一個(gè)特征值。正好理解了剛才這個(gè)譜線(xiàn)，一根分成三根，兩邊距離還相等。

最絕的是，大家都說(shuō)是洛倫茲的理論解釋了這個(gè)現(xiàn)象，可是竟然我找不著這論文。而只是塞曼在諾獎(jiǎng)講座里面提到了這個(gè)洛倫茲是怎么這個(gè)解釋的。可是就說(shuō)你看人家那體論文沒(méi)有，也都跟著別人得了一諾獎(jiǎng)。這找誰(shuí)講理去是吧。可是天底下沒(méi)有那么便宜的事情。在磁場(chǎng)下，一根線(xiàn)分成三根了。然后，給一個(gè)理論說(shuō)解釋的挺好，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不是那么回事兒。

第二年就有人發(fā)現(xiàn)，比方說(shuō)有的一根分成兩根兒，有的一根分成4根，還有一根分成6根，還有分成5根的，這些肯定不能用剛才的這個(gè)洛倫茲的這個(gè)理論解釋?zhuān)藗儼褧簳r(shí)不能理解的都怎么著，就貼一個(gè)污名化的標(biāo)簽——反常。于是乎就有了所謂的反常塞曼效應(yīng)，大家想一下，大自然里的現(xiàn)象，那叫自然現(xiàn)象，它怎么可能反常呢？對(duì)吧。但是這個(gè)反常塞曼效應(yīng)就成了索末菲和玻恩兩個(gè)大師及門(mén)下眾人，包括泡利、海森堡、德拜、朗德、約當(dāng)?shù)热说男牟×恕?/p>

從1920年前后的這個(gè)幾年里面，都在努力要解釋這個(gè)反常塞曼效應(yīng)，于是發(fā)展了原子論和量子論，催生了量子力學(xué)，這個(gè)問(wèn)題很重要。那么這個(gè)問(wèn)題怎么研究？我們從馬后炮的觀點(diǎn)就可以看出來(lái)當(dāng)年研究的正確性。

首先，這個(gè)事兒是誰(shuí)引起的？它是磁場(chǎng)引起的。那么我們電磁學(xué)里是怎么描述磁場(chǎng)的呢？磁場(chǎng)是一個(gè)贗矢量，它是個(gè)矢量，又不是速度或位移這樣的矢量，它是個(gè)贗矢量。贗矢量對(duì)偶的矢量，實(shí)際上還是選擇了一個(gè)特定方向，即磁場(chǎng)雖然不是矢量，但是它還是規(guī)定了一個(gè)特定方向。第二條，角速度也是贗矢量。大家想想，角速度是一個(gè)位移矢量量差乘個(gè)動(dòng)量矢量，所以它也是個(gè)贗矢量。所以說(shuō)，你看他倆氣質(zhì)就相同。電子在原子里運(yùn)動(dòng)，就那么小空間運(yùn)動(dòng)，它始終在轉(zhuǎn)動(dòng)，所以說(shuō)用角動(dòng)量來(lái)描述它天經(jīng)地義的，對(duì)不對(duì)。磁場(chǎng)引起了譜線(xiàn)的這個(gè)分裂角，角動(dòng)量滿(mǎn)足李代數(shù)，因此角動(dòng)量本身就內(nèi)含著一種量子化的表示。所以說(shuō)呢，這個(gè)幾個(gè)事情就湊到一起了，磁場(chǎng)角動(dòng)量量子化。這幾個(gè)東西就湊到一起了，大家也就明白了為什么磁場(chǎng)引起譜線(xiàn)分裂這個(gè)事情。要想理解這個(gè)譜線(xiàn)分裂，就要在角動(dòng)量上面做文章。而角動(dòng)量本身就內(nèi)涵著量子化的表示。這就是研究磁場(chǎng)下面譜線(xiàn)的分量，最終必然走向量子化，走向量子力學(xué)的原因。

1916年索末菲和他的學(xué)生德拜，他們倆的背靠背的文章引入了空間量子化的概念，就是引入了第三個(gè)量子數(shù)，他是什么意思呢？假設(shè)角動(dòng)量的量子數(shù)，在磁場(chǎng)方向上面有不同的投影。這就引出了第三個(gè)量子數(shù)。

索末菲的一個(gè)學(xué)生朗德，在1921年研究空間量子化的量子數(shù)。他認(rèn)為整數(shù)還可以投影成半整數(shù)，只要那個(gè)半整數(shù)之間的間距是1就行。他認(rèn)為有兩套投影，所以他在1923年的論文里面，提出了角動(dòng)量是怎么相加的問(wèn)題，角動(dòng)量相加不是我們的3+5=8。請(qǐng)大家記住，它是個(gè)矢量相加，同時(shí)這個(gè)矢量還伴隨著一個(gè)特殊的轉(zhuǎn)動(dòng)叫進(jìn)動(dòng)。

這個(gè)索末菲，還有另外一個(gè)學(xué)生，是產(chǎn)生量子力學(xué)的關(guān)鍵人物——海森堡。海森堡在1922年，僅僅是上大二的時(shí)候?qū)懥说谝黄恼拢牡谝黄恼戮痛竽懙奶岢隽擞冒肓孔訑?shù)這個(gè)問(wèn)題。在表達(dá)那個(gè)光譜項(xiàng)公式的時(shí)候，那個(gè)整數(shù)不光是取整數(shù)的平方，還可以取整數(shù)加1/2的平方。但是這個(gè)1/2哪來(lái)的呢？假設(shè)，一個(gè)價(jià)電子和除了這個(gè)價(jià)電子以外的這個(gè)原子的這個(gè)部分叫原子實(shí)，它們之間相互交換就不停的交換角動(dòng)量。因此，一個(gè)角動(dòng)量如果是老是從0~1變化，那平均值就為1/2。這屬于一個(gè)大膽猜想啊，對(duì)不對(duì)的以后再說(shuō)，現(xiàn)在我們?cè)倏磳?shí)驗(yàn)方面。

這個(gè)空間量子化理論認(rèn)為角動(dòng)量在磁場(chǎng)方向上有個(gè)投影，于是自然地，人們就想在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證它。斯特恩和蓋拉赫兩個(gè)人，讓一束銀原子束通過(guò)一個(gè)非均勻磁場(chǎng)，看看在磁場(chǎng)里面會(huì)不會(huì)出現(xiàn)不同的投影，能不能使原子束分裂成不同的束。他們做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)銀原子束真的分成了兩束。

當(dāng)年我學(xué)原子物理的時(shí)候，書(shū)里講的是斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)：讓一束銀原子通過(guò)非均勻磁場(chǎng)，在對(duì)面的一塊金屬板上分成兩條銀原子束。書(shū)上這么寫(xiě)，我們也就這么信了。可是等我自己拿了實(shí)驗(yàn)物理博士、當(dāng)了實(shí)驗(yàn)物理教授以后，我突然發(fā)現(xiàn)不對(duì)了。因?yàn)橹灰阋?jiàn)過(guò)銀膜，就知道如果只有一點(diǎn)銀膜鍍?cè)诮饘偕厦妫强床灰?jiàn)的。也就是說(shuō)，你蒸鍍銀原子，哪怕真的分裂成兩條，鍍到一塊光滑的金屬板上，你也看不出來(lái)有兩條條紋。

那么當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？這哥們兒做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，一邊工作一邊夾著大雪茄抽，那個(gè)雪茄含硫，抽煙抽得很厲害，把銀給熏黑了。銀遇到煙顆粒會(huì)變成硫化銀，變成黃色，所以就看見(jiàn)了。

大家想象一下，為什么我們學(xué)物理、看物理書(shū)，很多東西稀里糊涂學(xué)不會(huì)？就是因?yàn)闀?shū)不告訴你全部的故事。

這個(gè)事很好玩：實(shí)驗(yàn)上確實(shí)能看見(jiàn)分裂的兩條，是真分裂了，可是數(shù)不對(duì)。本來(lái)以為銀原子的外層電子角動(dòng)量等于1，按照空間量子化理論，投影是-1、0、+1，所以應(yīng)該分裂成三條。現(xiàn)在雖然能看見(jiàn)分裂但只有兩條，這是一條重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，先記住它。

再看理論方面，德拜、索末菲發(fā)展了塞曼理論，引入第三個(gè)量子數(shù)，當(dāng)時(shí)叫內(nèi)量子數(shù)，把原來(lái)的角動(dòng)量量子數(shù)稱(chēng)為外量子數(shù)。這樣，原子里的電子就有了三個(gè)整數(shù)量子數(shù)。

同時(shí)，索末菲的學(xué)生朗德發(fā)展了另一套理論，引入兩套投影：一套對(duì)應(yīng)雙重分裂，一套對(duì)應(yīng)三重分裂，同時(shí)把正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)都解釋了，看似挺好。

但這里必須強(qiáng)調(diào)，德國(guó)人講幾重分裂，比如三重分裂、二重分裂時(shí)，總用一個(gè)詞叫“多重性”（Mannigfaltigkeit）。這個(gè)詞在數(shù)學(xué)里也有，可惜我們翻譯成了“流形”，再翻譯成“微分流形”，就完全不知道原意了。

索末菲帶著一眾弟子研究原子物理，到1919年，已經(jīng)對(duì)原子構(gòu)造和譜線(xiàn)關(guān)系有了深入理解。于是他先寫(xiě)了一本書(shū)：《譜線(xiàn)與原子構(gòu)造》。1919年第一版550頁(yè)，1921年第二版583頁(yè)，1922年第三版762頁(yè)，1924年第四版826頁(yè)。看看，索末菲老師不停研究、不停寫(xiě)作，這才是真正的物理大師，一邊創(chuàng)造學(xué)問(wèn)一邊親自一字一字寫(xiě)出來(lái)。等到薛定諤方程出來(lái)后，他立刻出了這本書(shū)的增補(bǔ)卷，1929年352頁(yè)，1939年改成正式第二卷時(shí)變成819頁(yè)。

所以，同學(xué)們真要養(yǎng)成讀五六百頁(yè)大部的習(xí)慣，不要只看一兩百頁(yè)的課本。信息少，反而看不明白。

朗德和波恩合作的論文也對(duì)原子有深入理解，很重要的一點(diǎn)是放棄了玻爾-索末菲模型一直認(rèn)為的電子軌道在平面里，轉(zhuǎn)而認(rèn)為電子具有全空間取向，并把功勞都?xì)w于索末菲的一般性理論，忽略了別人，所以特別得罪人。

索末菲和波恩這兩位大師，真正給我們展現(xiàn)了合格學(xué)生遇到合格老師時(shí)，科學(xué)如何蓬勃發(fā)展的。尤其是讀研究生的朋友，多關(guān)注這兩個(gè)人的故事，看看什么樣的導(dǎo)師才是好導(dǎo)師。

朗德、愛(ài)潑斯坦、泡利、海森堡都是索末菲在慕尼黑的學(xué)生，也都在哥廷根給波恩做過(guò)研究助手。海森堡大學(xué)后半段和做Habilitation都是跟著波恩。

在這個(gè)過(guò)程中，索末菲本人在1919年就注意到，光用經(jīng)典力學(xué)不夠，要呼喚一種新力學(xué)，他叫它“超力學(xué)”。波恩在1923—1924年提出“原子力學(xué)”，到1924年6月14日那篇論文里，造了一個(gè)新詞：量子力學(xué)（Quantenmechanik）。

問(wèn)題實(shí)質(zhì)被波恩一下抓住了，當(dāng)年波爾理論說(shuō)電子發(fā)光是從高能級(jí)跳到低能級(jí)發(fā)出特征頻率的光。在穩(wěn)態(tài)上，發(fā)光電子扮演特殊角色。波恩也認(rèn)為應(yīng)該這樣。既然發(fā)光是某個(gè)電子的事，那就把發(fā)光電子當(dāng)作獨(dú)特研究對(duì)象。

這是一門(mén)什么樣的學(xué)問(wèn)？研究發(fā)光行為，和光學(xué)有關(guān)；是電子發(fā)光，和電動(dòng)力學(xué)有關(guān)；電子在核外高速繞吸引中心運(yùn)動(dòng)，是經(jīng)典動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。可靠的只有經(jīng)典力學(xué)，光學(xué)和電動(dòng)力學(xué)都不太可靠。

波恩立刻指出實(shí)質(zhì)：用經(jīng)典力學(xué)研究發(fā)光電子的非力學(xué)行為。于是從經(jīng)典力學(xué)的哈密頓-雅可比方程加上天體力學(xué)的攝動(dòng)論來(lái)研究原子，發(fā)展出原子力學(xué)，最終走向量子力學(xué)。1924年，波恩提出“量子力學(xué)”這個(gè)詞。

我個(gè)人觀點(diǎn)：如果量子力學(xué)創(chuàng)立只能提一個(gè)貢獻(xiàn)者，那就是波恩。

為什么他能做到？第一，人家是正宗哥廷根數(shù)學(xué)博士，數(shù)學(xué)功底強(qiáng)。第二，一開(kāi)始被明可夫斯基安排做相對(duì)論，還專(zhuān)門(mén)讓同學(xué)輔導(dǎo)他矩陣代數(shù)。最重要是，他本人做過(guò)原子物理實(shí)驗(yàn)，和弗蘭克是好朋友，當(dāng)理論物理教授時(shí)還能把弗蘭克也拉過(guò)來(lái)。1920年代他正好40歲左右，各方面準(zhǔn)備都恰到好處。

我提醒大家，波恩構(gòu)造這套學(xué)問(wèn)的過(guò)程，正好可以作為我們學(xué)原子物理的路徑。他的五本書(shū)就是整個(gè)構(gòu)造過(guò)程：1923年《物質(zhì)的構(gòu)造》、1923—1924年講義、1925年《原子力學(xué)》、1926年《原子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題》、1930年經(jīng)典《基礎(chǔ)量子力學(xué)》、1935年正式《原子物理》。順著這個(gè)脈絡(luò)一路讀下來(lái)，對(duì)原子物理和量子力學(xué)的理解會(huì)更清楚。

在此處必須講一講波恩對(duì)中國(guó)的意義。哥廷根有馮·卡門(mén)，我們學(xué)量子力學(xué)和固體物理的都知道有馮·卡門(mén)邊界條件。他是航空動(dòng)力學(xué)奠基人，有兩個(gè)中國(guó)學(xué)生：郭永懷和錢(qián)學(xué)森。

波恩1927年指導(dǎo)的博士奧本海默，也就是后來(lái)是美國(guó)原子彈工程首席科學(xué)家。波恩的短期助手愛(ài)德華·泰勒，后來(lái)接手了奧本海默的氫彈項(xiàng)目，泰勒的學(xué)生是楊振寧。

而波恩本人指導(dǎo)過(guò)三個(gè)中國(guó)學(xué)生：楊立民在北大教原子核物理，彭桓武和程開(kāi)甲是兩彈元?jiǎng)祝渲谐涕_(kāi)甲還是核基地司令。

還有一位中國(guó)學(xué)生僅在波恩處短暫停留，往辦公桌上一瞟，就對(duì)我國(guó)事業(yè)產(chǎn)生深刻影響。當(dāng)時(shí)波恩正把1915年的晶格動(dòng)力學(xué)用量子力學(xué)重寫(xiě)，寫(xiě)了草稿扔在桌上。這位28歲的中國(guó)留學(xué)生來(lái)了，波恩問(wèn)他有沒(méi)有興趣續(xù)完，他說(shuō)行。于是在1947年接手，1951年回國(guó)，1954年用鋼筆一字一字寫(xiě)出英文版《晶格動(dòng)力學(xué)理論》，至今仍是領(lǐng)域世界經(jīng)典。波恩在序言里說(shuō)，這本書(shū)現(xiàn)在是黃昆的書(shū)了。黃昆先生是我們半導(dǎo)體事業(yè)開(kāi)創(chuàng)者，我老開(kāi)玩笑：這些年半導(dǎo)體老被卡脖子，是因?yàn)槲覀冊(cè)谶@方面已經(jīng)有脖子了。

回到原子，原子很小，里面電子很多，銫原子據(jù)說(shuō)是最大的，也只有55個(gè)電子。在那么小空間里運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)一定是周期性且具有多周期的，所以理解原子物理和量子力學(xué)需要的經(jīng)典力學(xué)就是多周期運(yùn)動(dòng)。

多周期運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是用作用量（action）函數(shù)，把能量或作用量寫(xiě)成角坐標(biāo)的函數(shù)。作用量的量綱正好是普朗克常數(shù)，先天就具有量子化氣質(zhì)。角動(dòng)量也是。所以當(dāng)你能把作用量函數(shù)寫(xiě)成某一類(lèi)角動(dòng)量的函數(shù)時(shí)，就可以量子化了。

原子里的電子不是混成一團(tuán)，而是分層分布，X射線(xiàn)研究也印證了這一點(diǎn)，揭示了其內(nèi)層結(jié)構(gòu)。

在1924年，斯通納注意到，用三個(gè)量子數(shù)方案時(shí)，殼層電子數(shù)是內(nèi)量子數(shù)之和的兩倍。這個(gè)兩倍雖不知從哪來(lái)，但能解釋元素周期表2、8、18、32的結(jié)構(gòu)，所以感覺(jué)很有用。

于是1925年1月，泡利提出著名不相容原理。一般文獻(xiàn)說(shuō)“沒(méi)有兩個(gè)電子可以擁有完全相同的量子數(shù)”。這樣學(xué)永遠(yuǎn)學(xué)不會(huì)，因?yàn)闆](méi)說(shuō)幾個(gè)量子數(shù)、量子數(shù)之間什么關(guān)系。

泡利不相容原理最重要的是引入第四個(gè)量子數(shù)。

當(dāng)時(shí)已有三個(gè)量子數(shù)，現(xiàn)在第四個(gè)量子數(shù)也是經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)物，1926年薛定諤給出的波方程，是能?chē)?yán)格解出前三個(gè)量子數(shù)的理論基礎(chǔ)。

1926年4月克拉莫斯討論薛定諤方程時(shí)，三個(gè)量子數(shù)和泡利不相容原理的關(guān)系，就沒(méi)完全弄清。1927年泡利給出了兩分量薛定諤方程，這個(gè)2和前面的1/2是一回事。

到此，物理學(xué)畫(huà)風(fēng)完全變了：有了量子力學(xué)方程和自旋概念后，原子物理表述和以前完全不一樣。

1925年，兩個(gè)荷蘭人提出電子有自轉(zhuǎn)，角動(dòng)量是1/2。文章投出去時(shí)聽(tīng)說(shuō)克羅尼格和泡利曾討論過(guò)，但自轉(zhuǎn)表面的線(xiàn)速度會(huì)超光速，錯(cuò)了，兩人嚇壞了。幸好導(dǎo)師艾倫菲斯特說(shuō)：你們年輕人怕什么丟臉，你們又沒(méi)有臉。就發(fā)了吧。不過(guò)兩人還是想敲定貢獻(xiàn)，用荷蘭語(yǔ)、英語(yǔ)、德語(yǔ)發(fā)了三遍。

到1925年底，第四個(gè)量子數(shù)——自旋——確立了。以后洪特1927年證明質(zhì)子也有同樣自旋，費(fèi)米1939—1940年提出自旋與統(tǒng)計(jì)有關(guān)。

當(dāng)年人類(lèi)如此費(fèi)力才總結(jié)出的周期表，在我們有了四個(gè)量子數(shù)后，突然知道它為什么長(zhǎng)這樣，可見(jiàn)量子力學(xué)對(duì)理解原子物理多么重要。

08

量子力學(xué)與原子

1925年，海森堡把原子物理研究的量子論和經(jīng)典運(yùn)動(dòng)論關(guān)系做成對(duì)照表，把經(jīng)典關(guān)系翻譯成量子關(guān)系。波恩推崇這是創(chuàng)造量子力學(xué)的第一篇論文。但其實(shí)1924年波恩已提出量子力學(xué)，1925年波恩和約當(dāng)發(fā)表第一篇矩陣力學(xué)論文。海森堡數(shù)學(xué)不好，不知道矩陣。

矩陣力學(xué)需要矩陣作為變量的微積分，我們現(xiàn)在的量子力學(xué)書(shū)都因?yàn)樘y而不講。波恩是數(shù)學(xué)博士，約當(dāng)正好是庫(kù)朗和希爾伯特《數(shù)學(xué)物理方法》那本書(shū)致謝的年輕人，對(duì)書(shū)很熟。那年他從數(shù)學(xué)系轉(zhuǎn)到波恩門(mén)下拿物理博士，主要矩陣工作也是約當(dāng)做的。

1926年薛定諤基于德布羅意物質(zhì)波概念，造出波方程《量子化作為本征值問(wèn)題》，這方程其實(shí)是經(jīng)典哈密頓-雅可比方程的自然延續(xù)。

怎么塞進(jìn)第四個(gè)？克拉莫斯沒(méi)討論清楚，1927年，泡利用兩分量波函數(shù)和泡利矩陣，得到泡利方程。

在磁場(chǎng)對(duì)稱(chēng)規(guī)范下又近似成單分量形式，后來(lái)很多人就誤以為是單分量方程。

多電子原子完全不同，就像家里一個(gè)孩子和兩個(gè)或三個(gè)孩子完全不是一回事。兩個(gè)就叫多，兩個(gè)電子的原子是氦。氦譜線(xiàn)一套單線(xiàn)、一套看似雙線(xiàn)其實(shí)三線(xiàn)。

處理兩個(gè)電子只能近似：LS耦合和jj耦合。

兩種方案給出能量一樣，都是近似。

角動(dòng)量相加一定是進(jìn)動(dòng)相加，不是簡(jiǎn)單矢量相加。

原子物理一直在處理轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，角動(dòng)量是主角，可以認(rèn)為角動(dòng)量相加實(shí)際上是群論的擴(kuò)展空間問(wèn)題。

電子在殼層排列有經(jīng)驗(yàn)規(guī)則——洪特規(guī)則。當(dāng)年學(xué)原子物理不得不背，卻沒(méi)人告訴我它不是嚴(yán)格正確的。

洪特1927年研究分子譜時(shí)提出量子隧穿：經(jīng)典世界里能量不夠到不了勢(shì)壘頂，但在量子世界可以以一定概率穿過(guò)去。

惰性氣體和球諧函數(shù)有關(guān)，我故意寫(xiě)成“球鞋函數(shù)”，其實(shí)應(yīng)該是“球諧函數(shù)”或“球安裝函數(shù)”——教你怎么用一堆函數(shù)安裝出球?qū)ΨQ(chēng)分布。S軌道球?qū)ΨQ(chēng)，三個(gè)P軌道模平方和球?qū)ΨQ(chēng)，五個(gè)D軌道也一樣。

那么“球”形電子分布與惰性到底是什么關(guān)系？

我剛才已經(jīng)說(shuō)了，原子或分子，它本身的電荷是什么？就是中性的。因此呢，你要考慮它的什么？要考慮它的偶極距。如果偶極距還是0的，那就是“球”形電子分布了。偶極距還是0的話(huà)，那說(shuō)明這一個(gè)分子就不太容易和別的分子結(jié)合，或者有吸引力。因此，如果用這樣的分子做成一個(gè)材料，這種材料就可以用來(lái)做不粘鍋。

所以說(shuō)，大家想象一下，如果你學(xué)會(huì)了量子力學(xué)，你對(duì)原子本身多少有理解，你就能看出這個(gè)分子所表示的物質(zhì)，它就是不粘鍋材料。而且，你的量子力學(xué)足夠好，你還就知道，你看它這個(gè)分子式，你還就知道它不能抗高溫。

所以氫原子呢，應(yīng)該說(shuō)就是這個(gè)原子物理的實(shí)驗(yàn)室。

氦原子就已經(jīng)是能夠讓你頭疼的東西了，因?yàn)樗袃蓚€(gè)電子，兩個(gè)電子就足夠多，就可以用來(lái)驗(yàn)證你的近似理論。

那么當(dāng)年就為了氦原子里面這兩個(gè)電子怎么放的問(wèn)題提出了許多模型。

一開(kāi)始玻爾的模型就認(rèn)為，放在一個(gè)圓的直徑的兩頭。是不是就挺好，后來(lái)發(fā)現(xiàn)不是。那克拉莫斯呢，給出另外一個(gè)模型，說(shuō)兩個(gè)電子是它各自走一個(gè)橢圓，橢圓還是互相交叉的，是空間模型。其實(shí)這個(gè)模型呢也不對(duì)，為什么呢？怎么證明它對(duì)和不對(duì)呢？就是你這樣的體系，你要算出來(lái)這個(gè)電子本身的結(jié)合能是多少。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)都算不對(duì)。這個(gè)氦原子的第一離化能24.6eV是個(gè)硬指標(biāo)，就是你不管怎么算出來(lái)，實(shí)驗(yàn)上我把這個(gè)氦的一個(gè)電子剝?nèi)ニ枰哪芰吭谖锢砩鲜强梢源_定的。所以說(shuō)你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些模型都都算不對(duì)，沒(méi)關(guān)系，算不對(duì)就算不對(duì)吧。

好，那么現(xiàn)在我們知道了，這個(gè)原子里面的電子是用四個(gè)量子數(shù)表示的。它前兩個(gè)量子數(shù)——主量子數(shù)和角動(dòng)量量子數(shù)就足以描述某一個(gè)層里面包容的幾個(gè)原子。所以說(shuō)，我們大概知道，用這前面兩個(gè)量子數(shù)表示的電子層就足以能夠大致說(shuō)的清楚能級(jí)的高低了。

等到8s這個(gè)地方的時(shí)候呢，你算它能夠包容的電子數(shù)，就超過(guò)120了。意思就是說(shuō)，對(duì)于我們描述地球上的元素，只到8s這個(gè)地方就夠了。

大體上它的能量順序，就是這樣子的，也是一直到8s，一個(gè)原子沿著像山上的公路似的，從低能級(jí)到高能級(jí)排列原子外電子的構(gòu)造。大概你知道，價(jià)電子排列是這樣子的。

那么差不多到8s的時(shí)候，共可以容納120種元素。那么現(xiàn)在我們?nèi)嗽煸刈疃嗍嵌嗌伲渴?18對(duì)吧？那么我們天然的元素是到92，就是鈾元素，就夠好了。

這些排列其實(shí)呢，因?yàn)槟阒唤o了兩個(gè)量子數(shù)，如果考慮四個(gè)量子數(shù)呢？它會(huì)有一些稍微的調(diào)整，但是調(diào)整的不多，就是用剛才兩個(gè)量子數(shù)說(shuō)的，大致能夠把這個(gè)元素周期比較理解，我們就不考慮這個(gè)細(xì)節(jié)了。

那么現(xiàn)在呢，我們終于有了元素周期表，我們根據(jù)量子力學(xué)也知道，元素周期表必須長(zhǎng)這個(gè)樣子。

你們看就會(huì)有不同的元素周期表，有的就是簡(jiǎn)單的元素符號(hào)，元素和元素符號(hào)。

有的呢添個(gè)原子質(zhì)量。

有的呢還給你添個(gè)元素名稱(chēng)。這個(gè)元素名稱(chēng)呢，大部分來(lái)說(shuō)新造的詞和英語(yǔ)詞應(yīng)該是一樣的。但是我們很多人拿這個(gè)英語(yǔ)詞當(dāng)做這個(gè)元素名，結(jié)果就造成一個(gè)局面，就是有好幾種元素，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，它的元素符號(hào)和它的英文名對(duì)不上。

大家可以舉幾個(gè)例子啊：鐵你對(duì)不上吧？水銀你對(duì)不上吧？碲你對(duì)不上吧？還有錫你對(duì)不上，對(duì)吧？錫的元素符號(hào)Sn，還有銀你也對(duì)不上。其實(shí)如果大家知道拉丁詞的話(huà)，你會(huì)知道都對(duì)得上。銀原子符號(hào)Ag就是阿根廷，阿根廷那就是銀子銀錢(qián)，對(duì)吧。水銀Hg那就是希臘語(yǔ)水、銀。

好了，那么有的元素周期表呢會(huì)給出原子質(zhì)量。但是我認(rèn)為這個(gè)原子質(zhì)量給的并且還小數(shù)點(diǎn)后幾位是極為糟糕的。因?yàn)椴煌脑兀耐凰氐臄?shù)目是不一樣子的，所以就是說(shuō)，根據(jù)自然的豐度加權(quán)不同的同位素算出來(lái)的這個(gè)平均原子量是沒(méi)有任何物理意義的。所以說(shuō)這種元素周期表是很糟糕的，我個(gè)人覺(jué)得。

還有人很酷，能給出這種元素單質(zhì)的性質(zhì)。

還有元素周期表干脆跟你說(shuō)，那單質(zhì)物質(zhì)是什么樣子。

當(dāng)然了，還有人指出哪些是放射性的。

還有人的元素周期表指出同位素的。

還有的元素周期表，我覺(jué)得是瞎說(shuō)多于事實(shí)的。這種周期表啊，什么白矮星、暗物質(zhì)都來(lái)了。那基本上，有可能啊，但是呢不能去確認(rèn)，所以這也就是玩笑，這種元素周期也不可信。

我覺(jué)得這一版的中文的元素周期表，可能算是比較合適的。

那么這個(gè)地方呢，很有趣的是關(guān)于這個(gè)惰性氣體。惰性氣體的特征是什么呢？就是它原子外面的電子結(jié)合能非常大，所以說(shuō)，你很難把它奪走，也就是說(shuō)很難進(jìn)行化合。

但是，請(qǐng)大家記住，這個(gè)原則性的問(wèn)題實(shí)際上永遠(yuǎn)是量的問(wèn)題。雖然看起來(lái)很惰性，但取決于它遇到誰(shuí)，對(duì)不對(duì)？又是剛才那個(gè)Pauling，Pauling就根據(jù)他的量子力學(xué)知識(shí)，他就認(rèn)為這些所謂的惰性氣體遇到氯和氟這種東西的騷擾啊，它扛不住，可能形成分子。結(jié)果量子力學(xué)計(jì)算這個(gè)東西還奇怪：它的激發(fā)態(tài)有結(jié)合的傾向，它的基態(tài)是愿意分解成原子的。

這種詭異的行為可以正好用來(lái)當(dāng)做一個(gè)激光介質(zhì)。所以說(shuō)，惰性氣體的氟化物常常用來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)分子激光器。如果你們大家關(guān)心軍事的話(huà)，你該知道現(xiàn)在我們很多軍事武器用的激光就是準(zhǔn)分子激光。很酷啊！

那么元素名稱(chēng)啊，我覺(jué)得如果我們中國(guó)的孩子學(xué)元素名稱(chēng)的話(huà)，最好還是要關(guān)注一下元素名稱(chēng)本身是什么意思。你看有些東西是關(guān)于物質(zhì)，有些是用的發(fā)現(xiàn)的地方，有些是用具體的大人物名字來(lái)命名的。比方說(shuō)你看，俄羅斯的莫斯科都被用來(lái)命名元素了，愛(ài)因斯坦、玻爾也都被用來(lái)命名元素了。

所以說(shuō)從元素周期表，我個(gè)人覺(jué)得，要培養(yǎng)我們少年知其然知其所以然的習(xí)慣。從這個(gè)名字本身我們能看出來(lái)什么呢？就是說(shuō)用元元素命名這個(gè)事情——當(dāng)然現(xiàn)在來(lái)不及了，已經(jīng)118種了，將來(lái)可能也沒(méi)有了，再也沒(méi)這個(gè)機(jī)會(huì)了——其實(shí)，如果你要是能夠發(fā)現(xiàn)這種元素，那用你們村兒，或用你們的國(guó)家，或用你的名字命名，你就知道它榮耀的時(shí)候。哎，可能這個(gè)榮耀再也沒(méi)有了！

那么現(xiàn)在有個(gè)問(wèn)題啊：就是我們說(shuō)原子里有多少電子，你怎么知道原子里有多少個(gè)電子的？

我們看，根據(jù)維基百科或什么說(shuō)，都是這種話(huà)，“化學(xué)的一個(gè)基本概念是如何決定一個(gè)原子包含多少個(gè)電子。利用元素周期表，這很容易做到”。天吶，元素周期表是天上掉下來(lái)的？這倆事情弄擰了好不好？你不能根據(jù)元素周期表決定一個(gè)原子里面有多少電子，是我們要知道原子里有多少電子才有原子周期表。

那么，怎么知道原子里面有多少電子呢？其實(shí)是很難的一件事情。氫，只有一個(gè)；氦，有兩個(gè)。這個(gè)大概是我們知道的。其他的有多少都很難，現(xiàn)在據(jù)說(shuō)人類(lèi)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)的最高價(jià)態(tài)離子是鐵，13價(jià)。就是因?yàn)槟惆岩粋€(gè)原子里面電子剝掉3個(gè)、4個(gè)，接下來(lái)就很難了。

這一點(diǎn)如果大家知道一點(diǎn)的話(huà)，當(dāng)你把一個(gè)原子每剝掉一個(gè)電子的時(shí)候，剩下電子作為光電子的時(shí)候，它的能級(jí)差別就特別大。如果那個(gè)能級(jí)正好提供了發(fā)光的話(huà)，你就能得到紫外線(xiàn)，你就能得到什么？深紫外線(xiàn)。我說(shuō)到深紫外線(xiàn)，大家是不是想到光刻機(jī)了？對(duì)，要想得到光刻機(jī)用的深紫外線(xiàn)，你就要有能實(shí)現(xiàn)多重離化的離子，用多重離化離子的那個(gè)能級(jí)發(fā)光就可以得到深紫外光，甚至X線(xiàn)。那是那里面困難的地方。

09

原子核模型

好，那么我們現(xiàn)在已經(jīng)知道了有電子，早就有人說(shuō)了，有正電子的問(wèn)題。1919年盧瑟福用阿爾法粒子一通亂轟，轟擊氮原子的時(shí)候，轟擊出了一個(gè)正電荷的東西。這個(gè)正電荷的東西，他把它命名為proton，這就有了質(zhì)子了。

Bothe和Becker用阿爾法粒子轟擊輕元素的時(shí)候，又轟出了一種粒子，這種粒子和伽馬射線(xiàn)差不多。伽馬射線(xiàn)是光子，意思就是不受電磁場(chǎng)的影響，但是這種東西又很容易被這個(gè)蠟，就是碳?xì)漕?lèi)化合物，輕松就給阻擋住了。所以說(shuō)，最后這個(gè)Chadwick建議說(shuō)，這種東西可能是質(zhì)量和質(zhì)子差不多的一個(gè)東西，又是不帶電的，于是給它命名叫中子。這就是中子的發(fā)現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子以后，但是我們記住，原子核里面可確實(shí)是跑出過(guò)一種叫貝塔粒子的。這個(gè)貝塔粒子帶負(fù)電，你測(cè)它的荷質(zhì)比的時(shí)候發(fā)現(xiàn)它等于電子，所以說(shuō)長(zhǎng)期以來(lái)人們認(rèn)為原子核里面是有電子的。那么，一個(gè)正電荷等于Z的原子核是怎么構(gòu)成的呢？應(yīng)該是兩倍Z的帶正電的質(zhì)子加上電子，這樣子構(gòu)成的一個(gè)總電荷等于Z，然后質(zhì)量差不多是2Z的這么樣一個(gè)原子核。

那么后來(lái)是通過(guò)統(tǒng)計(jì)物理，又是奧本海默，玻恩下面的奧本海默，他在1931年的一篇論文里證明原子核里面是沒(méi)有電子的。那現(xiàn)在已經(jīng)沒(méi)有電子，以前就理解不了，為什么只有Z個(gè)正電荷而那個(gè)質(zhì)量卻是電荷兩倍多一點(diǎn)，這個(gè)事情就理解不了。

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)中子了，那就好辦了。原子核里面沒(méi)有電子，那就是質(zhì)子加上中子就完了唄。中子的數(shù)量比Z多一點(diǎn)點(diǎn)，所以說(shuō)總質(zhì)量是Z的兩倍多。哎，什么都解釋清楚了。

這個(gè)很好，但是，你覺(jué)得這個(gè)解釋很好嗎？

你解釋了這個(gè)原子核質(zhì)量的問(wèn)題，可是你沒(méi)給我解釋?zhuān)锩嬖趺磁艹鰜?lái)電子的呀？對(duì)不對(duì)？你證明里面沒(méi)有電子，可它里面確實(shí)跑出來(lái)電子了呀。

所以說(shuō)這你怎么解釋呢？那么就是1934年費(fèi)米提出的貝塔衰變理論。那個(gè)電子是哪來(lái)的呢？那個(gè)電子是一個(gè)中子衰變成電子現(xiàn)產(chǎn)生的。中子衰變成一個(gè)質(zhì)子、現(xiàn)產(chǎn)生的一個(gè)電子，那么它倆加起來(lái)電荷不就等于0，不就完了嗎？

結(jié)果他又引出了一個(gè)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)這里面那個(gè)電子的能量，它不是明確的值，而是一個(gè)帶狀分布。兩個(gè)能量帶狀分布加起來(lái)等于多少，你就心里沒(méi)數(shù)，你知道吧？就不滿(mǎn)足我們視之為圭臬的能量守恒定律。你說(shuō)這事討厭不討厭？所以說(shuō)大家就在這個(gè)地方又陷入了個(gè)困頓。有人呢，就認(rèn)為，能量不守恒就不守恒吧。那么泡利呢？泡利就覺(jué)得，也許還有一個(gè)小的中性的東西，它帶走了部分能量，但僅僅今天，我們沒(méi)逮著它，我們現(xiàn)在把它命名為一個(gè)小的、中性的，小的調(diào)皮搗蛋，叫neutrino。這就是中微子的概念提出來(lái)的。

總結(jié)一下，大致上關(guān)于原子的形象是這樣子：1897年電子發(fā)現(xiàn)；1911年原子核被發(fā)現(xiàn)；1913年，玻爾原子模型解釋氫原子怎么發(fā)光；1919年質(zhì)子被確定；1926年薛定諤方程確定了電子的三個(gè)量子數(shù)；1927年泡利的方程確定了電子的第四個(gè)量子數(shù)怎么表示，這樣的話(huà)，元素周期表就被解釋了；1932年，中子被發(fā)現(xiàn)了，就解釋了原子核的電荷質(zhì)量和貝塔射線(xiàn)之謎。

所以說(shuō)到這時(shí)候，我們對(duì)于這個(gè)原子的認(rèn)識(shí)大體上就建立了。那么這一個(gè)非常粗鄙的模型，就這樣的一個(gè)模型，就成了世界上很多科學(xué)機(jī)構(gòu)的logo。因?yàn)榈竭@個(gè)時(shí)候，一九三幾年的時(shí)候，就覺(jué)得這個(gè)是最重要的科學(xué)，世界上很多的科學(xué)機(jī)構(gòu)都是用這個(gè)模型。

回頭再說(shuō)到那個(gè)氯原子原子量35.45的問(wèn)題。有人知道有質(zhì)子中子，中子多一點(diǎn)，就可以解釋原子量是平均原子量的問(wèn)題，就好解釋了。那么這個(gè)概念呢，叫同位素。請(qǐng)大家記住，同位素竟然是1913年一個(gè)作家提出來(lái)的，所以說(shuō)作家敢亂想。

到1940年，我們似乎得到了關(guān)于原子的清晰圖像。在這個(gè)地方，我們可以證實(shí)一個(gè)古老定律：每一個(gè)解決的問(wèn)題，接下來(lái)就會(huì)給你分配新的任務(wù)。解決一個(gè)問(wèn)題就會(huì)帶來(lái)更多的問(wèn)題。

比方說(shuō)，原子核里面你說(shuō)的是質(zhì)子都帶正電湊一起、中子不帶電。我們學(xué)的電磁學(xué)，它們可是互相排斥的，強(qiáng)烈的排斥，他們?cè)趺礈惖揭黄鸬模?/p>

所以你又要解釋。結(jié)果呢？日本人湯川秀樹(shù)引出了介子模型。日本這位湯山秀樹(shù)也就成了日本戰(zhàn)后第一位諾貝爾物理獎(jiǎng)得主，解決了這個(gè)問(wèn)題。

10

反粒子、反物質(zhì)

關(guān)于正電荷的問(wèn)題。很早就有正電子的問(wèn)題，等狄拉克的相對(duì)論量子力學(xué)的方程出來(lái)以后，它的這個(gè)方程里面其實(shí)有兩個(gè)分量就能夠解釋電子行為，但是呢，這個(gè)方程波函數(shù)是4個(gè)分量，你怎么解釋它又是個(gè)問(wèn)題？

結(jié)果又是奧本海默和狄拉克，他們?cè)?930年，說(shuō)這個(gè)世界上也許還存在著反粒子。就說(shuō)，真的存在正電子，電荷相反帶正電、質(zhì)量和電子差不多。當(dāng)理論上說(shuō)有的時(shí)候，人家實(shí)驗(yàn)就立馬能觀察著了。1930年，人家立馬說(shuō)遠(yuǎn)處來(lái)一個(gè)不知道的光子，打在一個(gè)原子上，原子有徑跡，同時(shí)產(chǎn)生了兩個(gè)帶電荷的東西。在磁場(chǎng)下，一個(gè)向左彎，一個(gè)向右彎，半徑還差不多。說(shuō)明電荷相反，質(zhì)量相同。于是這被證明了什么？存在正電子，讓這位安德森得了諾貝爾獎(jiǎng)。

可是我們先前一直認(rèn)為什么是正電子呢？原先是質(zhì)子被當(dāng)做正電子的，可現(xiàn)在，真正的正電子被發(fā)現(xiàn)了，算反粒子。原子里面帶負(fù)電的電子有反粒子，那帶正電的質(zhì)子有沒(méi)有反粒子？你自然而然就提出這個(gè)問(wèn)題。結(jié)果在1955年，反質(zhì)子、反中子又在加速器上也都發(fā)現(xiàn)了。

你看這個(gè)事情又多了，所以有了反物質(zhì)。有了正電子，有了負(fù)質(zhì)子，人們很自然就想了什么？有沒(méi)有反物質(zhì)？

我們很多人誤以為這時(shí)候才有反物質(zhì)，不對(duì)，反物質(zhì)在很早以前就有了。我說(shuō)一句，就是說(shuō)神話(huà)、迷信、幻想、扯淡、謊言、正經(jīng)的騙局，都比真正做科學(xué)容易得多，而且呢，也比科學(xué)飛得更高、傳播得更廣。早在1880年就有人提出負(fù)引力物質(zhì)了，因?yàn)榇蠹蚁胂笫裁矗?我們?nèi)祟?lèi)羨慕什么？我們?nèi)祟?lèi)羨慕天上飛的鳥(niǎo)，對(duì)吧？而我們呢，往上跳一點(diǎn)點(diǎn)，就被引力拉回這地上，重重摔一跤。所以人類(lèi)很早就特別想當(dāng)一個(gè)鳥(niǎo)人，不是開(kāi)玩笑的。伊卡魯斯給自己加上翅膀，到萊特兄弟做出飛機(jī)，都是一直在做這個(gè)努力。

早在1898年就有人創(chuàng)造了反物質(zhì)這個(gè)概念，非常有趣，所以說(shuō)，這個(gè)反物質(zhì)是早就創(chuàng)造出來(lái)了的。

有沒(méi)有造出反物質(zhì)呢？反氫原子1995年終于做出來(lái)了，但是很奇怪，就是不好的消息是，反物質(zhì)只能存在很短的時(shí)間就迅速湮滅了。那么這又引出新的科學(xué)問(wèn)題，如果科學(xué)是對(duì)稱(chēng)的，就是電子和正電子是對(duì)稱(chēng)的，質(zhì)子和反質(zhì)子是對(duì)稱(chēng)的，那為什么有氫原子，但反氫原子一會(huì)兒就湮滅了，所以又提出一個(gè)新的問(wèn)題。

不管怎么著，原子分子向兩個(gè)方向去發(fā)展，一個(gè)是向分子、向大塊物質(zhì)發(fā)展，就會(huì)有我們的化學(xué)鍵理論、固體理論。

另一個(gè)方向，原子深入原子核，又進(jìn)入到基本粒子，有這一套反應(yīng)，最后呢，又出現(xiàn)了核聚變、核裂變、夸克模型等等。

好，關(guān)于原子，我們有那么多成就了，對(duì)原子的運(yùn)動(dòng)理論我們也建好了，我們也建立起基于原子的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，可是我們忽略了一個(gè)最重要的問(wèn)題。

有一天，玻爾茲曼，原子/分子運(yùn)動(dòng)論的這個(gè)奠基人，統(tǒng)計(jì)力學(xué)奠基人，被奧地利的另外一個(gè)科學(xué)大拿馬赫問(wèn)了一句要命的話(huà)：你見(jiàn)過(guò)一個(gè)原子嗎？我們扯了幾百年的原子物理，你見(jiàn)過(guò)一個(gè)原子嗎？這個(gè)讓玻爾茲曼很郁悶，在1906年玻爾茲曼就自殺了。

但是實(shí)際上過(guò)不了兩年，連原子核模型都有了。所以說(shuō)請(qǐng)大家記住，當(dāng)你做出偉大貢獻(xiàn)被別人刁難的時(shí)候，請(qǐng)爭(zhēng)取再多堅(jiān)持兩年。那么原子我們看著了沒(méi)有呢？借助于洪特提出的隧穿效應(yīng)，在1981年人類(lèi)終于發(fā)明了掃描隧道顯微鏡，看見(jiàn)了原子，終于看見(jiàn)了原子!

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結(jié)束語(yǔ)

我已經(jīng)提了很多這些科學(xué)的成就，到底這些人是怎么做出那么多偉大成就的？我個(gè)人覺(jué)得他們最偉大的地方就是他們做工作的時(shí)候，思無(wú)邪——沒(méi)想到那么多亂七八糟的，就是做科學(xué)。

因?yàn)榫拖裱趴吮日f(shuō)的：科學(xué)的唯一目的是人類(lèi)精神的榮耀。普朗克當(dāng)年學(xué)物理的時(shí)候，約利教授跟他說(shuō)，物理沒(méi)有什么好學(xué)的，你學(xué)物理干嘛？普朗克也是特別樸素的說(shuō)法：我沒(méi)想怎么著，我就想把物理都學(xué)會(huì)。

當(dāng)然了，怎么能學(xué)會(huì)呢？我個(gè)人覺(jué)得，要想學(xué)會(huì)，真的要去讀——如果幸運(yùn)跟真正的老師，那更好了——真正的這些大師的書(shū)。我覺(jué)得孫悟空同志之所以能成才，那還是因?yàn)橛隽似刑嶙鎺熯@樣的一個(gè)高人。我請(qǐng)大家注意，就是我們的社會(huì)一定要學(xué)會(huì)尊重老師，因?yàn)槟銈兗液⒆釉绞翘觳牛叫枰玫睦蠋煛?/p>

這個(gè)，是我的讀書(shū)筆記，養(yǎng)成做讀書(shū)筆記的習(xí)慣。

那么我想在今天這個(gè)高度發(fā)達(dá)的偉大的時(shí)代，是一個(gè)技術(shù)超越神話(huà)的時(shí)代，我們一定要讓孩子學(xué)會(huì)足夠多的數(shù)學(xué)和物理，這個(gè)與你個(gè)人的愛(ài)好沒(méi)有關(guān)系，只和這個(gè)時(shí)代有關(guān)系。為什么我們要學(xué)這些東西呢？麥克斯韋的一句話(huà)說(shuō)得好：因?yàn)槲覀兪悄欠N被賦予了去研究自然之本性越來(lái)越深的問(wèn)題的那樣一個(gè)族群。就是說(shuō)上天賦予了你這個(gè)能力，讓你去不斷深入地去糾問(wèn)自然問(wèn)題。那么既然你已經(jīng)有這個(gè)能力了，你就要學(xué)會(huì)這些東西。

所以說(shuō)，我覺(jué)得如果我們今天的報(bào)告，能夠讓更多的少年因此愿意多學(xué)會(huì)一點(diǎn)數(shù)學(xué)和多學(xué)會(huì)一點(diǎn)物理，那就非常有意義了。

因?yàn)槭裁茨兀课覀兺咛幷f(shuō)，剛才我們看到幾位航天員在這兒，我們國(guó)家的這個(gè)航天事業(yè)也做得那么好。那么，我們的國(guó)家，我們要保衛(wèi)它，我們要建設(shè)它，而且我們還要與它以榮耀。那么，你怎么做到這一點(diǎn)呢？那就要求我們的青少年，最好能夠用科學(xué)武裝到牙齒，成為一個(gè)用科學(xué)武裝到牙齒的建設(shè)者和保衛(wèi)者。為此，你就要學(xué)會(huì)很多深的東西，要不畏難。

我說(shuō)一個(gè)重要的東西，大家想象一下，今天的中國(guó)應(yīng)該說(shuō)還算蠻富裕的，可是如果我們不是有鄧稼先、彭桓武先生這樣一批懂原子物理、原子核物理的先輩，有錢(qián)學(xué)森、郭永懷先生等一批懂空氣動(dòng)力學(xué)的先輩，那么今天的中國(guó)，不管我們的人民怎么樣的辛勞，我們都不會(huì)有今天這般的繁榮景象。

真就是天佑中華。有一批遇到波恩、遇到馮卡門(mén)這樣的人，他們還回來(lái)了，為國(guó)家效力。終于在1964年的時(shí)候，在原子核物理方面有一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，大家可以看看，就是這一聲爆炸的成功，對(duì)當(dāng)時(shí)的中國(guó)有多么重要，當(dāng)時(shí)的中國(guó)人民有多么興奮。

而今天，已經(jīng)過(guò)了60年了，你再仔細(xì)看看，它對(duì)于我們的國(guó)家建設(shè)，對(duì)于保衛(wèi)我們的財(cái)富有多么重要啊。

好，那么我的中國(guó)愿景，我想我們未來(lái)的中國(guó)該是什么樣的？我覺(jué)得我可以這么說(shuō)：一個(gè)最優(yōu)秀、最勤勞的族群團(tuán)結(jié)在一起過(guò)最先進(jìn)、最美好的日子！可是你怎么能做到這一點(diǎn)呢？就要求我們一代一代后繼的少年們?cè)敢馊W(xué)習(xí)最艱深的知識(shí)，不能有畏難。就是說(shuō)我們的社會(huì)要不斷有這樣天才的少年，成長(zhǎng)成像錢(qián)學(xué)森先生這樣的偉大的建設(shè)者。

好，我的報(bào)告呢，今天就講到這兒了。必須要說(shuō)，特別感謝我的工作單位中國(guó)科研物理所，那么到目前為止七年的講座，一直也是由中國(guó)科學(xué)院早先的科學(xué)傳播局，現(xiàn)在的學(xué)部工作局，一直的指導(dǎo)，還有媒體的支持。

向現(xiàn)場(chǎng)還在堅(jiān)持的朋友們，以及屏幕前還在堅(jiān)持的親人們，朋友們，謝謝。新年快樂(lè)！

統(tǒng)稿：* 0、4925
校對(duì)：*0、4925、朗道都說(shuō)妙、紫竹小筑、二分、辣條
編輯：* 0、4925、辣條

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中科院物理所”。

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