“紫外灾难”引爆“量子革命”
灼热的物体会发热、发光。发热也好、发光也好，都是在发射电磁辐射，热辐射中包含
很多红外辐射，即比红色光波长更长的辐射。红外取暖器就是利用这样的辐射。可见光
，红橙黄绿青蓝紫，红色波长最长，频率最低，紫光波长最短，频率最高，比紫光波长
再短的光，就是紫外光，再短就到X光，γ光。
那么灼热物体发热、发光所发出的能量大小与辐射的波长有什么关系呢？例如，发出的
红外、红光、紫外，哪一种能量更高一点？这是上一世纪将结束时，科学家最关心的问
题之一。当时有两位科学家，按经典理论导出的公式很好地解释了长波辐射与能量的关
系，但到了短波部分却出现了“紫外灾难”，即波长越短，频率越高，能量越大。在这
里，辐射能量都被紫外光分走了，这显然与实验事实不符。经典物理出现了灾难性的后
果，令人赞美不绝的、甚至被某些人认为已完美无缺的经典物理大厦的上空出现了令人
不安的乌云。
1900年10月19日，普朗克凭借他丰富的经验凑出的一个公式，与最好的实验结果相比，
符合得几乎天衣无缝。普朗克在喜出望外之时，下决心寻找此公式的理论根据。经过两
个月的日夜奋斗，终于在12月14日从理论上推导出了这一公式，先决条件是假定灼热物
体吸收或发射辐射的能量必须是不连续的，即能量E＝nh，其中n必须是整数，即n＝1，
2，3，是辐射的频率，h是常数，后被称为普朗克常数。它是能量最小化的量度，即分立
性的量度。能量大小只能是一个h、两个h，而不能是半个或一个半h。量子概念由此诞生
。但是它与经典物理连续、平滑的概念相冲突，很难为人们所接受，连普朗克自己都不
相信。他只好说，去商店内买黄油，只能一块一块买，但回来后可任由你切割。量子的
概念的深刻含义及其给20世纪科技带来的革命风暴，那时尚无人理解与预料。
过了5年，爱因斯坦登场。在1905年，爱因斯坦不仅发表了相对论，而且用量子论解释了
1887年赫兹就已观察到的、经典物理无法理解的光电效应。在观念上，爱因斯坦比普朗
克进了一步：不仅认为物体吸收、发射辐射时，能量是一份份的，而且，辐射本身是量
子化的。黄油不仅是一块一块包装，而且，从本质上是切不开的。爱因斯坦依据光的量
子说解释了光电效应，获1921年诺贝尔物理奖。
再过了8年，即1913年，丹麦物理学家尼尔斯玻尔一连发表三篇文章，把量子观念引入原
子。正像英国喜剧作家吉尔伯特（W.S.Gilbert，1836－1911）的喜剧《爱奥兰茜》中的
大法官，在“仙女嫁凡人者死”中加了一个“不”：“仙女不嫁凡人者死”，摆脱了仙
女王的困难一样，尼尔斯玻尔在经典物理支柱之一的麦克斯韦经典电磁理论（“绕一个
原子核旋转的各个电子会辐射其能量并沿螺旋线缩进原子核”，因此，原子无法稳定存
在）中也加了一个“不”字。玻尔大胆提出的“电子不会辐射”，解脱了他的导师卢瑟
福的模型（原子中电子绕中心核运动）的困难，从而使原子能稳定存在。玻尔把当时人
们持极大怀疑的普朗克、爱因斯坦的量子化，当时无人承认的卢瑟福的模型，与表面上
毫不相干的、当时属于化学范畴的光谱实验巧妙地结合了起来，解释了近30年之谜——
—巴尔末氢光谱公式，即氢光谱不是连续谱，而是分立谱，正好与量子化相对应。玻尔
理论不仅得到了光谱实验室的支持，而且还为与光谱完全独立的夫兰克—赫兹实验所证
明，即实验中电子与原子相碰撞，电子的能量只能一份一份地被吸收，半份能量被原子
所拒收。从此玻尔理论使量子概念有了可靠的实验依据。玻尔获得了1922年诺贝尔物理
奖。
为庆祝玻尔的成就，在玻尔获奖一年后，世界物理中心之一的德国哥庭根举行了玻尔节
，请玻尔发表演讲。在听众中有一位年仅20岁的大二学生，维尔纳·海森堡，他随导师
索末菲来到演讲厅。一方面，他体验到了大师的演讲“每个字句都经过推敲，而且背后
隐藏着深邃的思索”，另一方面，他真是初生牛犊不怕虎，面对物理大师，居然敢于提
问，而且是极具挑战性的问题。玻尔立刻感到问题击中要害，而且还包含一种不寻常的
概念。会后他邀请海森堡外出散步，作了颇为深入的讨论。后来，海森堡不止一次地说
，这是他一生中最为重要的散步，决定他命运的散步。“我的科学生涯从这次散步开始
”。不久，玻尔邀请海森堡去哥本哈根工作一段时间，并让他住在哥本哈根大学理论物
理研究所（1965年改名为玻尔研究所）的n阁楼上，而玻尔一家当时也住在旁边的一座小
楼内。玻尔不仅在研究所内经常与海森堡等一批年轻人讨论，而且还与海森堡在他可爱
的祖国———丹麦，作了三天徒步旅行。海森堡学到了物理学，他理解了玻尔的爱国主
义精神，玻尔的精神气质。从此，诞生了海森堡的名言：科学扎根于讨论。在海森堡与
玻尔相遇10年后，他因“创建量子力学”而一人获1932年诺贝尔物理奖。普朗克、爱因
斯坦、玻尔的量子论，经过海森堡、泡利、薛定谔、狄拉克、玻恩等一批人的努力，终
于发展成一门比较成熟的学科：量子力学。
尽管人们对量子力学的涵义还有争论，但是量子学说的革命性概念处处取得成功，量子
力学在实际中得到了巨大应用，战无不胜。半导体、激光、超导无一不与量子论有关，
现在甚至有人在谈论“量子计算机时代”快要到来。1988年的诺贝尔物理奖得主李特曼
估计，当今世界国民经济总值中25％来自与量子现象有关的技术。
敢于向世界说“不”
百年前发生的量子革命是激动人心的。那一段时期发生的故事可以说是百听不厌。它们
给我们的启示则是既深刻又发人深省。
普朗克之所以能解决“紫外灾难”，是靠了深厚而又广博的基础。他通晓物理学每个领
域的基本知识。但他在当时毕竟已属老年辈了（42岁），新的量子概念与他熟知的经典
物理是如此格格不入，致使他难以接受。普朗克在以后的十几年内总是想把量子概念纳
入经典轨道，甚至对爱因斯坦的光量子说，他也批评为“迷失了方向”。
爱因斯坦（1905年时26岁）、玻尔（1913年时28岁），正处于风华正茂的年代。他们举
起了创新旗帜，带领海森堡等一批年轻人向旧世界宣战。他们都是敢于向旧世界说“不
”的人。不管普朗克愿意不愿意，他被实验事实逼上梁山，“孤注一掷”地提出，能量
是不连续的；爱因斯坦深化了这一个“不”字，而且在相对论里又说了一个“不”：光
速是不变的；玻尔则说，在微观世界里，绕核运动的电子是不辐射的；海森堡更提出了
量子力学中最关键的一个关系式即“不确定关系式”，以一个“不”字与基于完全确定
论的经典物理彻底决裂。不过，所有这些“不”都不是无中生有，而是有着坚强的实验
事实依据。“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验，有时一条腿走在前面，有时另
一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升为
理论，然后再在实践中加以检验。”（密立根，1923年获得诺贝尔物理奖时的演说）正
是靠了黑体辐射实验、光电效应实验、原子光谱实验、夫兰克—赫兹实验，一连串的“
不”字才能响彻云霄。
“不”字是一个否定词。但是百年前开始的物理革命风暴并非否定一切。牛顿力学、麦
克斯韦电磁理论，作为十九世纪的伟大科学成果，仍然是当今科技世界的理论支柱，卫
星上天、宇宙飞行、电气世界，都以它们为基础。只是当人们的探索范围深入到微观世
界时，主宰分子、原子、粒子运动规律的是量子力学，描述高速（接近于光速）运动物
体规律的是相对论。李政道、杨振宁提出“宇称不守恒”，只是指发生在弱相互作用范
围的宇称不再守恒。创新是在已有基础上的创新，有旧才有新。
要创新，必须有适合新事物成长的肥沃土壤。玻尔的贡献不仅在物理学，还在于他创造
了一个和谐的、有利于创新的环境。在他成名以后，英、美、德的邀请源源而来，但是
他立志在不到500万人口的祖国大地上创建世界物理中心。丹麦原先连物理学教授都没有
，在1916年才为玻尔专设了一个物理学教授的位置。1921年，在玻尔的努力下，哥本哈
根大学理论物理研究所成立，它很快就成了世界的三大理论物理中心之一。在研究所里
，既有22岁当讲师、27岁当教授、31岁获得诺贝尔奖的海森堡和作为“上帝的鞭子”、
不断指出他人论文中缺陷的泡利（1945年获诺贝尔奖），又有开玩笑不讲分寸的朗道（
1962年获诺贝尔奖），以及“几乎把画漫画、写打油诗作为主要职业，而把物理变成副
业”的伽莫夫（放射性衰变理论创造者之一）。
哥本哈根的气氛使人感到繁忙、激动、活泼、欢乐、无拘无束、和蔼可亲。哥本哈根精
神随着量子力学的诞生而诞生，并成了物理学界最宝贵的精神财富。
谁来点燃创新的“火种”
21世纪的钟声已经敲响。当我们回首时，经典物理大厦已经屹立了整整一百多年，现在
依然宏伟壮观。随着经典大厦顶上乌云的消失，更为金碧辉煌的、至今仍相当神秘的量
子大厦已经建成。那么，有没有第三座大厦？它又会是怎么样的大厦？为对此有所回答
，让我们先看看已在量子大厦上空出现的乌云。
人们对物质结构的认识，从分子、原子深入到原子核，再到中子、质子，进一步又深入
到夸克。随着1995年找到了最后一个夸克———顶夸克存在的依据，2000年找到了最后
一个轻子（与陶子相联的中微子），构成了物质的基本框架，六个夸克和六个轻子，总
算在21世纪来临前夕团圆相聚。可是谁也没有直接看到孤立的夸克，它们总是成对、成
堆地存在，永不分离。这是为什么？
物理学中的对称原理，正受到一个又一个挑战，理论越来越对称，实验越来越多发现不
对称。不对称倒成了普遍规律。这又是为什么？
20世纪初人们不理解光芒万丈普照大地的太阳何以会光耀夺目？其能量从何而来？感谢
相对论、感谢量子论，使我们对太阳能的来源了解得一清二楚。但是，今天我们已经知
道，在那遥远的地方还有比太阳的能量大千万亿倍的星球（所谓类星体），它一直在发
光，这样巨大的能量从哪里来？是哪种能量在发威？看来，用现有的知识已无法回答这
些世纪难题。量子大厦的高空已升起了朵朵乌云。
20世纪的三大科学发现：（相对论、量子论、DNA双螺旋结构）导致了人类三大科技工程
：曼哈顿工程（核武器，以及接着而来的核动力、核技术的广泛应用）、阿波罗工程（
登月、航天与空间研究开发）和人类基因组工程。现在我们面临的是与新世纪、新经济
密切相关的三大科技前沿：信息科学、生命科学、材料科学以及引导我们不断去探索的
自然奥秘———一朵又一朵的乌云。
中华民族是有5000年文明史的优秀民族，但由于种种原因，在过去一百年中，我们在科
技竞争中落后了。面临新世纪，我们需要的是“创新、创新、再创新”（江泽民，2000
年6月5日在院士大会上讲话）。怎么创新？江泽民主席在1998年6月1日接见院士时说过
“创新就要靠人才，特别要靠年轻的英才不断涌现出来”，他在讲话中举了20几位科学
家、发明家青年成才的例子。这里我们不妨把载入“百年量子”史册的部分人名综合一
下：1900年，普朗克42岁提出量子论；1905年，爱因斯坦26岁提出光量子说及狭义相对
论；1913年，玻尔28岁提出原子量子说；1925年，薛定谔、海森堡、泡利建立量子力学
时分别是37岁、24岁和25岁；1927年，狄拉克25岁完成相对论量子力学；1935年，汤川
秀树28岁建立核力基础理论；1947年，朝永振一郎36岁、施温格28岁、费曼29岁完成了
量子电动力学的理论基础；1956年，李政道30岁、杨振宁34岁发现宇称不守恒；1960年
，格拉肖29岁、温伯格34岁统一了电磁作用与弱作用。
可以说，每个名人后面都隐藏着一个激动人心的故事。分析他们的成才经历，不难发现
，创新的基础在教育。
（1）优质教育，首先必须有优质教师。他们不仅应具有崇高的道德品质、宽广的基础知
识，而且要懂得，“学生们的头脑不是一个被填充的容器，而是一个待被点燃的火种。
”他们的职责是如何把每一个火种点燃，以星星之火燎原大地。试想，海森堡如果没有
像索末菲那样的导师带领、没有像玻尔那样的伯乐去点燃他头脑中的火种，他能在1932
年获诺贝尔奖吗？
（2）要营造“勇于提问、勇于探索、勇于争论与相互讨论、相互学习、相互鼓励”的良
好学习环境。既要使基础教育“个体化”，因材施教，使每个学生都得到关爱（“以学
生为中心，是21世纪教育的主旋律”，联合国教科文组织，1998.10），又要使培养的学
生具有集体团队精神。追求卓越，创新思维，团队精神，有效沟通是新世纪对青年人的
要求。环境对人才辈出，十分重要。玻尔研究所创造的哥本哈根学派，形成的哥本哈根
精神，是科学界共有的财富。笔者有幸在30余年前就开始了与玻尔研究所的交往，亲身
体验了那里独特的气氛。不足百人的研究所，近70人来自世界各地。尼尔斯·玻尔在19
62年故世后，理论大师奥格玻尔与本莫特逊（1975年获诺贝尔物理奖）就成了公认的学
术领袖，除了聆听他们的演讲外，在实验室、办公室、餐厅，都有机会与大师们接触，
在几次交谈、讨论后，他们对你的水平、努力程度、业绩就一清二楚，你自己也就感到
一种无形的压力与动力，新的想法与努力方向也就映现在脑海中。
（3）坚持“宽基础、宽专业”（李岚清副总理，2000.8）。几年来教育部已把专业数从
500多个减为250个不到，并准备缩减到100个不到，以适应今天科技、教育发展的大趋势
。但是，“设置专业须报批，设置系、院可自主”的政策，使系、院数目有增无减。高
中生考入高校，往往被分入四十几个、五十几个不同的系、院，似乎系、院数目越多，
学校就越是一流。但是在狭窄的胡同里怎能培养出创新人才？像哈佛、耶鲁、芝加哥大
学这些世界一流大学，一年级大学生只进哈佛学院、耶鲁学院、芝加哥学院，只有一个
学院（至于医学院、商学院、法学院等，都是大学毕业以后考虑的去向）。于是，进中
国大学的学生被领进一个个窄胡同，进哈佛等名校的学生则进入了一个繁花似锦的大观
园，自由自在地去主修一些课程。过了四年，哪一类学生更有创造性呢？
“科技创新已越来越成为当今社会生产力的解放和发展的重要基础和标志。中华民族是
勤劳智慧的民族，也是富有创新精神的民族。”（江泽民，1998.6.1）如何点燃隐藏在
青年人头脑中的智慧火种，让它燎原中华大地，出现一批又一批富有“梦想、创造性思
维、发明”的年轻人，如何依据我国实际情况创新我国的教育，值得我们每个人像罗丹
的“沉思者”那样去深思。
（作者：杨福家）
中国科学院院士、复旦大学教授杨福家在迎接新世纪之时，撰写了《量子百年话创新》
一文。在这篇文章中，杨福家教授从100多年前科学家研究量子力学写起，写出了量子力
学这一伟大理论诞生的全过程。这是一篇既包含科普知识，又对当前科技创新、教育创
新不乏理性思考的好文章，值得一读。