布洛赫与伽莫夫｜量子群英传

撰文 | 张天蓉

责编 | 宁茜 

近几年“量子”这个名词突然在中国民众中热门起来，同时也造成了不少误解。人们只顾宣传量子现象之神奇，玻爱争论之长久，使得有些民众心里想：连爱因斯坦都认为不完备的理论还会有用吗？加上媒体对量子通信、量子计算机等不实的报道、宣传及争论，更使人云里雾里：以为这些尚未研究成型的玄乎技术，就是量子力学的应用。

量子力学的实际应用，一直伴随着其理论的发展，量子力学已经出现了100多年，它的应用也早在上世纪20、30年代就开始了，并非这些年才有的新鲜玩意儿，已经不是尖端的技术了。那么，量子力学有没有非它不可的应用，也就是说，是否存在没有量子力学就不可能实现的技术？

答案是肯定的，并且这种应用还很多。举两个简单的例子：核磁共振和激光。它们的应用范围很广，不用多列举大家就能想出一大堆。核磁共振在医学诊断上不可或缺，激光更可以说是无处不在。就这两项应用的原理而言，核磁共振技术上的实现是基于“自旋”的概念，而激光的实现是基于“全同粒子”，玻色-爱因斯坦量子统计等性质。这些都是量子力学中的名词，没有量子力学，不可能有这两样基本发明以及之后发展出来的相关技术。

另一个更大更复杂的领域是半导体技术。最早发现半导体材料其特殊性质的人是法拉第（Michael Faraday，1791-1867），那时候还没有量子力学。但是如果没有量子力学理论的指导，半导体技术不可能发展成现在这样越做越小的量产工程。

半导体材料是一种晶体，也就是说其中的原子呈某种周期排列。早在19世纪，法国物理学家奥古斯特·布拉菲（Auguste Bravais，1811-1863）已经于1845年得出了三维晶体原子排列的7大晶系和所有14种可能存在的点阵结构，为固体物理学做出了奠基性的贡献。

1915年诺贝尔物理学奖授予英国的亨利·布拉格（Sir William Henry Bragg，1862-1942）和他的儿子劳伦斯•布拉格（Sir William Lawrence Bragg，1890-1971），以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。

晶体内部的结构如何？那时候，科学家们刚刚发现了可以穿透人体，显示出骨骼之类轮廓的“X-ray”（或称之为“伦琴射线”）但当时的物理学家对其本质却还摸不透。专家们需要用原子尺度的光栅来探索射线的本质，这也同时探索了晶体结构。

最早做这件事情的是德国物理学家马克思·冯·劳厄（Max von Laue，1879-1960），他因此获得了1914年的诺贝尔物理学奖。后来，便是布拉格父子兵在这个领域里共同上阵。1915年，布拉格父子分享了原来传说要颁给特斯拉的诺贝尔物理学奖。这是唯一一次父子一同登上诺贝尔领奖台，成为了一段佳话。并且，小布拉格当时只有25岁，是迄今为止最年轻的诺贝尔物理学奖得主。

布拉格父子所做的诺奖级贡献，看起来不难理解。如果说劳厄的工作证实了X射线是一种电磁波，布拉格父子则是用这种电磁波开创了X射线晶体结构分析学，这为后人用X射线（以及电子波、中子波等）研究晶体结构，建立了理论基础。图15-2是布拉格反射定律的示意图，由图可见，对某个入射角θ，如果从两个距离为d的平行晶面反射的两束波之间的光程差，正好等于波长λ的整数倍时，便符合两束波互相干涉而加强的条件：2d sinθ=nλ；另外一些角度，则可能符合两束波互相干涉而相消的条件。这样，我们就能在接受屏上观察到衍射图像。

图15-2：布拉格定律

小布拉格曾经出席了两次索尔维会议。除了布拉格之外，还有一位两次在索尔维会议上露过面的物理学家——莱昂·布里渊（Léon Brillouin，1889-1969），他最重要的贡献是在晶体倒格子空间中表示的“布里渊区”。然而，真正将量子力学概念用于晶体研究中去求解晶体中薛定谔方程的，是获得了1952年诺贝尔物理学奖的美籍瑞士裔物理学家费利克斯·布洛赫（Felix Bloch，1905-1983）。

布洛赫出生在瑞士苏黎世。他最初想成为一名工程师，因此进入了苏黎世的联邦理工学院。他在那儿选修了德拜、外尔和薛定谔等开设的课程，将兴趣转向了理论物理。薛定谔于1927年秋离开苏黎世后，布洛赫在莱比锡大学拜海森堡（Werner Karl Heisenberg，1901-1976）为师，并于1928年夏天获得了博士学位，其研究方向是研究晶体中电子的量子力学并开发晶体动力学。之后他获得了各种助学金和研究金，使他有机会与泡利、克拉默斯、玻尔、费米等一起工作，并进一步研究了固态以及带电粒子的运动。

希特勒上台后，布洛赫于1933年春离开德国。他接受了斯坦福大学提供的职位，之后基本一直在美国生活。1928年，当爱因斯坦、玻尔等人，正在为如何诠释量子力学而争论不休的时候，作为海森堡学生的布洛赫却另辟蹊径，独自遨游在固体的晶格中。他求解了晶格中电子运动的薛定谔方程，并以其为基础建立了电子的能带理论。

电子在晶格中的运动本是一个非常复杂的多体问题，但布洛赫作了一些近似和简化后，得出的结论直观而简明。他研究了最简单的一维晶格的情形，然后再推广到了三维。

布洛赫首先解出真空中自由电子（势场为0）的波函数及能量本征值。然后，他将影响电子运动的晶格的周期势场当作一个微扰，如此得到晶格中电子运动薛定谔方程的近似解。根据布洛赫的结论：晶格中电子的波函数，只不过是真空中自由电子的波函数，其振幅部分被晶格的周期势调制后的结果（见图15-3）。

这个晶格中电子的波函数被称为布洛赫波。以布洛赫波描述的布洛赫电子之运动而建立的能带理论，是后来半导体工业及集成电路发展的基础。

图15-3：晶格中的布洛赫波示意图

1927年，德国物理学家弗里德里希·洪德（Friedrich Hund，1896-1997）首次发现电子波包能反复穿过势阱而形成振荡。紧接着，美籍俄裔物理学家伽莫夫（George Gamow，1904-1968）1928年提出用量子隧穿效应（Quantum tunnelling effect）来解释原子核的α衰变问题。

伽莫夫生于乌克兰，师从著名宇宙学家弗里德曼（Александр Александрович Фридман ，1888- 1925），他在前苏联接受教育直到获得博士学位。1928年到哥廷根大学与玻恩一起工作，并在那儿琢磨原子核的衰变问题。

卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）最早发现：α衰变时，从较大的原子核里面逃跑出来的α粒子是氦核。但他无法解释衰变发生的原因。伽莫夫读了卢瑟福的论文后，认为这是一种“隧道效应”。在经典力学中不可能发生，但在量子力学中就有可能。因为在量子力学中，α粒子可以以一定的概率出现于空间中的任何点，包括原子核外面的点。

有人用“穿墙术”来比喻隧道效应。这个“墙”就是α粒子要逃出原子核时需要克服的巨大吸引力形成的势垒。

势垒就像挡在愚公家门口的大山，功力不够就无法逾越。好比我们骑自行车到达了一个斜坡，如果坡度小，自行车具有的动能大于与坡度相对应的势能，不用再踩踏板就能“呼哧”一下过去了。但是，如果斜坡很高的话，当自行车的动能小于坡度的势能时，车行驶到半途就会停住，不可能越过去。也就是说，在经典力学中，不可能发生“穿墙术”这种怪事，粒子不可能越过比它能量更高的势垒。

但根据量子理论，微小世界里的α粒子，没有固定的位置，是模糊的一团遵循波动理论的“波包”。波包的波函数弥漫于整个空间，粒子以一定的概率（波函数平方）出现在空间每个点，包括势垒障壁以外的点。换言之，粒子穿过势垒的概率可以从薛定谔方程中解出来。也就是说，即使粒子能量小于势垒阈值的能量，一部分粒子可能被势垒反弹回去，但仍然将有一部分粒子能够以一定的概率穿越过去，就好像在势垒底部存在一条隧道一样，见图15-4。

伽莫夫对科学有多方面的贡献，好几项都可以说达到了诺贝尔奖级别，但遗憾的是他没有得到诺贝尔奖。

列举几项伽莫夫除了隧穿效应之外的贡献：

1，在原子核物理中始创原子核内部结构的液滴模型（1928年）。这个模型后来由玻尔和惠勒推广，解释原子核的裂变，成为研发原子弹的基础理论。

2，到剑桥卢瑟福实验室访学时，与考克饶夫（Sir John Cockcroft，1897-1967）和沃尔顿（Ernest Thomas Sinton Walton，1903-1995）合作。根据他的计算，那两人设计出加速器，第一次用人工加速的质子分裂原子核，打开了锂原子核。他们后来获得1951年诺贝尔物理学奖，在获奖感言中感谢了伽莫夫所起的关键作用。

3，与爱德华·泰勒（Edward Teller，1908-2003）共同描述自旋诱发的原子核β衰变（1936年）。

4，在恒星反应速率和元素形成方面引入“伽莫夫”因子（1938年）；建立红巨星、超新星和中子星模型（1939年）。

5，伽莫夫1948年发展宇宙的“大爆炸理论”模型。

6，首先提出遗传密码有可能如何转录（1954年）。

7，一系列科普著作——《物理世界奇遇记》《从一到无穷大》。

苏维埃政府因为伽莫夫在国外的成就将他召回国，并破格授予年仅28 岁的伽莫夫苏联科学院院士称号。但伽莫夫回到祖国的日子并不好过：护照被吊销，申请出国参加学术活动屡屡被拒，讲授量子力学时被党领导叫停，警告不能言及“测不准原理”这种不符合辩证唯物主义的谬论……

1933年，伽莫夫与妻子在苏联开始肃反大清洗之前，借参加第七届索尔维会议离开苏联，之后没有再回去过。

 往期量子群英传：

赠书福利

    时值五一假期，我们将会选取三位幸运读者，获赠这本由中信出版集团出版，[英] 吉姆·巴戈特（Jim Baggott）所著，徐彬、于秀秀翻译的《量子通史：量子物理史上的40个重大时刻》一书。无论量子小白，还是专业人士，都能读有所获，实现认知拓展、思维跃升

    想要一读此书的读者，赶快在文末留言吧！获奖名单将会在下期专栏公示。