侏羅紀早期極熱事件：生物滅絕與熱帶風暴肆虐原創：韓中近年來，有關全球變暖、大規模幹旱、森林大火、冰川消融、海平面上升、厄爾尼諾等極端氣候的報道和災難性新聞屢見不鮮。當我們在辦公室吹著空調享受涼爽夏日和溫暖冬季的時候可能以為這些不過只是危言聳聽，然而世界末日級別的環境和氣候巨變卻在悄然發生。近百年以來，闊步前進的工業革命步伐消耗了大量的化石燃料，使得CO2以地質歷史時期前所未有的速度排放。目前大氣CO2濃度相較于工業革命之前已經上升了130ppm，而過去80萬年冰期和間冰期之間，大氣CO2濃度波動幅度卻只有80ppm。自1880年以來，地球表面年平均溫度增加了1°C（±0.2°C），並將以每十年0.2°C的速率持續增長（圖1）。這些都是極短時間尺度事件（數年/十年），人類能直接感知、觀察和認識到的，然而在較長時間尺度上（數百/千年），有學者預測，隨著全球升溫的加劇，全球海洋溶解氧含量會持續降低，很可能形成一個缺氧的大洋；極端氣候的強度和頻率也會明顯增加，使得地球上的物種加速消亡，很可能成為地球上第六次生物大滅絕。這些預測都是真的嗎？相對于地質歷史，人類所記錄到的歷史極其短暫，僅依靠這種短期的觀察無法準確地認識全球急劇升溫在較長的時間尺度上對環境、氣候以及生物多樣性的影響，尤其是對人類生存和發展的影響。 圖1 全球溫室氣體濃度與年平均溫度距平圖（IPCC錛 2014）大氣二氧化碳(CO2，綠色)、甲烷(CH4，橙色)和氧化亞氮(N2O、紅色)等溫室氣體的濃度是從冰芯資料(點)和直接大氣測量(線)中確定的；全球陸地和海洋表面的年平均溫度線的不同顏色表示不同的數據來源圖2 地質歷史時期溫室和冰室交替的氣候狀態，以及中生代以來的典型快速增溫事件和全球大洋缺氧事件，修改自Trabucho-Alexandre et al. (2012)P-T: 二疊紀-三疊紀界線事件、T-J：三疊紀-侏羅紀界線事件、TOAE：早侏羅世Toarcian期大洋缺氧事件、OAE 1a：白堊紀Aptian早期大洋缺氧事件、 OAE 2: Cenomanian末期大洋缺氧事件、PETM: Paleocene-Eocene極熱事件、在漫長的地質歷史長河中，地球一直在溫室與冰室氣候的交替中度過，雖然人類起源于冰室氣候條件下，即高緯度大陸地區以存在冰蓋為特征，但是地球大部分時間卻處于溫暖的溫室氣候狀態（圖2）。陸地霸主恐龍橫行的侏羅紀和白堊紀是離我們最近且長期處于溫室氣候狀態的時期，大氣CO2濃度和溫度遠遠超過現今，發生過多次千年尺度的快速增溫事件，與今天全球變暖具有非常好的可對比性。“將今論古”是地質學的方法論，而“以古鑑今”則是預測未來的鑰匙。解析這些快速增溫事件期間的環境氣候變化及其與生物演化之間的相互關系可以在一定程度上回答當前所爭論的溫室氣體排放所產生的氣候、生物效應問題，同時為未來全球變化提供預測。早侏羅世Toarcian早期（~183Ma），大量輕碳注入大氣-海洋系統中，造成一次快速的增溫事件，北半球中緯度的海水表層溫度升高7-10℃，並伴隨全球海洋缺氧，

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稱為Toarcian大洋缺氧事件。下面讓我們一起穿越到那個神奇的侏羅紀時期，

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去探索這次快速的全球變暖帶來了怎樣的氣候和環境變化，會給人類面對未來全球升溫怎樣的啟示。雖然現今的青藏高原群山巍峨、綿延聳立，被稱為世界第三極、世界屋脊和亞洲水塔等，但是在侏羅紀時期，位于青藏高原卻是一片汪洋大海，為廣闊的特提斯洋的一部分。在這片汪洋大海中，沉積了連續完整的地層序列，形成了記錄地球歷史的書頁和文字。Toarcian大洋缺氧事件時期，地球的喜怒哀樂亦被記錄在案（圖3）。圖3 早侏羅世Toarcian期古地理圖紅星代表研究剖面；黃色圓圈代表TOAE期間風暴岩大量沉積的地區，紅色圓圈代表大火成岩省；來自Krencker et al. (2015)和Izumi et al. (2018)；大火成岩省K-Karoo，F-Ferrar，C.A.-Chon Aike，來自Bryan and Ernst (2008）。1-Dutch Graben錛 荷蘭；2-Yorkshire錛 英國；3-Dotternhausen錛 德國；4-Sancerre core錛 Paris Basin錛法國；5-ANDRA HTM-102 Borehole錛 法國；6-Lafarge quarry錛 法國；7-Causses Basin錛 法國；8-Lusitanian basin錛 葡萄牙；9-Dades Valley錛 摩洛哥；10- Sakuraguchi-dani，日本。位于青藏高原特提斯喜馬拉雅地區在早Toarcian時期位于南半球亞熱帶地區，發育了類似于現今大堡礁的碳酸鹽台地沉積。沉積地層中發育一種特殊的雙殼（Lithiotis錛圖4），是當時礁生物群的重要組成。在Pliensbachian晚期-Toarcian早期（~186-183 Ma），這種特殊的雙殼繁盛于特提斯洋和泛大洋熱帶/亞熱帶地區淺水碳酸鹽台地，與珊瑚、有孔蟲、腕足、腹足等其它底棲生物一起，其樂融融地生活在這片世外桃源中（圖5）。圖4 早侏羅世Pliensbachian-Toarcian期Lithiotis雙殼，是淺海碳酸鹽台地的主要造礁生物。左側是來自西藏臥龍剖面的化石；右側是典型Lithiotis化石的正視圖和側視圖（Posenato and Masetti錛 2012）圖5 早侏羅世碳酸鹽台地沉積模式圖淺水台地內部發育豐富Lithiotis雙殼、底棲生物組合和碳酸鹽顆粒，修改自Brame et al.（2019）然而，好景不長，一場猛烈的突發性災難降臨了，Toarcian早期（~183Ma）地球快速升溫導致這群生物的生存環境急劇惡化而發生滅絕。在特提斯喜馬拉雅地區，在Toarcian早期，碳酸鹽岩微相（沉積學和古生物學的特征總和）結果顯示富含底棲生物的顆粒灰岩突變為無生物化石的微晶灰岩（圖6），沉積古水深突然增加，沉積環境由淺水碳酸鹽鑲邊台地（0-10m）突變為較深水的碳酸鹽緩坡（40-70m）。這種改變使得淺海生態系統崩潰，淺水碳酸鹽台地的Lithiotis雙殼及其共生的珊瑚、有孔蟲、腹足等發生絕滅，碳酸鹽台地的生產速率下降，相對海平面上升速率超過碳酸鹽堆積速率，碳酸鹽台地沒入富產碳酸鹽的透光帶（水深10米）以下，進一步降低台地的碳酸鹽生產速率，從而碳酸鹽台地發生淹沒（圖6）。同時，有機碳同位素發生劇烈負偏移（2.5□），

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與此次環境變化完全吻合。在雙殼Lithiotis確定大致層位的基礎上，我們結合沉積學和碳同位素地層學兩方面的證據釐定了Toarcian大洋缺氧事件在特提斯喜馬拉雅的準確層位，首次在南半球熱帶/亞熱帶開放碳酸鹽台地環境下追蹤到Toarcian期大洋缺氧事件的記錄。圖6 西藏特提斯喜馬拉雅Toarcian期大洋缺氧事件記錄，修改自Han et al. (2018)注：部分西藏年多剖面有機質碳同位素發生負偏移，對應于輕碳釋放；碳酸鹽台地在相變處淹沒，由富含生物的顆粒灰岩突變為微晶灰岩；黃色代表風暴沉積出現的層位。在Toarcian大洋缺氧事件期間，沉積物中發育豐富的沉積構造，如丘/窪狀交錯層理、渠模、生物介殼滯留層、平行層理、侵蝕面和粒序層理等構造（圖7），為典型的風暴沉積構造。相比于事件前後的沉積，這些風暴沉積構造的發生頻率明顯增多，

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指示事件發生期間風暴的頻率急劇增加。結合西特提斯和泛大洋已有的證據（圖3）表明，北半球與南半球低緯度地區類似，TOAE事件期間風暴沉積出現的頻率明顯增加。特提斯喜馬拉雅帶位于赤道熱帶/亞熱帶地區，而熱帶風暴形成的基本條件之一是需要有足夠廣闊的熱帶/亞熱帶海洋，且海洋表層的水溫要維持在26.5℃以上，這間接證明了Toarcian早期全球溫度快速增加。上述研究結果與現今全球變暖條件下實際觀察到的和模擬的結果相似，為認識全球快速增溫環境下熱帶風暴頻發提供了關鍵的地質證據。圖7 西藏特提斯喜馬拉雅野外（A、B）和顯微鏡下（C、D）典型風暴相關沉積構造，

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風暴沉積出現的層位見圖6A: 渠模，被粗顆粒沉積物充填；B: 小尺度丘/窪狀交錯層理；C: 凹凸狀侵蝕面；D: 正粒序層理讀到這裡，大家肯定不禁要問，地球為什麼在這個時候突然快速升溫呢？目前主要有兩種假說：（1）當時位于岡瓦納大陸南緣的Karoo-Ferrar大火成岩省（圖3，~200萬平方公裡，現今主要殘留在南非、澳大利亞東南部和南極洲）在超級大陸裂解的過程中劇烈噴發，該過程中釋放大量幔源CO2到海洋-大氣系統中，同時岩漿還侵入富含有機質的地層，又引起熱分解成因的CH4和CO2疊加釋放；（2）大陸架邊緣沉積物中甲烷水合物的分解。這兩種假說都認為海洋-大氣系統中CH4和CO2等溫室氣體濃度迅速升高是地球發燒的罪魁禍首，並引起一系列災難性的環境和氣候變化，包括全球快速增溫、熱帶風暴頻率明顯增加、海平面上升、大洋酸化、風化作用增強、營養物質輸入增加和大洋缺氧等，最終發生重大生物危機，淺海生態系統徹底崩潰。讀史明智，鑑往知來。變暖與變冷的交融是地球演化過程中的主旋律，不僅塑造了地球的歷史，同樣還塑造了人類的歷史。面對當今全球氣候變暖，人類和其他生物將何去何從，地球歷史上曾經發生的這些冰與火之歌將給我們提供啟示。本文僅代表作者本人的觀點和認識。欲知更多詳情，建議直接閱讀參考文獻。主要參考文獻[1]Han錛 Z.錛 Hu錛 X.錛 Kemp錛 D.B.錛 Li錛 J. 2018. Carbonate-platform response to the Toarcian Oceanic Anoxic Event in the southern hemisphere: Implications for climatic change and biotic platform demise. Earth Planet Sci Lett錛 489:59-71.[2]Brame錛 H.M.R.錛 Martindale錛 R.C.錛 Ettinger錛 N.P.錛 Debeljak錛 I.錛 Vasseur錛 R.錛 Lathuiliere錛 B.錛 Kabiri錛 L.錛 Bodin錛 S. 2019. Stratigraphic distribution and paleo-ecological significance of Early Jurassic (Pliensbachian-Toarcian) lithiotid-coral reefal deposits from the Central High Atlas of Morocco. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol錛 514: 813-837.[3]Izumi錛 K.錛 Kemp錛 D.B.錛 Itamiya錛 S.錛 Inui錛 M. 2018. Sedimentary evidence for enhanced hydrological cycling in response to rapid carbon release during the early Toarcian oceanic anoxic event. Earth Planet Sci Lett錛 481: 162-170.[4] Krencker錛 F.N.錛 Bodin錛 S.錛 Suan錛 G.錛 Heimh-ofer錛 U.錛 Kabiri錛 L.錛 Immenhauser錛 A. 2015. Toarcian extreme warmth led to tropical cyclone intensification. Earth Planet Sci Lett錛 425: 120-130.[5]Bryan錛 S.E.錛 Ernst錛 R.E.錛 2008. Revised definition of Large Igneous Provinces (LIPs). Earth-Sci. Rev.86錛 175C202.掃碼關注我們沉積之聲公眾號:c j z s 2 0 1 9 0 7原文鏈接：侏羅紀早期極熱事件：生物滅絕與熱帶風暴肆虐.pdf量子力學可以說是近代物理的基礎。量子物理有很多非常奇妙的地方，例如，在量子層面，科學家發現物質與波難以區分。我們知道光是一種“波”，但它在實驗中卻表現得很像一個粒子（光子）；相反的，一些組成物質的亞原子粒子（例如電子）在實驗中卻表現得像波一樣。因此，物質似乎同時具備了粒子和波的雙重性質。這種“波粒二重性”很難解釋。雖然量子理論已經創立了一百多年，直到今天它的物理基礎還是難以說清楚。20世紀一位非常著名的物理學家理查·費曼（Richard Feynman）就曾說過：“量子現象對每個人來說都是十分神秘的。即使是這方面的專家也無法用他們希望的方式來解釋其原理。不過錛‘無法解釋’其實也是合理的。因為所有人類的直接經驗和其直覺都只適用于大尺度上的物體。我們知道大尺度上的物體的運動規律，但微觀物體不會那樣運動。因此，我們不能依靠我們的直接經驗來了解它們。”（注1）作為一個學物理的人，我對量子力學一直很好奇。在我不同的學習階段，

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對于量子物理曾有過不同的認識。就像對許多哲學問題一樣，一個人會隨自己的成長而有不同的體會。經過多年的探索，

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我現在認為費曼的解釋是過于悲觀了。對于微觀世界的物理運動，人類應該還是可以了解的。我今天的看法是：許多物理學家不能解釋量子現象，是因為他們錯誤地認為一個亞原子粒子是一個“質點”，就像一個微型的鋼珠一樣。其實在微觀世界裡，“粒子”只是一個量子化的波包，它的能量不能任意分割。它的產生和湮滅都必須符合“0”或“1”的規律，就像現在很多數字化的信號一樣。只有在宏觀層面的觀察中，這些量子化的波包才會表現得很像一個“粒子”。（注2）.以下是我對這個問題探索歷程的回顧，也許可以一些給對量子物理有興趣的朋友作為參考。對我有影響的三位老師在我念中學時，就已經開始對量子物理著迷。當時利用暑假看過一些科普讀物，包括《相對論入門》和《量子力學入門》等。作為一個中學生，我覺得量子力學非常神奇。但那時因為還沒有足夠的物理和數學基礎，所以只能把這些量子現象當作有趣味的故事來看；純粹是抱著好奇心，很難給出一些具體的想法。對量子力學比較多接觸的是在我進入台灣大學物理系念書以後。我們三年級開始念近代物理，裡面介紹了很多建立原子理論所需要的實驗基礎。到了四年級有一門量子力學的課，專門介紹量子力學的計算公式和其相關理論。但是，坦白來說，當時是完全摸不著頭腦。那時候教我們的是一位德國老教授，講著一口濃重德國口音的英語。上課的時候就是寫黑板，而學生們就是抄黑板。我除了抄了很多筆記以外，對量子力學的了解幾乎沒有。我真正開始了解一些量子力學的問題是我後來到美國萊斯大學念研究生的時候。研究生第一年要修一門量子力學的課。當時萊斯大學物理系有一位資深的教授，威廉·豪斯頓（William V. Houston），他寫了一本教科書，叫《量子力學原理》（注3）。這是一本量子力學的經典教材，裡面把很多基本問題講得比較清楚；並使用了大量簡明的數學，使人能夠清楚地看到數學模型與實驗證據是能很巧妙地互相印證的。這時候我才知道為什麼要用量子力學來解釋原子的性質。在念了這門課以後，我才真正可以說對量子力學有些初步的入門。在讀博士時又修了一年的高等量子力學，我開始認真地思考一些量子物理的具體問題，但當時得不到答案。這些問題後來還一直困擾著我。于是我有空時就去想一想，很想找辦法去解決它。在這個求解的過程中，曾得到了一些老師的鼓勵。下面讓我簡單地介紹一下幾位對我研究量子物理有影響的老師。威廉·豪斯頓（William V. Houston）在量子力學發展的歷史中，德國有一位物理學家索末菲（A. Sommerfeld）做過巨大的貢獻，有好幾位大師級的人物， 包括海森堡（W. Heisenberg ）和泡利（Pauli）錛 都出自他的門下。我在萊斯大學的老師豪斯頓教授在年輕時就曾與索末菲一起工作過。豪斯頓在慕尼黑大學做過一段時間的研究，索末菲是他的導師。後來豪斯頓到了萊比錫（Leipzig）大學與海森堡一起工作。在那裡，他和海森堡的第一個研究生，布洛赫（Flex Bloch）也曾一起合作過。豪斯頓在慕尼黑大學的研究題目是關于電子在金屬中的運動。起初他們根據當時的理論，

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把電子當為一個粒子來進行計算，可是得出的結果很不滿意。後來，他們改變思路，把電子當為一種有物理性質的波，其在金屬中的運動也就相當于 一種波在晶格裡的運動，才得到符合實驗的結果。當時索末菲非常高興，很激動地說：“我們終于找出了電阻的物理基礎了”（注4）。豪斯頓的工作提供了一種新的思路，顯示電子在金屬裡表現得很像一種物理的波(physical wave)。豪斯頓教授在美國的近代物理領域也算是一個有名的人物。從德國回到美國後，他長期在加州理工學院工作，曾經當過美國物理學會的會長，後來被萊斯大學請去當校長。當我是萊斯大學的研究生時，他已經從校長的位置上退下來，留在物理系當教授。我當時讀量子力學使用的教材，就是他寫的書。作為一位資深的物理學者，豪斯頓很有風度。我記得聽學術報告時他經常坐在第一排，他會問很多問題，但是態度很謙虛，沒有作為老前輩自大的樣子，非常有學者風範。這給我相當深刻的印象。哈羅德·羅夏（Harold E. Rorschach錛 Jr）我在萊斯大學時主要是做實驗物理。我的導師是羅夏教授。我當時的研究題目是用自旋回波核磁共振（spin-echo NMR）來研究氦3原子在低溫超液體（super fluid）裡的運動性質。在萊斯大學有一個傳統，要求念實驗物理的學生，也要對如何解釋實驗現象有比較深的理論認識。因此我那時做兩個工作，一是建立一個專用的核磁共振儀器；另一個就是學一些在超液體（也稱“量子液體”quantum fluid）裡面的散射理論，

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來解釋我的實驗結果。在我的博士論文工作中，氦3被當作為一種粒子與超液體裡面的“聲子”（phonon）和“旋子”（roton）交互作用。上文提到，在豪斯頓和索末菲的工作裡，電子雖然是一種有質量的粒子，其在金屬中的運動可以作為一種波來看待。而相反的，在我的低溫物理研究中，“聲子”和“旋子”都是凝聚態物質不同的振蕩波；但是在計算的時候，這些振蕩波卻被當作一個一個的粒子。因此，在我的博士論文工作中，我得到一個深刻的印象：一些有質量的粒子可以表現得像一個“波”；而一些完全與粒子無關的振蕩波可以表現得像一個“粒子”。這清楚地表明，在量子物理裡面，“粒子”和“波”的概念是可以互相交換的。我的導師羅夏教授是一位很好的物理學家。他不但在實驗上給我指導，他在理論上也做了很多工作。在指導我的實驗以前，他在斯坦福大學和布洛赫（Flex Bloch）有很緊密的合作關系。布洛赫就是我前面提到在萊比錫與豪斯頓合作過的那個海森堡的首位研究生。布洛赫是發展核磁共振的先驅之一。事實上，他于1952年就是因為核磁共振的工作而獲得諾貝爾物理獎的。因此我的工作也涉及到布洛赫的理論。羅夏教授在麻省理工學院（MIT）獲得博士學位，是豪斯頓把他聘請到萊斯大學的。後來他既與豪斯頓合作，也是布洛赫的合作者。我非常幸運能夠有羅夏教授這樣的人當我的導師。他是一位非常開明的人。作為一名研究生，當我和他討論問題時，我完全可以放心表達自己的想法，而不必擔心老師贊不贊成。事實上，有好幾次我的看法和導師不一樣，我都據理力爭，羅夏教授從來都不會打壓我。這培養了我能夠勇敢地去思考問題。在工作進度方面，羅夏教授也給我很大的自由；雖然我拿的是他的獎學金，但是他也沒有逼著我急著出論文。我後來告訴羅夏教授我對生物物理很感興趣，他也很支持。他本人不做生物物理，所以我跟萊斯大學附近的貝勒醫學院的一位年輕的教授合作，用核磁共振來研究細胞裡水分子的結構。羅夏教授非常大方，就讓我把以前用來研究液氦的自旋回波核磁共振儀改裝來研究細胞內的水分子。我們發現水分子在細胞裡的活動性質和普通的水很不一樣的，這就提供了一個物理基礎來開發用在人體上的核磁共振造影技術（MRI）。這項工作在1972年發表在《自然》雜志（注5）。 約翰·惠勒（John Wheeler）當我在念研究生時，我對于物質為何有波粒二重性非常好奇。經過多年的探索，我得到一個答案，那就是：無論是有質量的粒子還是沒有質量的粒子（例如光子），其實都是真空介質的一種激發波。這並非是一種主流的看法。當我做助理教授時，一直還和羅夏教授教授合作。他對我的這種非主流想法相當支持。我曾把我的想法寫成一篇文章投到Physical Review。審稿人起先提出了一些具體的批評意見。我把這些意見充分回答了。可是該刊的編輯告訴我，說他咨詢了一位資深的編委後決定拒登，但不願給出具體的理由。作為一個年輕的物理學者，我當時是很需要一些鼓勵的。當時除了羅夏教授給我支持以外，有另外一位學者也給了我亟需的鼓勵，他就是約翰·惠勒教授（John Wheeler）。惠勒教授是量子物理裡很有影響力的一位學者。他曾經在哥本哈根大學師從尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）。後來長時間在普林斯頓大學工作，把量子理論應用在宇宙學方面。他不但工作出色，也培養了很多有名的學生（包括理查德·費曼）。他晚年時在德州大學（University of Texas at Austin）工作。有一次，萊斯大學請了惠勒教授來進行一個星期的訪問。當時我正在萊斯大學物理系當助理教授。在那一個星期裡我和惠勒教授有比較多的接觸，特別約他來討論在量子理論中粒子的性質是什麼。我把自己認為電子和光子都是真空介質的激發波的想法跟他交流。我認為這些粒子都可以從麥克斯韋的波方程導出來，其不同的解就是代表了不同的粒子。對于我這種非正統的想法，惠勒教授一點也不認為離經叛道，還非常鼓勵我繼續去想。當他回到德州大學後，我還跟他保持通信。我把我寫的文章寄給他，他給我相當鼓勵的回應。惠勒教授在物理界有很高的江湖地位，作為一名年輕物理學者，能得到一位成名的科學家對自己一些非正統的想法給予支持，對我是一種很大的激勵。哥本哈根學派在量子力學裡，有一個非常重要的學派，

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叫做“哥本哈根學派”。許多對量子理論做出開創性貢獻的科學家都屬于這個學派。上面講到的這三位老師，與哥本哈根學派也有很多淵源。上文提到豪斯頓以前在慕尼黑工作的時候被索末菲（A. Sommerfeld）指導過，他後來在萊比錫與海森堡（W. Heisenberg）一起工作。海森堡與尼爾斯·玻爾有很緊密的合作關系。海森堡曾有一段較長的時間到哥本哈根在尼爾斯·玻爾的研究所工作。而索末菲的工作與玻爾也很近，他把玻爾原先提出的原子理論中的quantum condition 擴大了成為Bohr-Sommerfeld relation。在萊比錫時，豪斯頓與海森堡的首位研究生布洛赫（Flex Bloch）進行了合作。後來當豪斯頓到了萊斯大學的時候，他聘請了羅夏教授。後來羅夏教授去了斯坦福大學與布洛赫一塊工作。因此，豪斯頓和羅夏教授都與哥本哈根學派有很大的淵源。至于上文提到的另外一位給我鼓勵的老師惠勒教授，他年輕時曾經在哥本哈根大學留學，玻爾便是他的導師。（關系見下圖）。 從師承來說，我與哥本哈根學派有些間接的淵源。不過，我現在對于波粒二重性的理解，與哥本哈根學派卻有很大的不同。在傳統的量子理論裡，人們對于量子方程裡面的波函數的解釋稱為“哥本哈根詮釋”（Copenhagen Interpretation）。這種主流的解釋主要由玻爾和海森堡等人提出來。他們假設粒子就是一個質點，量子波函數只是描述這個質點出現在某個時空位置的概率。現在幾乎所有量子物理的教科書裡都是這樣講的。不過，並非所有物理學家都同意哥本哈根學派這個對波函數的解釋。例如愛因斯坦對于這個解釋就非常不滿意。在1927年和1930年的兩次Solvay 會議時他都提出了很多質疑。愛因斯坦的一句名言就是“上帝不擲骰子”，表達的就是他對把波函數解釋為概率的不滿。一些其它的量子物理學家，包括薛定諤和德布羅意，對于哥本哈根學派的詮釋也是存疑的。因此，在20世紀的上半葉，物理學界對于波函數的意義是有一定爭議的。哥本哈根學派的解釋只能說是一種主流的解釋，而並不是所有量子力學創立者的一致看法。不過隨著量子力學教科書的普及，哥本哈根學派對于量子波函數的解釋逐漸變成了標準答案。今天幾乎所有的物理學家都採用了這種解釋。波粒二重性之謎：什麼是物質波？什麼是粒子？我在學習量子力學的時候，雖然大部分老師都是根據哥本哈根學派的詮釋來講課的，但我自己始終沒有完全接受該學派對于量子波函數的解釋。如果把電子當作一個質點，就很難解釋為何電子與光子一樣，在物理實驗上顯示著一種波的性質。事實上，人們到今天還不能確切地知道一個粒子是什麼。它是一個質點還是一個波包？在薛定諤的年代，許多物理學家把那些具有質量的粒子稱為“物質波”(matter wave)，他們認為物質也像光一樣，是一種波。薛定諤就是根據這種概念建立了他的量子波方程。根據這種想法，粒子並非一個質點。因此，對于如何解釋量子力學裡的波函數，要取決于人們怎麼樣看待一個粒子的物理性質。如果把電子看做一個質點，那麼波函數自然可以解釋為該質點出現的概率。如果把電子看作一種物質波的波包，那麼波函數就可能代表著該波包的振幅。所以，要決定哥本哈根學派的解釋是否正確，我們必須先了解一個粒子的物理性質是什麼：物質波究竟是代表一種概率還是一種具備物理性質的波？如果是後者，傳播這種波的介質是什麼？這種介質顯然要存在于“真空”之中。這就涉及一個更大的問題，就是真空的物理性質是什麼？19世紀的科學家認為真空充滿了一種稱為“以太”的介質。但在19世紀末的邁克耳孫－莫雷實驗（Michelson-Morley experiment）以後，大部分科學家改變了看法，認為以太並不存在。既然真空是空的，就很難把物質波當作一種物理的波，而只能把物質波解釋為粒子出現的幾率（也就是哥本哈根詮釋）。但是到了後來，物理學界開始建立量子場論，人們認為一個粒子是一個場的激發態。那麼這個“場”是什麼？這個“場”與真空有什麼關系？到底是“場”更基本，還是“粒子”更基本？這些問題到現在還沒有解決。有很多物理實驗，包括電子的散射實驗，顯示電子（和其它有靜止質量的粒子）都的確具有波的物理性質，與光子沒有兩樣。另外，我們對于粒子的來源仍然不清楚。如果一個粒子是一個質點，為何一種粒子會蛻變成另一種粒子？為何一種粒子會從真空裡產生或湮滅？如果把一個粒子當為一個質點，這些現象很難解釋。但是如果把一個粒子當為真空的一種激發波，以上的問題就很容易解釋了。整或零原理因此，我現在的研究興趣又回到了我念研究生的時候。當時我對于物質為何具備波粒二重性非常好奇，經過了大半生的探索以後，今天我總算有一個答案了。我現在的認識是：真空並非是空的，而是一種波的介質；在這種介質中可以有很多不同的激發態。這些不同的激發波就表現為不同的粒子。所謂“量子” 其實並不神奇，它只是一個不能分割的能量包。在量子世界裡，一個“粒子”並不需要是一個真實的“質點”，它只是一個量子化的“波包”；這個波包的產生和湮滅都必須符合一種“整或零”的原理，就像今天一些數字化（digital）的系統一樣。（注2）量子物理的未解之謎在今天，量子物理還有很多基本問題尚未得到解答。在過去一百年，量子物理的應用取得了驚人的成就。今天人類最尖端的科技發展，包括計算機、互聯網、通信設備、太空探測、醫療儀器等等都離不開量子物理的應用。可是，對于量子物理的一些基礎原理，科學家仍然不是很清楚。更糟糕的是，許多物理學家已經放棄了要搞懂量子物理的基礎是什麼。他們認為量子物理是如此的神奇，它的原理已經超越了人類的智慧；我們只能應用，但不能真正了解。我不同意這種想法。經過大半生的探索，我認為目前的困境是因為許多物理學家沒有分清楚古典力學和量子力學有不同的基本概念。在古典力學裡，真空被認為是一個空無一物的空間；物質是由一個一個的粒子組成。這些粒子是具有質量的點狀物體（質點）。但在量子力學的世界裡，真空並非是一個空無一物的空間，而是具有物理性質的介質（medium）。而不同的粒子，只是真空不同的激發波。一個物理學家如果想要用古典力學的概念來解釋量子力學，他當然是無法成功的。如果我們採用真空激發波的觀點來解釋量子現象，我們對于物質世界就會有一個全新的認識；可以用一種超越傳統的角度來回答一些關鍵的問題，例如，宇宙是什麼？我認為宇宙就是一個波的世界。我們看到的所有物質其實都是由不同的激發波組成。在量子力學發展的早期，有些物理學家已經認識到電子是一種物質波。例如，玻爾和索末菲在提出原子裡面電子軌道必須符合一種特殊的量子條件（quantum condition）時，他們已經間接推斷電子在原子裡面就是一種物理的波。後來索末菲和豪斯頓在研究電子在金屬裡的運動時，也清楚地認識到電子就是穿插在晶格裡的一種物理的波。經過一百年的發展，今天的量子力學理論當然比索末菲的年代遠為復雜得多，但是在基本概念方面，我恐怕今天的物理學家還沒有超越索末菲和玻爾的想法。事實上，今天的量子物理學還有很多基本的問題尚未搞清楚，有待未來的物理學家去努力。這些基本問題包括：粒子從何而來？為何粒子可以在真空中無中生有？ 真空的物理性質是什麼？如果我們認為粒子是真空的一種激發態，那麼我們是否可以從真空的運動性質中導出一些已知的量子力學方程（包括Klein-Gordon Equation錛 Dirac Equation 和Schrödinger Equation）？量子的概念只是表示宇宙中的質和能有一個最小的單位，符合了一種“整或零原理”。這個原理的物理基礎是什麼呢？在過去十幾年，我一直在探索上述的問題。也得出了一些初步的結果，有興趣的讀者可以參考我最近的論文（注6，7）。注1：《費曼物理學講義》第一卷，第37章 (Addison CWesley錛 1963)注2：Chang錛 D. C. “Physical interpretation of the Planck’s constant based on the Maxwell theory”. Chin. Phys. B錛 26錛 040301 (2017)注3：Houston錛 W. V.Principle of Quantum Mechanics (Dover錛 1959)注4：Rorschach錛 H. E. “The contribution of Felix Bloch and W. V. Houston to the electron theory of metals”. American Journal of Physics錛 38錛 897-904 (1970)注5：Chang錛 D.C.錛 Hazlewood錛 C.F.錛 Nichols錛 B.L.錛 and Rorschach錛 H.E. “Spin-echo studies on cellular water”.Nature 錛 235:170-171 (1972)注6：Chang錛 D.C. “On the Wave Nature of Matter”錛 arXiv: physics/0505010v2 (2017). Link:https://arxiv.org/abs/physics/0505010v2注7：Chang錛 D.C. “A New Interpretation on the Non-Newtonian Properties of Particle Mass”. Journal of Modern Physics 錛 9錛 215-240 (2018). https://doi.org/10.4236/jmp.2018.92015，