鈔票上的量子物理學家:讓鈔票變成一張值得收藏的藝術品
2021年04月26日10:00

  王鵬

  西南民族大學計算機科學與工程學院

  量子力學的誕生從19 世紀末到20 世紀中葉持續了半個多世紀,量子力學的誕生是科學史上一個波瀾壯闊的時期,是一個英雄輩出、群星璀璨的時代,在這期間湧現出了大量傑出而富有傳奇色彩的科學家。例如科學明星愛因斯坦,哥本哈根學派的旗手玻爾,浪漫而具有哲學氣質的薛定鄂,這些量子物理學家都成為了民族和國家的驕傲並被選為了鈔票的主題。

  鈔票是一個國家主權的象徵,鈔票的選題表達了一個國家和民族的價值觀和對於科學的態度。科學精神發源於歐洲的古希臘,因此世界上不少國家特別是歐洲國家常常採用科學家作為鈔票的主題。人們通常認為金錢是邪惡的,但將科學家印在鈔票上卻可以傳遞科學精神之光,使科學精神根植在人們的心中。

  同時鈔票是一個國家印刷最為精密的印刷品,這給予了鈔票強大的表現力,一張印製精美的鈔票不但是流通的貨幣,還是一張值得收藏的藝術品。作者近年來通過努力基本完成了對物理學家鈔票的收集,本文主要介紹以量子物理學家為題材的部分鈔票。

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  量子物理的誕生

  幾乎每一個講解量子物理髮展史的人都會引用開爾文的“兩朵烏雲”這一典故。開爾文在當時是一位德高望眾的科學家,他原名威廉·湯姆森,後被授予開爾文勳爵的稱號。1900 年他在一場物理學報告會中回顧物理學所取得的偉大成就時說,物理大廈已經落成,所剩的只是一些修飾工作。但作為一名科學家他又是敏感的,他在展望20 世紀物理學前景時講道:“動力學理論斷言,熱和光都是運動的形式。但是現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽而顯得黯然失色,第一朵烏雲是黑體輻射實驗和理論的不一致(這朵烏雲導致了量子物理的誕生),第二朵烏雲是關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論(這朵烏雲導致了相對論的誕生)。”物理學後來發展的歷史表明,正是19 世紀初的這兩朵小小的烏雲,變成了一場暴風驟雨般的科學變革,徹底地改變了物理學的根基,建立了現代物理學的基礎。

  1991 年蘇格蘭克萊斯戴爾銀行發行100 英鎊鈔票(如圖1),就採用了開爾文作為主題,這張鈔票相當稀少極具收藏價值,開爾文作為量子物理的預言者更使得這張鈔票具有了特殊的意義。

  1900 年12 月14 日,在德國物理學會上普朗克公佈了其推算得來的普朗克黑體公式,普朗克在解釋黑體輻射問題時首次引入了量子化的概念,世界的連續性被打破了,因此,這一天被視為量子力學誕生的日子。

  在隨後的1905 年愛因斯坦採用光量子理論成功的解釋了光電效應,並因此獲得了諾貝爾獎。愛因斯坦是量子物理史上的偶像科學家,他雖然是量子力學的奠基之一,但卻不願意承認量子概率解釋,他與玻爾關於量子物理的世紀辯論成為量子物理的發展史上的一段傳奇。愛因斯坦是猶太人,他是猶太人的驕傲,以色列甚至曾想利用愛因斯坦的影響力邀請他擔任以色列總理。目前世界上唯一的一張以愛因斯坦為主題的鈔票就是1968 年以色列發行的5 以色列鎊(如圖2)。這張鈔票的背面為以色列特拉維夫附近的Nahal Sorek 原子能反應堆(索雷克核研究中心),我想這可能是為了紀念愛因斯坦所提出的質能方程。

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  鈔票上神秘的符號

  鈔票的印製非常精密,設計者往往會在鈔票中隱藏與主題相關的豐富信息,一些信息甚至蘊含著極其深刻的物理思想,這也是收藏和研究科學家鈔票的樂趣之一。

  1983 年奧地利發行1000 先令上的人物主題為波動力學的提出者薛定諤(如圖3),任何學過量子物理的人都肯定記得以他的名字命名的方程,薛定鄂方程在量子物理中的地位可以與經典力學中牛頓定律相媲美。

  這張鈔票是科學家主題鈔票中藝術價值最高的一張,他的作者為雕刻大師尼菲,藍紫色的色調不禁讓人想起了藍色多瑙河那流淌著的優美曲調,襯託了薛定鄂這位浪漫偉大的科學家的精神品格。這張鈔票的背面是薛定鄂供職過的維也納大學,雕刻也是異常精美。

  在這張鈔票的正面有一個神秘的圖形符號(如圖4),這個符號看上去很像海神波賽東所使用的三叉,學過量子物理的人看到這個符號都能一眼認出是薛定鄂方程中表示波函數的符號ψ ,正是這個符號揭示了我們物質世界的概率特性。有趣的是薛定鄂方程提出後薛定鄂自己對於方程中ψ 的物理含義都非常困惑,直到1927 年波恩給出了波函數的概率解釋,人們才認識到ψ 代表概率波而不是實體波。設計者將這一符號巧妙的隱藏到鈔票上面,以此向薛定鄂的最偉大科學貢獻致敬。

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  量子力學的旗手

  量子物理髮展史上的另一位旗手級的人物是丹麥物理學家玻爾,玻爾創立了量子物理史上著名的哥本哈根學派,直到現在量子物理的哥本哈根解釋也還是被大多數物理學家所接受的正統解釋。1997 年丹麥發行的500 克朗鈔票就是以玻爾為主題(如圖5)。

  丹麥的鈔票設計風格看似簡潔,但卻在細節處顯出匠心,這張鈔票的正面和背面都大面積採用陰陽太極圖為紋飾(如圖6),太極圖出自中國文化,在西方國家的貨幣中出現太極圖是很罕見的,但這恰恰顯示出了這張鈔票設計者的良苦用心。太極圖在中國文化中代表陰陽的和合,它代表了一個事物正反兩面之間的哲學關係。玻爾癡迷於中國的文化,玻爾曾在1937 年訪問過中國,與中國的物理學家進行了廣泛的接觸。玻爾應該是在那時接觸到了中國道家的太極圖,太極圖的陰陽哲學與玻爾的互補原理含義相似。互補原理是玻爾於1927 年提出的一個基本原理,認為微觀粒子具有波粒二象性,波動性和粒子性是其性質兩個方面。波爾的互補原理,波恩的波函數概率解釋和海森堡的測不準關係構成了量子物理的哥本哈根解釋的基礎。1947 年丹麥國王封他為“騎象勳爵”,按慣例同時要授矛他以鐫刻家族族徽的徽章,玻爾採用太極圖案親自設計了這枚徽章,並用拉丁文寫下“ContrariaSunt Complementa”(對立即互補)表明自己的科學觀點。無獨有偶在中國科學院高能物理研究所內有一座由李政道先生創意的名為“物之道”的雕塑也採用了太極圖案。

  玻爾對於量子力學最主要的貢獻在於提出了量子化的原子結構模型。對於原子的認識最早始於古希臘的德謨克里特,他被認為是現代原子論的鼻祖。德謨克里特認為世界是由一種不能被分割的原子構成,原子之外是完全的虛空,原子在不斷運動中,原子相互組合成為了各種物質。

  1955 年希臘發行的20 德拉克馬(如圖7)和1967年希臘發行的100 德拉克馬(如圖8)都是以古希臘哲學家、原子論的提出者德謨克里特為主題。其中現代原子行星模型還出現在了1967 年希臘發行的100德拉克馬正面的右邊。

  2300 多年後出生於新西蘭的物理學盧瑟福通過α粒子散射實驗,無可辯駁的論證了原子的行星模型,從而一舉把原子結構的研究引上了正確的軌道,於是他被譽為原子核物理學之父。盧瑟福的原子模型為玻爾提出量子化的原子模型奠定了基礎。盧瑟福的形象出現在了1992 年新西蘭發行的100 元鈔票上(如圖9),這是新西蘭最大面額的鈔票,足見其在新西蘭人心中的地位。

  盧瑟福的原子行星模型雖然可以成功的解釋α粒子的散射現象,但圍繞原子核高速運動的電子由於具有加速度,按電磁理論電子會向外輻射能量並快速向原子核墜落,這說明原子行星模型與電磁理論是不相融的。這一矛盾直到玻爾提出量子化的氫原子模型才得以解決,從此對於原子的研究才正式進入量子時代。

  在丹麥1997 年發行的500 克朗鈔票的正面還有一處驚喜,就是玻爾提出的氫原子結構模型示意圖(如圖10)也被鈔票設計師融入進了設計元素。玻爾的原子理論第一次將量子觀念引入原子領域,提出了定態和躍遷的概念,人類對於原子的認識正式進入了量子時代。

  玻爾的原子結構理論認為電子只能在一些特定的軌道上繞原子核作圓周運動,電子在這些可能的軌道上運動時不發射也不吸收能量,只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發射或吸收能量。

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  量子物理史上的最強音

  如果把量子物理的發展過程比作一首時代樂曲,那這首樂曲的高潮就出現在1927 年布魯塞爾召開的第五屆索爾維會議。這次會議聚集了當時最為著名的物理學家,這次會議的合影一直以來被大家津津樂道,被稱為當時世界最強大腦的集合。同時這張照片也創造了世界貨幣史上的記錄,在這張照片中愛因斯坦、玻爾、居里夫人和薛定諤都出現在了不同國家的鈔票上(如圖11),從而使第五屆索爾維會議的合影成為了世界上出現在鈔票中人數最多的合影照片。其中居里夫人的形象還同時出現在了法國和波蘭兩個國家的鈔票上,2011 年波蘭還專門發行了一張紀念居里夫人獲得諾貝爾獎100週年紀念鈔。

  世界上可以與第五屆索爾維會議合影相提並論的“合影”只有文藝複興三傑之一拉菲爾為梵蒂岡宮所畫的《雅典學院》,但這是一張虛構的“合影”,中心是柏拉圖和亞里士多德師生,同時畢達哥拉斯、阿基米德、托勒密、伊壁鳩魯、赫拉克利特等57 位不同時期學者通過拉菲爾豐富的想像力同時被刻畫在了這幅畫上,或沉思、或聆聽,整個畫面充滿了濃厚的學術氛圍和自由的氣氛。

  意大利1997 年發行的最大面額500000 里拉鈔票就是《雅典學院》主題(如圖12)。這張鈔票是意大利鈔票印刷水平的巔峰之作,其雕刻作者為意大利著名的鈔票雕刻大師喬尼尼。《雅典學院》描繪了古希臘黃金時代群賢畢至、賢者盛宴的情景,通過拱門和台階烘托那些大哲的高大,好似萬仞宮牆只可仰觀。

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  結語

  科學精神發源於歐洲的古希臘,工業革命也起源於歐洲的英國,這使歐洲在近代成為了世界科學的中心,因此歐洲國家經常採用科學家作為鈔票的主題。但隨著歐洲貨幣的統一,歐洲各國大都採用風格沉悶、單調的歐元作為流通貨幣,從前風格多樣、設計精美、各具特色的歐洲貨幣大多已退出流通,成為了歷史。因此針對物理學家鈔票的收藏和研究成為了一個非常有趣的活動,對於培養青少年的科學素養、傳遞科學精神、提高學習物理知識的興趣都具有良好的作用。

  來源於現代物理知識雜誌

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