20世纪物理学两大贡献,一个是相对论,一个是量子力学(量子场论)。对于量子力学,霍金曾经主编过一本书,收录了量子力学和量子场论当中最重要的论文和文章,大概有三十多篇。有中译本,这本书的中文名字叫《物质构成之梦》。然而这本书也有一些问题,即使是量子力学的发展,也缺了诸如索末菲和德布罗意等人在量子力学历史上发挥过重要作用的文章。这促使笔者思考一个问题,如果真的要挑选出10篇20世纪物理学最神级的论文,会有哪些论文可能入选?
关于这个问题首先脱离不了20世纪最伟大的物理学家——爱因斯坦。特别是他1905年发表的五篇论文,每一篇都是神级的。这一年也被物理学家称之为爱因斯坦奇迹年。在2005年联合国还设置了“国际物理年”来纪念物理奇迹年100周年。这五篇论文分别是
(1) 光量子理论
(2) 论动体的电动力学
(3) 质能方程式
(4) 布朗运动
(5) 测定分子大小
如果从中挑选10篇20世纪物理学最神级的论文,可能除了那篇测定分子大小的博士论文之外,其他4篇均可入选,也就是(1)(2)(3)(4)这4篇。然而实际上可以合为3篇文章,那篇非常短的关于质能方程式E=mc²的文章,实际上只是他那篇狭义相对论论文的一个简单推论,也就是说(2)(3)可以合为一篇。关于布朗运动的那篇文章,意义是很深远的,提出了涨落—耗散定理,深远影响了20世纪统计物理学的发展。再加上他创立广义相对论的论文,爱因斯坦已经有4篇了。在爱因斯坦以上论文的影响下,人类的时空观和物质观都有了革命性的突破。
对于另外一个现代物理学的支柱,量子理论,入选的论文除了上述提到的爱因斯坦的光量子论文之外,下一篇就应该是德布罗意提出波粒二象性的论文。之后考虑到量子力学的真正建立,再加上海森堡和薛定谔创立量子力学的论文,以及首次把狭义相对论纳入量子力学框架的狄拉克的论文。以上这4篇文章完全可以代表量子力学的进展。但是考虑到量子力学基础在过去的争论,也深远地影响了物理学,因此应该纳入爱因斯坦首次提出量子纠缠现象的论文,也就是EPR佯谬的那篇。
不过,量子力学建立之后仍然取得了重大的进展,比如费曼提出的第三种表示—路径积分表示,成为粒子物理,凝聚态物理的最基础的框架。因此应该把费曼的那篇关于路径积分的文章纳入。
于是上述20世纪十大神级论文就已经挑选了出来,实际上这些论文集中在20世纪的前半个世纪。将这十篇论文展示如下:
1. 爱因斯坦的《光量子》论文,1905
2.爱因斯坦的《狭义相对论》论文,1905
3. 爱因斯坦关于《布朗运动》的论文,1905
4. 爱因斯坦《广义相对论基础》,1916
5. 德布罗意的波粒二象性的论文,1924
6. 海森堡关于“矩阵”力学的论文,1925
7. 薛定谔关于波动力学的论文,1926
8. 狄拉克关于电子的相对论性方程,1928
9. 爱因斯坦关于量子纠缠(EPR悖论)的论文,1935
10. 费曼关于路径积分的论文,1949