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量子論是現代物理學的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關於自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質世界的基本規律,為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等,1928年狄拉克將相對論運用於量子力學,又經海森伯、泡利等人的發展,形成了量子電動力學,量子電動力學研究的是電磁場與帶電粒子的相互作用,1947年,實驗發現了蘭姆移位。1948-1949年,里查德·費因曼(Richard Phillips Feynman)、施溫格(J.S.Schwinger)和朝永振一郎用重正化概念發展了量子電動力學,從而獲得1965年諾貝爾物理學獎。

1 量子論 -科學家

量子論愛因斯坦
為量子論的創立及發展作出貢獻的科學家
維恩(Wilhelm Wien)
瑞利(Lord Rayleigh)
普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)
狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)
尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)
路易·德布羅意(Prince Louis-victor de Broglie)
薛定諤(Erwin Schrödinger)
海森伯(Werner Karl Heisenberg)
玻恩(Max Born)
里查德·費恩曼(Richard Phillips Feynman)
H.赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)
密立根(Robert Andrews Millikan)
愛因斯坦
波爾

2 量子論 -發展歷程

量子論的初期

量子論首創量子論的普朗克
1900年普朗克為了克服經典理論解釋黑體輻射規律的困難,引入了能量子概念,為量子理論奠下了基石。隨後,愛因斯坦針對光電效應實驗與經典理論的矛盾,提出了光量子假說,並在固體比熱問題上成功地運用了能量子概念,為量子理論的發展打開了局面。1913年,玻爾在盧瑟福有核模型的基礎上運用量子化概念,提出玻爾的原子理論,對氫光譜作出了滿意的解釋,使量子論取得了初步勝利。隨後,玻爾、索末菲和其他物理學家為發展量子理論花了很大力氣,卻遇到了嚴重困難。舊量子論陷入困境。

量子論的建立
量子論德布羅意-物質波假說-內部結構模型圖

1923年,德布羅意提出了物質波假說,將波粒二象性運用於電子之類的粒子束,把量子論發展到一個新的高度。1925年-1926年薛定諤率先沿著物質波概念成功地確立了電子的波動方程,為量子理論找到了一個基本公式,並由此創建了波動力學。幾乎與薛定諤同時,海森伯寫出了以「關於運動學和力學關係的量子論的重新解釋」為題的論文,創立了解決量子波動理論的矩陣方法。

1925年9月,玻恩與另一位物理學家約丹合作,將海森伯的思想發展成為系統的矩陣力學理論。不久,狄拉克改進了矩陣力學的數學形式,使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。1926年薛定諤發現波動力學和矩陣力學從數學上是完全等價的,由此統稱為量子力學,而薛定諤的波動方程由於比海森伯的矩陣更易理解,成為量子力學的基本方程。

3 量子論 -發展中的爭論

量子論量子論
量子力學雖然建立了,但關於它的物理解釋卻總是很抽象,大家的說法也不一致。波動方程中的所謂波究竟是什麼?玻恩認為,量子力學中的波實際上是一種幾率,波函數表示的是電子在某時某地出現的幾率。1927年,海森伯提出了微觀領域裡的不確定關係,他認為任何一個粒子的位置和動量不可能同時準確測量,要準確測量其中的一個,另一個就將是不確定的。這就是所謂的「不確定原理」。它和玻恩的波函數幾率解釋一起,奠定了量子力學詮釋的物理基礎。玻爾敏銳地意識到不確定原理正表徵了經典概念的局限性,因此在此基礎上提出了「互補原理」。玻爾的互補原理被人們看成是正統的哥本哈根解釋,但愛因斯坦不同意不確定原理,認為自然界各種事物都應有其確定的因果關係,而量子力學是統計性的,因此是不完備的,而互補原理更是一種權宜之計。於是在愛因斯坦與玻爾之間進行了長達三四十年的爭論,直到他們去世也沒有作出定論。

量子論光量子-內部結構模型圖
世紀發現之微觀世界中的輪盤賭—量子論
如果說光在空間的傳播是相對論的關鍵,那麼光的發射和吸收則帶來了量子論的革命。我們知道物體加熱時會放出輻射,科學家們想知道這是為什麼。為了研究的方便,他們假設了一種本身不發光、能吸收所有照射其上的光線的完美輻射體,稱為「黑體」。研究過程中,科學家發現按麥克斯韋電磁波理論計算出的黑體光譜紫外部分的能量是無限的,顯然發生了謬誤,這為「紫外線災難。」提供了依據。1900年,德國物理學家普朗克提出了物質中振動原子的新模型。他從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念,提出了輻射的量子論。關於量子論中的不連續性,我們可以這樣理解:如溫度的增加或降低,我們認為是連續的,從一度升到二度中間必須經過0.1.度0.1度之前必定有0.01度。但是量子論認為在某兩個數值之間例如1度和3度之間可以沒有2度,就像我們花錢買東西一樣,一分錢是最小的量了,你不可能拿出0.1分錢,雖然你可以以厘為單位計算錢數。這個一分錢就是錢幣的最小的量。而這個最小的量就是量子。他認為各種頻率的電磁波,包括光只能以各自確定分量的能量從振子射出,這種能量微粒稱為量子,光的量子稱為光量子,簡稱光子。根據這個模型計算出的黑體光譜與實際觀測到的相一致。這揭開了物理學上嶄新的一頁。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分佈的規律,而且以全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問題。量子論不僅給光學,也給整個物理學提供了新的概念,故通常把它的誕生視為近代物理學的起點。

量子論:原子核世界中的開路先鋒
量子論原子核-內部結構模型圖

量子假說與物理學界幾百年來信奉的「自然界無跳躍」直接矛盾,因此量子理論出現后,許多物理學家不予接受。普朗克本人也十分動搖,後悔當初的大膽舉動,甚至放棄了量子論繼續用能量的連續變化來解決輻射的問題。但是,歷史已經將量子論推上了物理學新紀元的開路先鋒的位置,量子論的發展已是銳不可當。第一個意識到量子概念的普遍意義並將其運用到其它問題上的是愛因斯坦。他建立了光量子理論解釋光電效應中出現的新現象。光量子論的提出使光的性質的歷史爭論進入了一個新的階段。自牛頓以來,光的微粒說和波動說此起彼伏,愛因斯坦的理論重新肯定了微粒說和波動說對於描述光的行為的意義,它們均反映了光的本質的一個側面:光有時表現出波動性,有時表現出粒子性,但它既非經典的粒子也非經典的波,這就是光的波粒二重性。主要由於愛因斯坦的工作,使量子論在提出之後的最初十年裡得以進一步發展。

量子論量子論對原子核外的電子分佈狀態分析
在1911年,盧瑟福提出了原子的行星模型,即電子圍繞一個位於原子中心的微小但質量很大的核,即原子核的周圍運動。在此後的20年中,物理學的大量研究集中在原子的外圍電子結構上。這項工作創立了微觀世界的新理論,量子物理,並為量子理論應用於宏觀物體奠定了基礎。但是原子中心微小的原子核仍然是個謎。原子核是微觀世界中的重要層次,量子力學是研究微觀粒子運動規律的理論,是現代物理學的理論基礎之一,是探索原子核奧秘所不可缺少的工具。在原子量子理論被提出后不久,物理學家開始探討原子中微小的質量核—原子核。在原子中,正電原子核在靜態條件下吸引負電子。但是什麼使原子核本身能聚合在一起呢?原子核包含帶正電質子和不帶電的中子,兩者之間存在巨大的排斥力,而且質子彼此排斥(不帶電的中子沒有這種排斥力)。使原子核聚合在一起,並且克服質子間排斥力的是一種新的強大的力,它只在原子核內部起作用。原子彈的巨大能量就來自這種強大的核力。原子核和核力性質的研究對20世紀產生了巨大的影響,放射現象、同位素、核反應、裂變、聚變、原子能、核武器和核藥物都是核物理學的副產品。

丹麥物理學家玻爾首次將量子假設應用到原子中,並對原子光譜的不連續性作出了解釋。他認為,電子只在一些特定的圓軌道上繞核運行。在這些軌道上運行時並不發射能量,只當它從一個較高能量的軌道向一個較低軌道躍遷時才發射輻射,反之吸收輻射。這個理論不僅在盧瑟福模型的基礎上解決了原子的穩定性問題,而且用於氫原子時與光譜分析所得的實驗結果完全符合,因此引起了物理學界的震動。玻爾指導了19世紀20到年代的物理學家理解量子理論聽起來自相矛盾的基本結構,他實際上既是這種理論的「助產師」又是護士。

玻爾的量子化原子結構明顯違背古典理論,同樣招致了許多科學家的不滿。但它在解釋光譜分佈的經驗規律方面意外地成功,使它獲得了很高的聲譽。不過玻爾的理論只能用於解決氫原子這樣比較簡單的情形,對於多電子的原子光譜便無法解釋。舊量子論面臨著危機,但不久就被突破。在這方面首先取得突破的是法國物理學家德布羅意。他在大學時專業學的是歷史,但他的哥哥是研究X射線的著名物理學家。受他的影響,德布羅意大學畢業后改學物理,與兄長一起研究X射線的波動性和粒子性的問題。

經過長期思考,德布羅意突然意識到愛因斯坦的光量子理論應該推廣到一切物質粒子,特別是光子。1923年9月到10月,他連續發表了三篇論文,提出了電子也是一種波的理論,並引入了「駐波」的概念描述電子在原子中呈非輻射的靜止狀態。駐波與在湖面上或線上移動的行波相對,吉它琴弦上的振動就是一種駐波。這樣就可以用波函數的形式描繪出電子的位置。不過它給出的不是我們熟悉的確定的量,而是統計上的「分佈概率」,它很好地反映了電子在空間的分佈和運行狀況。德布羅意還預言電子束在穿過小孔時也會發生衍射現象。1924年,他寫出博士論文「關於量子理論的研究」,更系統地闡述了物質波理論,愛因斯坦對此十分讚賞。不出幾年,實驗物理學家真的觀測到了電子的衍射現象,證實了德布羅意的物質波的存在。

沿著物質波概念繼續前進並創立了波動力學的是奧地利物理學家薛定諤。他從愛因斯坦的一篇論文中得知了德布羅意的物質波概念后立刻接受了這個觀點。他提出,粒子不過是波動輻射上的泡沫。1925年,他推出了一個相對論的波動方程,但與實驗結果不完全吻合。1926年,他改而處理非相對論的電子問題,得出的波動方程在實驗中得到了證實。1925年,德國青年物理學家海森伯格寫出了一篇名為《關於運動學和力學關係的量子論重新解釋》的論文,創立了解決量子波動理論的矩陣方法。玻爾理論中的電子軌道、運行周期這樣古典的然而是不可測量的概念被輻射頻率和強度所代替。經過海森伯格和英國一位年輕的科學家狄喇克的共同努力,矩陣力學逐漸成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。

波動力學與矩陣力學各自的支持者們一度爭論不休,指責對方的理論有缺陷。到了1926年,薛定諤發現這兩種理論在數學上是等價的,雙方才消除了敵意。從此這兩大理論合稱量子力學,而薛定諤的波動方程由於更易於掌握而成為量子力學的基本方程。

充滿不確定性的量子論
量子論霍金引入量子論
海森伯格不確定原則是量子論中最重要的原則之一。它指出,不可能同時精確地測量出粒子的動量和位置,因為在測量過程中儀器會對測量過程產生干擾,測量其動量就會改變其位置,反之亦然。量子理論跨越了牛頓力學中的死角。

在解釋事物的宏觀行為時,只有量子理論能處理原子和分子現象中的細節。但是,這一新理論所產生的似是而非的矛盾說法比光的波粒二重性還要多。牛頓力學以確定性和決定性來回答問題,量子理論則用可能性和統計數據來回答。傳統物理學精確地告訴我們火星在哪裡,而量子理論讓我們就原子中電子的位置進行一場賭博。海森伯格不確定性使人類對微觀世界的認識受到了絕對的限制,並告訴我們要想絲毫不影響結果,我們就無法進行測量。

量子力學的奠基人之一薛定諤在1935年就意識到了量子力學中不確定性的問題,並假設了一個著名的貓思維實驗:「一隻貓關在一鋼盒內,盒中有下述極殘忍的裝置(必須保證此裝置不受貓的直接干擾):在蓋革計數器中有一小塊輻射物質,它非常小,或許在1小時中只有一個原子衰變。在相同的幾率下或許沒有一個原子衰變。如果發生衰變,計數管便放電並通過繼電器釋放一個錘,擊碎一個小小的氰化物瓶。如果人們使這整個系統自在1個小時,那麼人們會說,如果在此期間沒有原子衰變,這貓就是活的。第一次原子衰變必定會毒殺了這隻貓。」

常識告訴我們那隻貓是非死即活的,兩者必居其一。可是按照量子力學的規則,盒內整個系統處於兩種態的疊加之中,一態中有活貓,另一態中有死貓。但是有誰在現實生活中見過一個又活又死的貓呢?貓應該知道自己是活還是死,然而量子理論告訴我們,這個不幸的動物處於一種懸而未決的死活狀態中,直到某人窺視盒內看個究竟為止。此時,它要麼變得生氣勃勃,要麼立刻死亡。如果把貓換成一個人,那麼詳謬變得更尖銳了,因為這樣一來,監禁在盒內的那位朋友會自始至終地意識到他是健康與否。如果實驗員打開盒子,發現他仍然是活的,那時他可以問他的朋友,在此觀察前他感覺如何,顯然這位朋友會回答在所有的時間中他絕對活著。可這跟量子力學是相矛盾的,因為量子理論認為在盒內的東西被觀察之前那位朋友仍處在活-死迭加狀態中。

玻爾敏銳地意識到它正表徵了經典概念的局限性,因此以此為基礎提出「互補原則」,認為在量子領域總是存在互相排斥的兩種經典特徵,正是它們的互補構成了量子力學的基本特徵。玻爾的互補原則被稱為正統的哥本哈根解釋,但愛因斯坦一直不同意。他始終認為統計性的量子力學是不完備的,而互補原理是一種綏靖哲學,因而一再提出假說和實驗責難量子論,但玻爾總能給出自洽的回答,為量子論辯護。愛因斯坦與玻爾的論戰持續了半個世紀,直到他們兩人去世也沒有完結。

愛因斯坦對量子論的質疑
量子論量子論是量子內部作用的結果
薛定諤貓實驗告訴我們,在原子領域中實在的佯謬性質與日常生活和經驗是不相關的,量子幽靈以某種方式局限於原子的陰影似的微觀世界之中。如果遵循量子理論的邏輯到達其最終結論,則大部分的物理宇宙似乎要消失於陰影似的幻想之中。愛因斯坦決不願意接受這種邏輯結論。

他反問:沒有人注視時月亮是否實在?科學是一項不帶個人色彩的客觀的事業,將觀察者作為物理實在的一個關鍵要素的思想看來與整個科學精神相矛盾。如果沒有一個「外在的」具體世界供我們實驗與測量,全部科學不就退化為追逐想象的一個遊戲了嗎?

量子理論革命性的特點,一開始就引起了關於它的正確性及其解釋內容的激烈爭論,在20世紀中這個爭論一直進行著。自然法則從根本上將是否具有隨機性?在我們的觀察中是否存在實體?我們又是否受到了觀察的現象的影響?愛因斯坦率先從幾個方面對量子理論提出質疑。他不承認自然法則是隨機的。他不相信「上帝在和世界玩骰子」。在和玻爾的一系列著名的論戰中,愛因斯坦又一次提出了批判,試圖結實量子理論潛在的漏洞、錯誤和缺點。玻爾則巧妙地挫敗了愛因斯坦的所有攻擊。

在1935年的一篇論文中,愛因斯坦提出了一個新證據:斷言量子理論無法對自然界進行完全的描述。根據愛因斯坦的說法,一些無法被量子理論預見的物理現象應該能被觀測到。這一挑戰最終導致阿斯派特做了一系列著名的試驗,準備用這些試驗解決這一爭論。阿斯派特的實驗詳盡地證明了量子理論的正確性。阿斯派特認為,量子理論能夠預見但無法解釋一些奇妙的現象,愛因斯坦斷言這一點是不可能的。由此似乎信息傳播地比光速還快--很明顯地違背了相對論和因果律。阿斯派特的實驗結論仍有爭議,但它們已促成了關於量子論的更多的奇談怪論。

由玻爾和海森伯格發展起來的理論和哥本哈根派的觀點,儘管仍有爭論,卻逐漸在大多數物理學家中得到認可。按照該學派的觀點,自然規律既非客觀的,也非確定的。觀察者無法描述獨立於他們之外的現實。就象不確定律和測不準定律告訴我們的一樣,觀察者只能受到觀察結果的影響。按自然規律得出的實驗性預見總是統計性的而非確定性的。沒有定規可尋,它僅僅是一種可能性的分佈。

電子在不同的兩個實驗中表現出的波動性和粒子性這一表面上的矛盾是互補性原理的有關例子。量子理論能夠正確地、連續地預測電子的波動性或粒子性,卻不能同時對兩者進行預測。按照玻爾的觀點,這一矛盾是我們在對電子性質的不斷探索中,在我們的大腦中產生的,它不是量子理論的一部分。而且,從自然界中只能得到量子理論提供的有限的、統計性的信息。量子理論是完備的:該理論未能告訴我們的東西或許是有趣的猜想或隱喻。但這些東西既不可觀測,也不可測量,因而與科學無關。

哥本哈根解釋未能滿足愛因斯坦關於一個完全客觀的和決定性的物理定律應該是什麼樣的要求。他通過一系列思維推理實驗向玻爾發起挑戰。這些實驗計劃用來證明在量子理論中的預測中存在著不一致和錯誤。愛因斯坦用兩難論或量子理論中的矛盾向玻爾發難。玻爾把問題稍微思考幾天,然後就能提出解決辦法。愛因斯坦難免過分地看重了一些東西或者忽略了某些效應。有一次,具有諷刺意味的是愛因斯坦忘記了考慮他自己提出的廣義相對論。最終,愛因斯坦承認了量子理論的主觀一致性,但他仍固執地堅持一個致命的批判:EPR思維實驗。

1935年,愛因斯坦和兩個同事普多斯基和羅森合作寫了一篇駁斥量子理論完備性的論文,在物理學家和科學思想家中間廣為流傳。該論文以三個人姓氏的第一個字母合稱EPR論文。他們假設有兩個電子:電子1和電子2發生碰撞。由於它們帶有相同的電荷,這種碰撞是彈性的,符合能量守衡定律,碰撞后兩電子的動量和運動方向是相關的。因而,如果測出了電子1的位置,就能推知電子2的位置。假設在碰撞發生后精確測量電子1的位置,然後測量其動量。由於每次只測量了一個量,測量的結果應該是準確的。由於電子1、2之間的相關性,雖然我們沒有測量電子2,即沒有干擾過它,但仍然可以精確推測電子2的位置和動量。換句話說,我們經過一次測量得知了電子的位置和動量,而量子理論說這是不可能的,關於這一點量子理論沒有預見到。愛因斯坦及其同事由此證明:量子理論是不完備的。

玻爾經過一段時間的思考,反駁說EPR實驗非但沒有證否量子理論,而且還證明了量子理論的互補性原理。他指出,測量儀器、電子1和電子2共同組成了一個系統,這是一個不可分割的整體。在測量電子1的位置的過程中會影響電子2的動量。因此對電子1的測量不能說明電子2的位置和動量,一次測量不能代替兩次測量。這兩個結果是互補的和不兼容的,我們既不能說系統中一個部分受到另一個部分的影響,也不能試圖把兩個不同實驗結果互相聯繫起來。EPR實驗假定了客觀性和因果關係的存在而得出結論認為量子理論是不完備的,事實上這種客觀性和因果性只是一種推想和臆測。
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