量子论100年 1.中国科学家纪念量子论创立百年[新华网 2.踏在跨世纪的台阶上[中国科学院院长路甬祥] 3.量子物理百年回顾[D. Kleppner&R. Jackiw] 新华网北京12月14日专电(记者江国成)中国著名核物理学家、纳米 专家、半导体专家等科技界权威人士今天聚会,纪念100年前创立、对本世纪经 济、科技、军事和社会进程产生重大影响的量子论。 应用量子论,参与研制中国第一颗原子弹的物理学家、中国科学协会主 席周光召在纪念大会上说,量子论和量子力学对人类社会的科学、哲学、技术和 经济带来了巨大的影响。“没有量子论就不可能有半导体、集成电路、激光器和 信息科学”。 周光召说,由于人类能够操纵单个原子,在21世纪,人类按照量子力学将会设 计出越来越多符合人们要求的,具有特殊功能的微结构 中国科学院院长路甬祥在开幕式上说,量子论和相对论的诞生堪称本世 纪最伟大的科学革命。从1982年开始的新一轮量子力学研究将深化对这一学科 基本概念的认识,“有可能对当代电子学、光学、信息科学、材料科学”等产 生革命性的影响。 路甬祥说,量子论和相对论已共同成为20世纪人类科技文明的基石,从哲学上 根本改变了人们关于时间、空间、物质和运动的概念 他说,100年前的今天,德国的理论物理学教授普郎克在柏林宣读了他 的论文《论正常光谱能量分布规律》,这一天标志着量子论的诞生。 中国科学院在过去两年特别安排了有关量子物理与信息研究的项目。 踏在跨世纪的台阶上一中国科学院院长路甬祥 1900年12月14日,普朗克在柏林德国物理学会宣读了他的划时代论文《论 正常光谱能量分布定律》。这一天便标志着量子论的诞生,它同1905年由爱因 斯坦创立的相对论已共同成为20世纪人类科技文明的基石,也从哲学上根本改 变了人们关于时间、空间、物质和运动的概念。正如江泽民主席今年5月在接受 美国《科学》杂志独家专访时强调指出的:“可以说,如果没有量子理论,就不 会有微电子技术。如果没有相对论,就没有原子弹,也不会有核电站。” 我曾在中国科学院《2000年科学发展报告》的序言中提到过,量子论和相 对论的诞生堪称本世纪最伟大的科学革命,使物理学和化学乃至天文学和地质学 可以统一在物质科学的名义之下。爱因斯坦统一引力相互作用与电磁相互作用的 思想,由于相对论和量子论结合所导致的原子核和亚核层次强相互作用和弱相互 作用的发展,而形成了关于四种基本相互作用统一的研究纲领。这一研究纲领的 第一个重大成果是在强子结构的夸克模型基础上完成的弱相互作用与电磁相互 作用统一的理论。但包括强相互作用在内的大统一理论和包含引力于其中的超统 一理论还在探索之中。相对论宇宙学的大爆炸模型把物质的微观结构研究和宇宙 起源的研究融合在了一起 据考证,普朗克是历史上第一个被冠名为理论物理学教授的,量子论的发现 与他天才的理论思维分不开。同时,正如周光召院士在去年10月的一次报告中
量子论 100 年 1.中国科学家纪念量子论创立百年 [新华网] 2.踏在跨世纪的台阶上 [中国科学院院长 路甬祥] 3.量子物理百年回顾 [D. Kleppner & R. Jackiw ] 新华网北京 12 月 14 日专电（记者江国成）中国著名核物理学家、纳米 专家、半导体专家等科技界权威人士今天聚会，纪念 100 年前创立、对本世纪经 济、科技、军事和社会进程产生重大影响的量子论。 应用量子论，参与研制中国第一颗原子弹的物理学家、中国科学协会主 席周光召在纪念大会上说，量子论和量子力学对人类社会的科学、哲学、技术和 经济带来了巨大的影响。“没有量子论就不可能有半导体、集成电路、激光器和 信息科学”。 周光召说，由于人类能够操纵单个原子，在 21 世纪，人类按照量子力学将会设 计出越来越多符合人们要求的，具有特殊功能的微结构。 中国科学院院长路甬祥在开幕式上说，量子论和相对论的诞生堪称本世 纪最伟大的科学革命。从 1982 年开始的新一轮量子力学研究将深化对这一学科 基本概念的认识， “有可能对当代电子学、光学、信息科学、材料科学”等产 生革命性的影响。 路甬祥说，量子论和相对论已共同成为 20 世纪人类科技文明的基石，从哲学上 根本改变了人们关于时间、空间、物质和运动的概念。 他说，100 年前的今天，德国的理论物理学教授普郎克在柏林宣读了他 的论文《论正常光谱能量分布规律》，这一天标志着量子论的诞生。 中国科学院在过去两年特别安排了有关量子物理与信息研究的项目。 （完） 踏在跨世纪的台阶上 -- 中国科学院院长 路甬祥 1900 年 12 月 14 日，普朗克在柏林德国物理学会宣读了他的划时代论文《论 正常光谱能量分布定律》。这一天便标志着量子论的诞生，它同 1905 年由爱因 斯坦创立的相对论已共同成为 20 世纪人类科技文明的基石，也从哲学上根本改 变了人们关于时间、空间、物质和运动的概念。正如江泽民主席今年 5 月在接受 美国《科学》杂志独家专访时强调指出的：“可以说，如果没有量子理论，就不 会有微电子技术。如果没有相对论，就没有原子弹，也不会有核电站。” 我曾在中国科学院《2000 年科学发展报告》的序言中提到过，量子论和相 对论的诞生堪称本世纪最伟大的科学革命，使物理学和化学乃至天文学和地质学 可以统一在物质科学的名义之下。爱因斯坦统一引力相互作用与电磁相互作用的 思想，由于相对论和量子论结合所导致的原子核和亚核层次强相互作用和弱相互 作用的发展，而形成了关于四种基本相互作用统一的研究纲领。这一研究纲领的 第一个重大成果是在强子结构的夸克模型基础上完成的弱相互作用与电磁相互 作用统一的理论。但包括强相互作用在内的大统一理论和包含引力于其中的超统 一理论还在探索之中。相对论宇宙学的大爆炸模型把物质的微观结构研究和宇宙 起源的研究融合在了一起。 据考证，普朗克是历史上第一个被冠名为理论物理学教授的，量子论的发现 与他天才的理论思维分不开。同时，正如周光召院士在去年 10 月的一次报告中
所指出的,量子论之所以会在德国产生,主要得益于他们理论和实验密切结合的 传统。1923年,普朗克在纪念把黑体辐射测量从维恩的近红外到紫光区结果做 到远红外的鲁本斯的演讲中指出:“倘若没有鲁本斯的介入,辐射定律的表述以 及量子论的建立也许会是另一种样子,有可能根本就不会在德国诞生。”量子论 之所以在德国首先被发现,也是基于当时德国工业化需求而建立起来的精确的光 谱分析技术。有着5000年历史文化的中华民族具有高度的聪明才智与创新能力 至今华裔科学家已有6人获得诺贝尔奖。但无须讳言,在20世纪前半叶,中国 物理学家在理论和实验上做出的重大发现基本上都是在国外研究机构完成的,如 二三十年代赵忠尧、吴有训先生的工作,四十年代黄昆先生的工作,五十年代还 保持中国国籍的李政道先生、杨振宁先生的工作。这种现象并不偶然,它反映了 旧中国和新中国建立初期科研实验条件的落后和孕育科学创新土壤之贫乏。今 天,我国走改革开放之路,与世界有广泛交流与合作,经济实力比当年创立量子 论的德国更强,中国已经到了可以自主创新的阶段。在中国科学院第一期创新工 程试点中,我们鼓励原始创新,加强了实验基地的建设,在中央的特别支持下, 配备先进的实验设施。我相信近代以来重大科学发现没有在中国本土产生的历史 将很快结束。 量子论的发现确实得益于由康德和黑格尔发展出来的德国哲学传统。自牛顿 以来,物理界一直受机械论的控制,任何系统都必须归结于眼睛直觉的世界。在 量子力学诞生后,经典物理的机械论才被彻底打破,人类才第一次认识到我们所 处的物质世界远不是我们日常看到的图像。玻尔曾经说过:“不为量子论所震惊 者,必然不理解量子论。”能量的分立,动量与位置的测不准原理等量子世界的 奇妙现象现在已为每一个大学生所熟悉。 今天,当我们踏着跨世纪的台阶,深情回眸量子论带给人类的文明与对宇宙 认识的同时,我们更应从量子论的诞生与成长的历史得到有益的借鉴。 在这里我要特别强调的是,我们的年轻物理学家应该注意到对量子论创立有 重要贡献的两位伟大科学家爱因斯坦与玻尔关于量子论的诠释长达几十年的争 论时至今日并没有结束。1982年巴黎大学的阿斯佩克特等人所做的实验已把这 种思辨性的争论提高到实验辩证。这一轮量子力学的新研究高潮不仅仅涉及量子 力学基本概念的深化,而且有可能对当代电子学、光学、信息科学、材料科学等 产生革命性的影响。中国科学院第一期创新工程试点的重大前沿领域特别安排有 量子物理与信息研究项目,就是顺应这个量子论的世纪性新发展的需要。我希望 我们的年轻科学家加入当代物理学这一非常活跃、非常有基础意义、甚至会产生 革命性跃迁的新领域,期望在21世纪从他们当中诞生在中国土地上成长起来的 普朗克和爱因斯坦式的大科学家,产生出如同量子论、相对论一般伟大的、新的 科学发现和科学理论。(此文为作者在纪念量子论创立百周年学术报告会上的开 幕词,标题为编者所加,内容有删节。) 发表人: Sloop C(天堂鸟2000)版面名称: DeptAandAP[2754] 文章提要:量子物理百年回顾 源发站:中国科大BBS站(Sun,17Dec2000182905) 译者序:本文是世界著名科学刊物 Science(8月11日)纪念 Planck提出量子概 念100周年的一篇评论文,基本上描述了上个世纪(除相对论外)物理学波澜壮 阔的发展场面。故特此译为中文,以飨读者。( Odd genius)
所指出的，量子论之所以会在德国产生，主要得益于他们理论和实验密切结合的 传统。1923 年，普朗克在纪念把黑体辐射测量从维恩的近红外到紫光区结果做 到远红外的鲁本斯的演讲中指出：“倘若没有鲁本斯的介入，辐射定律的表述以 及量子论的建立也许会是另一种样子，有可能根本就不会在德国诞生。”量子论 之所以在德国首先被发现，也是基于当时德国工业化需求而建立起来的精确的光 谱分析技术。有着 5000 年历史文化的中华民族具有高度的聪明才智与创新能力。 至今华裔科学家已有 6 人获得诺贝尔奖。但无须讳言，在 20 世纪前半叶，中国 物理学家在理论和实验上做出的重大发现基本上都是在国外研究机构完成的，如 二三十年代赵忠尧、吴有训先生的工作，四十年代黄昆先生的工作，五十年代还 保持中国国籍的李政道先生、杨振宁先生的工作。这种现象并不偶然，它反映了 旧中国和新中国建立初期科研实验条件的落后和孕育科学创新土壤之贫乏。今 天，我国走改革开放之路，与世界有广泛交流与合作，经济实力比当年创立量子 论的德国更强，中国已经到了可以自主创新的阶段。在中国科学院第一期创新工 程试点中，我们鼓励原始创新，加强了实验基地的建设，在中央的特别支持下， 配备先进的实验设施。我相信近代以来重大科学发现没有在中国本土产生的历史 将很快结束。 量子论的发现确实得益于由康德和黑格尔发展出来的德国哲学传统。自牛顿 以来，物理界一直受机械论的控制，任何系统都必须归结于眼睛直觉的世界。在 量子力学诞生后，经典物理的机械论才被彻底打破，人类才第一次认识到我们所 处的物质世界远不是我们日常看到的图像。玻尔曾经说过：“不为量子论所震惊 者，必然不理解量子论。”能量的分立，动量与位置的测不准原理等量子世界的 奇妙现象现在已为每一个大学生所熟悉。 今天，当我们踏着跨世纪的台阶，深情回眸量子论带给人类的文明与对宇宙 认识的同时，我们更应从量子论的诞生与成长的历史得到有益的借鉴。 在这里我要特别强调的是，我们的年轻物理学家应该注意到对量子论创立有 重要贡献的两位伟大科学家爱因斯坦与玻尔关于量子论的诠释长达几十年的争 论时至今日并没有结束。1982 年巴黎大学的阿斯佩克特等人所做的实验已把这 种思辨性的争论提高到实验辩证。这一轮量子力学的新研究高潮不仅仅涉及量子 力学基本概念的深化，而且有可能对当代电子学、光学、信息科学、材料科学等 产生革命性的影响。中国科学院第一期创新工程试点的重大前沿领域特别安排有 量子物理与信息研究项目，就是顺应这个量子论的世纪性新发展的需要。我希望 我们的年轻科学家加入当代物理学这一非常活跃、非常有基础意义、甚至会产生 革命性跃迁的新领域，期望在 21 世纪从他们当中诞生在中国土地上成长起来的 普朗克和爱因斯坦式的大科学家，产生出如同量子论、相对论一般伟大的、新的 科学发现和科学理论。（此文为作者在纪念量子论创立百周年学术报告会上的开 幕词，标题为编者所加，内容有删节。） 发 表 人：Sloop_C(天堂鸟 2000) 版面名称：DeptAandAP[2754] 文章提要：量子物理百年回顾 源 发 站：中国科大 BBS 站(Sun, 17 Dec 2000 18:29:05) 译者序：本文是世界著名科学刊物 Science（8 月 11 日）纪念 Planck 提出量子概 念 100 周年的一篇评论文，基本上描述了上个世纪（除相对论外）物理学波澜壮 阔的发展场面。故特此译为中文，以飨读者。（Odd Genius）
量子物理百年回顾(一) D Kleppner &r Jackiw 全面列举一下20世纪最有影响的科学进展应当包含广义相对论、量子力学、宇 宙大爆炸、遗传密码的破译、生物进化理论和其他一些读者喜欢的课题。在这些 进展当中,量子力学深层次的根本属性使得它处在一个最为独特的位置。它迫使 物理学家们改造他们关于实在的观念;迫使他们重新审视事物最深层次的本性 迫使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的定义。尽管量子力学是为描述 远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的,但它对我们日常生活的影响 无比巨大。没有量子力学作为工具,就不可能有化学、生物、医学以及其他每 个关键学科的引人入胜的进展。没有量子力学就没有全球经济可言,因为作为量 子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。同时,光子学的革命也将 我们带入信息时代。量子物理的杰作改变了我们的世界,科学革命为这个世界带 来了的福音,也带来了潜在的威胁。量子力学既不象广义相对论那样来自于对引 力与几何关系的光辉洞察力,也不象DNA的破译那样揭开了生物学一个新的世 界的神秘面纱,它的起源不是一步到位的,是历史上少有的天才荟萃在一起共同 创造了它。量子的概念如此的令人困惑以至于在引入它以后的20年中几乎没有 什么根本性的进展,后来一小撮物理学家花了三年时间创立了量子力学。这些科 学家为自己所做的事情所困扰,甚至有时对自己的所作所为感到失望。或许用下 面的一段观察资料能最好地描述这个至关重要但又难以捉摸的理论的独特地位: 量子理论是科学史上能最精确地被实验检验的理论,是科学史上最成功的理论。 量子力学深深地困扰了它的创立者,然而,直到它本质上被表述成通用形式75 年后的今天,一些科学界的精英们尽管承认它强大的威力,却仍然对它的基础和 基本阐释不满意。今年是 Max planck提出量子概念100周年。在他关于热辐射 的经典论文中, Planck假定振动系统的总能量不能连续改变,而是以不连续的能 量子形式从一个值跳到另一个值。能量子的概念太激进了, Planck后来将它搁置 下来。随后, Einstein在1905年(这一年对他来说是非凡的一年)认识到光量子 化的潜在意义。不过量子的观念太离奇了,后来几乎没有根本性的进展。现代量 子理论的创立则是斩新的一代物理学家花了20多年时间的结晶。您只要看一下 量子理论诞生以前的物理学就能体会到量子物理的革命性影响。1890年到1900 年间的物理期刊论文基本上是关于原子光谱和物质其他一些基本的可以测量的 属性的文章,如粘性、弹性、电导率、热导率、膨胀系数、折射系数以及热弹性 系数等。由于维多利亚型的工作机制和精巧的实验方法的发展的刺激,知识以巨 大的速度累积。然而,在同时代人看来最显著的事情是对于物质属性的简明描述 基本上是经验性的。成千上万页的光谱数据罗列了大量元素波长的精确值,但是 谁都不知光谱线为何会出现,更不知道它们所传递的信息。对热导率和电导率的 模型解释仅符合大约半数的事实。虽有不计其数的经验定律,但都很难令人满意 比如说, Dulong-Petit定律建立了比热和物质的原子重量的简单关系,但是它有 时好使,有时不好使。在多数情况下同体积气体的质量比满足简单的整数关系。 元素周期表尽管为化学的繁荣提供了关键的组织规则,但也无任何理论基础。在 众多的伟大的革命性进展中,量子力学提供了一种定量的物质理论。现在,我们 原则上可以理解原子结构的每一个细节;周期表也能简单自然地加以解释;巨额 的光谱排列也纳入了一个优雅的理论框架。量子力学为定量的理解分子,流体和 固体,导体和半导体提供了便利。它能解释诸如超流体和超导体等怪异现象,能
量子物理百年回顾（一） D. Kleppner & R. Jackiw 全面列举一下 20 世纪最有影响的科学进展应当包含广义相对论、量子力学、宇 宙大爆炸、遗传密码的破译、生物进化理论和其他一些读者喜欢的课题。在这些 进展当中，量子力学深层次的根本属性使得它处在一个最为独特的位置。它迫使 物理学家们改造他们关于实在的观念；迫使他们重新审视事物最深层次的本性； 迫使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的定义。尽管量子力学是为描述 远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的，但它对我们日常生活的影响 无比巨大。没有量子力学作为工具，就不可能有化学、生物、医学以及其他每一 个关键学科的引人入胜的进展。没有量子力学就没有全球经济可言，因为作为量 子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机时代。同时，光子学的革命也将 我们带入信息时代。量子物理的杰作改变了我们的世界，科学革命为这个世界带 来了的福音，也带来了潜在的威胁。量子力学既不象广义相对论那样来自于对引 力与几何关系的光辉洞察力，也不象 DNA 的破译那样揭开了生物学一个新的世 界的神秘面纱，它的起源不是一步到位的，是历史上少有的天才荟萃在一起共同 创造了它。量子的概念如此的令人困惑以至于在引入它以后的 20 年中几乎没有 什么根本性的进展，后来一小撮物理学家花了三年时间创立了量子力学。这些科 学家为自己所做的事情所困扰，甚至有时对自己的所作所为感到失望。或许用下 面的一段观察资料能最好地描述这个至关重要但又难以捉摸的理论的独特地位： 量子理论是科学史上能最精确地被实验检验的理论，是科学史上最成功的理论。 量子力学深深地困扰了它的创立者，然而，直到它本质上被表述成通用形式 75 年后的今天，一些科学界的精英们尽管承认它强大的威力，却仍然对它的基础和 基本阐释不满意。今年是 Max Planck 提出量子概念 100 周年。在他关于热辐射 的经典论文中，Planck 假定振动系统的总能量不能连续改变，而是以不连续的能 量子形式从一个值跳到另一个值。能量子的概念太激进了，Planck 后来将它搁置 下来。随后，Einstein 在 1905 年（这一年对他来说是非凡的一年）认识到光量子 化的潜在意义。不过量子的观念太离奇了，后来几乎没有根本性的进展。现代量 子理论的创立则是斩新的一代物理学家花了 20 多年时间的结晶。您只要看一下 量子理论诞生以前的物理学就能体会到量子物理的革命性影响。1890 年到 1900 年间的物理期刊论文基本上是关于原子光谱和物质其他一些基本的可以测量的 属性的文章，如粘性、弹性、电导率、热导率、膨胀系数、折射系数以及热弹性 系数等。由于维多利亚型的工作机制和精巧的实验方法的发展的刺激，知识以巨 大的速度累积。然而，在同时代人看来最显著的事情是对于物质属性的简明描述 基本上是经验性的。成千上万页的光谱数据罗列了大量元素波长的精确值，但是 谁都不知光谱线为何会出现，更不知道它们所传递的信息。对热导率和电导率的 模型解释仅符合大约半数的事实。虽有不计其数的经验定律，但都很难令人满意。 比如说，Dulong-Petit 定律建立了比热和物质的原子重量的简单关系，但是它有 时好使，有时不好使。在多数情况下同体积气体的质量比满足简单的整数关系。 元素周期表尽管为化学的繁荣提供了关键的组织规则，但也无任何理论基础。在 众多的伟大的革命性进展中，量子力学提供了一种定量的物质理论。现在，我们 原则上可以理解原子结构的每一个细节；周期表也能简单自然地加以解释；巨额 的光谱排列也纳入了一个优雅的理论框架。量子力学为定量的理解分子，流体和 固体，导体和半导体提供了便利。它能解释诸如超流体和超导体等怪异现象，能
解释诸如中子星和Bose- Einstein凝聚(在这种现象里气体中所有原子的行为象 个单一的超大原子)等奇异的物质聚集形式。量子力学为所有的科学分支和每 项高技术提供了关键的工具。量子物理实际上包含两个方面。一个是原子层次 的物质理论:量子力学;正是它我们才能理解和操纵物质世界。另一个是量子场 论,它在科学中起到一个完全不同的作用,稍后我们再回到它上面来。 旧量子论 量子革命的导火线不是对物质的研究,而是辐射问题。具体的挑战是理解黑体(即 某种热的物体)辐射的光谱。烤过火的人都很熟悉这样一种现象:热的物体发光, 越热发出的光越明亮。光谱的范围很广,当温度升髙时,光谱的峰值从红线向黄 线移动,然后又向蓝线移动(这些不是我们能直接看见的)。 结合热力学和电磁学的概念似乎可以对光谱的形状作出解释,不过所有的尝试均 以失败告终。然而, Planck假定振动电子辐射的光的能量是量子化的,从而得到 一个表达式,与实验符合得相当完美。但是他也充分认识到,理论本身是很荒唐 的,就像他后来所说的那样:“量子化只不过是一个走投无路的做法”。 Planck将 他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上,如果没有新秀 Albert einstein, 量子物理恐怕要至此结束。1905年,他毫不犹豫的断定:如果振子的能量是量 子化的,那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。尽管 Maxwe理论以及 个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性, Einstein的理论还是蕴含了光的 粒子性行为。随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值 时才能被吸收,这些能量就像是被一个个粒子携带着一样。光的波粒二象性取决 于你观察问题的着眼点,这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一,它成 为接下来20年中理论上的难题。辐射难题促成了通往量子理论的第一步,物质 悖论则促成了第二步。众所周知,原子包含正负两种电荷的粒子,异号电荷相互 吸引。根据电磁理论,正负电荷彼此将螺旋式的靠近,辐射出光谱范围宽广的光, 直到原子坍塌为止。接着,又是一个新秀 Niels bohr迈出了决定性的一步。1913 年,Bohr提出了一个激进的假设:原子中的电子只能处于包含基态在内的定态 上,电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量,同时辐射出一定波长的光,光的 波长取决于定态之间的能量差。结合已知的定律和这一离奇的假设,Bohr扫清 了原子稳定性的问题。Bohr的理论充满了矛盾,但是为氢原子光谱提供了定量 的描述。他认识到他的模型的成功之处和缺陷。凭借惊人的预见力,他聚集了 批物理学家创立了新的物理学。一代年轻的物理学家花了12年时间终于实现了 他的梦想。开始时,发展Bohr量子论(习惯上称为旧量子论)的尝试遭受了 次又一次的失败。接着一系列的进展完全改变了思想的进程。(待续) 量子物理百年回顾(二) 量子力学史 1923年 Louis de broglie在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为 应该是对应存在的。他将粒子的波长和动量联系起来:动量越大,波长越短。这 是一个引人入胜的想法,但没有人知道粒子的波动性意味着什么,也不知道它与 原子结构有何联系。然而 de broglie的假设是一个重要的前凑,很多事情就要发 生了 1924年夏天,出现了又一个前凑。 Satyendra N.Boe提出了一种全新的方法来解 释 Planck辐射定律。他把光看作一种无(静)质量的粒子(现称为光子)组成
解释诸如中子星和 Bose-Einstein 凝聚（在这种现象里气体中所有原子的行为象 一个单一的超大原子）等奇异的物质聚集形式。量子力学为所有的科学分支和每 一项高技术提供了关键的工具。量子物理实际上包含两个方面。一个是原子层次 的物质理论：量子力学；正是它我们才能理解和操纵物质世界。另一个是量子场 论，它在科学中起到一个完全不同的作用，稍后我们再回到它上面来。 旧量子论 量子革命的导火线不是对物质的研究，而是辐射问题。具体的挑战是理解黑体（即 某种热的物体）辐射的光谱。烤过火的人都很熟悉这样一种现象：热的物体发光， 越热发出的光越明亮。光谱的范围很广，当温度升高时，光谱的峰值从红线向黄 线移动，然后又向蓝线移动（这些不是我们能直接看见的）。 结合热力学和电磁学的概念似乎可以对光谱的形状作出解释，不过所有的尝试均 以失败告终。然而，Planck 假定振动电子辐射的光的能量是量子化的，从而得到 一个表达式，与实验符合得相当完美。但是他也充分认识到，理论本身是很荒唐 的，就像他后来所说的那样：“量子化只不过是一个走投无路的做法”。Planck 将 他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上，如果没有新秀 Albert Einstein， 量子物理恐怕要至此结束。 1905 年，他毫不犹豫的断定：如果振子的能量是量 子化的，那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。尽管 Maxwell 理论以及 一个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性，Einstein 的理论还是蕴含了光的 粒子性行为。随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值 时才能被吸收，这些能量就像是被一个个粒子携带着一样。光的波粒二象性取决 于你观察问题的着眼点，这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一，它成 为接下来 20 年中理论上的难题。辐射难题促成了通往量子理论的第一步，物质 悖论则促成了第二步。众所周知，原子包含正负两种电荷的粒子，异号电荷相互 吸引。根据电磁理论，正负电荷彼此将螺旋式的靠近，辐射出光谱范围宽广的光， 直到原子坍塌为止。接着，又是一个新秀 Niels Bohr 迈出了决定性的一步。1913 年，Bohr 提出了一个激进的假设：原子中的电子只能处于包含基态在内的定态 上，电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量，同时辐射出一定波长的光，光的 波长取决于定态之间的能量差。结合已知的定律和这一离奇的假设，Bohr 扫清 了原子稳定性的问题。Bohr 的理论充满了矛盾，但是为氢原子光谱提供了定量 的描述。他认识到他的模型的成功之处和缺陷。凭借惊人的预见力，他聚集了一 批物理学家创立了新的物理学。一代年轻的物理学家花了 12 年时间终于实现了 他的梦想。开始时，发展 Bohr 量子论（习惯上称为旧量子论）的尝试遭受了一 次又一次的失败。接着一系列的进展完全改变了思想的进程。（待续） 量子物理百年回顾（二） 量子力学史 1923 年 Louis de Broglie 在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为 应该是对应存在的。他将粒子的波长和动量联系起来：动量越大，波长越短。这 是一个引人入胜的想法，但没有人知道粒子的波动性意味着什么，也不知道它与 原子结构有何联系。然而 de Broglie 的假设是一个重要的前凑，很多事情就要发 生了。 1924 年夏天，出现了又一个前凑。Satyendra N. Bose 提出了一种全新的方法来解 释 Planck 辐射定律。他把光看作一种无（静）质量的粒子（现称为光子）组成
的气体,这种气体不遵循经典的 Boltzmann统计规律,而遵循一种建立在粒子不 可区分的性质(即全同性)上的一种新的统计理论。 Einstein立即将Bose的推理 应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规 律,即著名的Bose- Einstein分布。然而,在通常情况下新老理论将预测到原子 气体相同的行为。 Einstein在这方面再无兴趣,因此这些结果也被搁置了10多年。 然而,它的关键思想——粒子的全同性,是极其重要的。 突然,一系列事件纷至沓来,最后导致一场科学革命。从1925年元月到1928 年元月 Wolfgang pauli提出了不相容原理,为周期表奠定了理论基础。 Werner heisenberg、 Max born和 Pascual jordan提出了量子力学的第一个版本, 矩阵力学。人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理解原子中电 子的运动这一历史目标 Erwin schr? dinger提出了量子力学的第二种形式,波动力学。在波动力学中, 体系的状态用Schr? dinger方程的解—波函数来描述。矩阵力学和波动力学貌 似矛盾,实质上是等价的。 电子被证明遵循一种新的统计规律, Fermi- Dirac统计。人们进一步认识到所有 的粒子要么遵循 Ferml-Dirac统计,要么遵循Bose- Einstein统计,这两类粒子的 基本属性很不相同。 Heisenberg阐明测不准原理。 Paula. M. Dirac提出了相对论性的波动方程用来描述电子,解释了电子的自旋 并且预测了反物质 Dirac提出电磁场的量子描述,建立了量子场论的基础。 Bohr提出互补原理(一个哲学原理),试图解释量子理论中一些明显的矛盾, 特别是波粒二象性。 量子理论的主要创立者都是年轻人。1925年, Pauli25岁, Heisenberg和 Enrico Fermi24岁,Diac和 Jordan23岁。Schr? d inger是一个大器晚成者,36岁。Born 和Bohr年龄稍大一些,值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的。 Einstein的反 应反衬出量子力学这一智力成果深刻而激进的属性:他拒绝自己发明的导致量子 理论的许多关键的观念,他关于Bose- Einstein统计的论文是他对理论物理的最 后一项贡献,也是对物理学的最后一项重要贡献。 创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶, Lord Kelvin在祝贺Bohr1913 年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因。他说,Bohr的论文中有 很多真理是他所不能理解的。 Kelvin认为基本的新物理学必将出自无拘无束的头 脑 1928年,革命结束,量子力学的基础本质上已经建立好了。后来, abraham pais 以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命。其中有一段是这样的,1925 年, Samuel goudsmit和 George Uhlenbeck就提出了电子自旋的概念,Bohr对此 深表怀疑。10月Bohr乘火车前往荷兰的莱顿参加 Hendrik a. Lorentz的50岁生 日庆典,Pai在德国的汉堡格碰到Bohr并探询Bohr对电子自旋可能性的看法; Bohr用他那著名的低调评价的语言回答说,自旋这一提议是“非常,非常有趣 的”。后来, Einstein和 Paul ehrenfest在莱顿碰到了Bohr并讨论了自旋。Bohr 说明了自己的反对意见,但是 Einstein展示了自旋的一种方式并使Bohr成为自 旋的支持者。在Bohr的返程中,遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺 根时, Heisenberg和 Jordan接站并询问他的意见, Pauli也特意从汉堡格赶到柏
的气体，这种气体不遵循经典的 Boltzmann 统计规律，而遵循一种建立在粒子不 可区分的性质（即全同性）上的一种新的统计理论。Einstein 立即将 Bose 的推理 应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规 律，即著名的 Bose-Einstein 分布。然而，在通常情况下新老理论将预测到原子 气体相同的行为。Einstein 在这方面再无兴趣，因此这些结果也被搁置了 10 多年。 然而，它的关键思想——粒子的全同性，是极其重要的。 突然，一系列事件纷至沓来，最后导致一场科学革命。从 1925 年元月到 1928 年元月： · Wolfgang Pauli 提出了不相容原理，为周期表奠定了理论基础。 · Werner Heisenberg、Max Born 和 Pascual Jordan 提出了量子力学的第一个版本， 矩阵力学。人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理解原子中电 子的运动这一历史目标。 · Erwin Schr?dinger 提出了量子力学的第二种形式，波动力学。在波动力学中， 体系的状态用 Schr?dinger 方程的解-——波函数来描述。矩阵力学和波动力学貌 似矛盾，实质上是等价的。 · 电子被证明遵循一种新的统计规律，Fermi-Dirac 统计。人们进一步认识到所有 的粒子要么遵循 Fermi-Dirac 统计，要么遵循 Bose-Einstein 统计，这两类粒子的 基本属性很不相同。 · Heisenberg 阐明测不准原理。 · Paul A. M. Dirac 提出了相对论性的波动方程用来描述电子，解释了电子的自旋 并且预测了反物质。 · Dirac 提出电磁场的量子描述，建立了量子场论的基础。 · Bohr 提出互补原理（一个哲学原理），试图解释量子理论中一些明显的矛盾， 特别是波粒二象性。 量子理论的主要创立者都是年轻人。1925 年，Pauli 25 岁，Heisenberg 和 Enrico Fermi 24 岁，Dirac 和 Jordan 23 岁。Schr?dinger 是一个大器晚成者，36 岁。Born 和 Bohr 年龄稍大一些，值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的。Einstein 的反 应反衬出量子力学这一智力成果深刻而激进的属性：他拒绝自己发明的导致量子 理论的许多关键的观念，他关于 Bose-Einstein 统计的论文是他对理论物理的最 后一项贡献，也是对物理学的最后一项重要贡献。 创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶，Lord Kelvin 在祝贺 Bohr 1913 年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因。他说，Bohr 的论文中有 很多真理是他所不能理解的。Kelvin 认为基本的新物理学必将出自无拘无束的头 脑。 1928 年，革命结束，量子力学的基础本质上已经建立好了。后来，Abraham Pais 以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命。其中有一段是这样的，1925 年，Samuel Goudsmit 和 George Uhlenbeck 就提出了电子自旋的概念，Bohr 对此 深表怀疑。10 月 Bohr 乘火车前往荷兰的莱顿参加 Hendrik A. Lorentz 的 50 岁生 日庆典，Pauli 在德国的汉堡格碰到 Bohr 并探询 Bohr 对电子自旋可能性的看法； Bohr 用他那著名的低调评价的语言回答说，自旋这一提议是 “非常，非常有趣 的”。后来，Einstein 和 Paul Ehrenfest 在莱顿碰到了 Bohr 并讨论了自旋。Bohr 说明了自己的反对意见，但是 Einstein 展示了自旋的一种方式并使 Bohr 成为自 旋的支持者。在 Bohr 的返程中，遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺 根时，Heisenberg 和 Jordan 接站并询问他的意见，Pauli 也特意从汉堡格赶到柏
林接站。Bohr告诉他们自旋的发现是一重大进步。 量子力学的创建触发了科学的淘金热。早期的成果有:1927年 Heisenberg得到 了氦原子Schr? dinger方程的近似解,建立了原子结构理论的基础; John Slater Douglas Rayner Hartree,和 Vladimir Fock随后又提出了原子结构的一般计算技 巧; Fritz London和 Walter heitler解决了氢分子的结构,在此基础上, Linus pauling 建立了理论化学; Amold sommerfeld和Pali建立了金属电子理论的基础, Felix Bloch创立了能带结构理论; Heisenberg解释了铁磁性的起因。1928年 George Gamow解释了α放射性衰变的随机本性之谜,他表明a衰变是由量子力学的隧 道效应引起的。随后几年中, Hans bethe建立了核物理的基础并解释了恒星的能 量来源。随着这些进展,原子物理、分子物理、固体物理和核物理进入了现代物 理的时代。 量子力学要点 伴随着这些进展,围绕量子力学的阐释和正确性发生了许多争论。Bohr和 leisenberg是倡导者的重要成员,他们信奉新理论, Instein和Schr? dinger则对 新理论不满意。要理解这些混乱的原因,必须掌握量子理论的关键特征,总结如 下。(为了简明,我们只描述Schr? dinger的波动力学。) 基本描述:波函数。系统的行为用Schr? dinger方程描述,方程的解称为波函数。 系统的完整信息用它的波函数表述,通过波函数可以计算任意可观察量的可能 值。在空间给定体积内找到一个电子的概率正比于波函数幅值的平方,因此,粒 子的位置分布在波函数所在的体积内。粒子的动量依赖于波函数的斜率,波函数 越陡,动量越大。斜率是变化的,因此动量也是分布的。这样,有必要放弃位移 和速度能确定到任意精度的经典图象,而采纳一种模糊的概率图象,这也是量子 力学的核心。 对于同样一些系统进行同样精心的测量不一定产生同一结果,相反,结果分散在 波函数描述的范围内,因此,电子特定的位置和动量没有意义。这可由测不准原 理表述如下:要使粒子位置测得精确,波函数必须是尖峰型的,然而,尖峰必有 很陡的斜率,因此动量就分布在很大的范围内;相反,若动量有很小的分布,波 函数的斜率必很小,因而波函数分布于大范围内,这样粒子的位置就更加不确定 了。波的干涉。波相加还是相减取决于它们的相位,振幅同相时相加,反相时相 减。当波沿着几条路径从波源到达接收器,比如光的双缝干涉,一般会产生干涉 图样。粒子遵循波动方程,必有类似的行为,如电子衍射。至此,类推似乎是合 理的,除非要考察波的本性。波通常认为是媒质中的一种扰动,然而量子力学中 没有媒质,从某中意义上说根本就没有波,波函数本质上只是我们对系统信息的 种陈述。对称性和全同性。氦原子由两个电子围绕一个核运动而构成。氦原子 的波函数描述了每一个电子的位置,然而没有办法区分哪个电子究竟是哪个电 子,因此,电子交换后看不出体系有何变化,也就是说在给定位置找到电子的概 率不变。由于概率依赖于波函数的幅值的平方,因而粒子交换后体系的波函数与 原始波函数的关系只可能是下面的一种:要么与原波函数相同,要么改变符号, 即乘以-1。到底取谁呢? 量子力学令人惊诧的一个发现是电子的波函数对于电子交换变号。其结果是戏剧 性的,两个电子处于相同的量子态,其波函数相反,因此总波函数为零,也就是 说两个电子处于同一状态的概率为0,此即 Pauli不相容原理。所有半整数自旋 的粒子(包括电子)都遵循这一原理,并称为费米子。自旋为整数的粒子(包括
林接站。Bohr 告诉他们自旋的发现是一重大进步。 量子力学的创建触发了科学的淘金热。早期的成果有：1927 年 Heisenberg 得到 了氦原子 Schr?dinger 方程的近似解，建立了原子结构理论的基础；John Slater， Douglas Rayner Hartree, 和 Vladimir Fock 随后又提出了原子结构的一般计算技 巧；Fritz London 和 Walter Heitler 解决了氢分子的结构，在此基础上，Linus Pauling 建立了理论化学；Arnold Sommerfeld 和 Pauli 建立了金属电子理论的基础，Felix Bloch 创立了能带结构理论；Heisenberg 解释了铁磁性的起因。1928 年 George Gamow 解释了 α 放射性衰变的随机本性之谜，他表明 α 衰变是由量子力学的隧 道效应引起的。随后几年中，Hans Bethe 建立了核物理的基础并解释了恒星的能 量来源。随着这些进展，原子物理、分子物理、固体物理和核物理进入了现代物 理的时代。 量子力学要点 伴随着这些进展，围绕量子力学的阐释和正确性发生了许多争论。Bohr 和 Heisenberg 是倡导者的重要成员，他们信奉新理论，Einstein 和 Schr?dinger 则对 新理论不满意。要理解这些混乱的原因，必须掌握量子理论的关键特征，总结如 下。（为了简明，我们只描述 Schr?dinger 的波动力学。） 基本描述：波函数。系统的行为用 Schr?dinger 方程描述，方程的解称为波函数。 系统的完整信息用它的波函数表述，通过波函数可以计算任意可观察量的可能 值。在空间给定体积内找到一个电子的概率正比于波函数幅值的平方，因此，粒 子的位置分布在波函数所在的体积内。粒子的动量依赖于波函数的斜率，波函数 越陡，动量越大。斜率是变化的，因此动量也是分布的。这样，有必要放弃位移 和速度能确定到任意精度的经典图象，而采纳一种模糊的概率图象，这也是量子 力学的核心。 对于同样一些系统进行同样精心的测量不一定产生同一结果，相反，结果分散在 波函数描述的范围内，因此，电子特定的位置和动量没有意义。这可由测不准原 理表述如下：要使粒子位置测得精确，波函数必须是尖峰型的，然而，尖峰必有 很陡的斜率，因此动量就分布在很大的范围内；相反，若动量有很小的分布，波 函数的斜率必很小，因而波函数分布于大范围内，这样粒子的位置就更加不确定 了。波的干涉。波相加还是相减取决于它们的相位，振幅同相时相加，反相时相 减。当波沿着几条路径从波源到达接收器，比如光的双缝干涉，一般会产生干涉 图样。粒子遵循波动方程，必有类似的行为，如电子衍射。至此，类推似乎是合 理的，除非要考察波的本性。波通常认为是媒质中的一种扰动，然而量子力学中 没有媒质，从某中意义上说根本就没有波，波函数本质上只是我们对系统信息的 一种陈述。对称性和全同性。氦原子由两个电子围绕一个核运动而构成。氦原子 的波函数描述了每一个电子的位置，然而没有办法区分哪个电子究竟是哪个电 子，因此，电子交换后看不出体系有何变化，也就是说在给定位置找到电子的概 率不变。由于概率依赖于波函数的幅值的平方，因而粒子交换后体系的波函数与 原始波函数的关系只可能是下面的一种：要么与原波函数相同，要么改变符号， 即乘以－1。到底取谁呢？ 量子力学令人惊诧的一个发现是电子的波函数对于电子交换变号。其结果是戏剧 性的，两个电子处于相同的量子态，其波函数相反，因此总波函数为零，也就是 说两个电子处于同一状态的概率为 0，此即 Pauli 不相容原理。所有半整数自旋 的粒子（包括电子）都遵循这一原理，并称为费米子。自旋为整数的粒子（包括
光子)的波函数对于交换不变号,称为玻色子。电子是费米子,因而在原子中分 层排列;光由玻色子组成,所以激光光线呈现超强度的光束(本质上是一个量子 态)。最近,气体原子被冷却到量子状态而形成Bose- Einstein凝聚,这时体系 可发射超强物质束,形成原子激光。 这一观念仅对全同粒子适用,因为不同粒子交换后波函数显然不同。因此仅当粒 子体系是全同粒子时才显示出玻色子或费米子的行为。同样的粒子是绝对相同 的,这是量子力学最神秘的侧面之一,量子场论的成就将对此作出解释。 量子物理百年回顾(三) 争议与混乱 量子力学意味着什么?波函数到底是什么?测量是什么意思?这些问题在早期 都激烈争论过。直到1930年,Bohr和他的同事或多或少地提出了量子力学的标 准阐释,即哥本哈根阐释;其关键要点是通过Bohr的互补原理对物质和事件进 行概率描述,调和物质波粒二象性的矛盾。 Einstein不接受量子理论,他一直就 量子力学的基本原理同Bohr争论,直至1955年去世 关于量子力学争论的焦点是:究竟是波函数包含了体系的所有信息,还是有隐含 的因素(隐变量)决定了特定测量的结果。60年代中期 John s.Bel证明,如果 存在隐变量,那么实验观察到的概率应该在一个特定的界限之下,此即Bell不 等式。多数小组的实验结果与Bell不等式相悖,他们的数据断然否定了隐变量 存在的可能性。这样,大多数科学家对量子力学的正确性不再怀疑了。 然而,由于量子理论神奇的魔力,它的本质仍然吸引着人们的注意力。量子体系 的古怪性质起因于所谓的纠缠态,简单说来,量子体系(如原子)不仅能处于 系列的定态,也可以处于它们的叠加态。测量处于叠加态原子的某种性质(如能 量),一般说来,有时得到这一个值,有时得到另一个值。至此还没有出现任何 古怪。 但是可以构造处于纠缠态的双原子体系,使得两个原子共有相同的性质。当这两 个原子分开后,一个原子的信息被另一个共享(或者说是纠缠)。这一行为只有 量子力学的语言才能解释。这个效应太不可思议以至于只有少数活跃的理论和实 验机构在集中精力研究它,论题并不限于原理的研究,而是纠缠态的用途:纠缠 态已经应用于量子信息系统,也成为量子计算机的基础。 次革命 在20年代中期创立量子力学的狂热年代里,也在进行着另一场革命,量子物理 的另一个分支—量子场论的基础正在建立。不像量子力学的创立那样如暴风疾 雨般一挥而就,量子场论的创立经历了一段曲折的历史,一直延续到今天。尽管 量子场论是困难的,但它的预测精度是所有物理学科中最为精确的,同时,它也 为一些重要的理论领域的探索提供了范例。 激发提出量子场论的问题是电子从激发态跃迁到基态时原子怎样辐射光。1916 年, Einstein研究了这一过程,并称其为自发辐射,但他无法计算自发辐射系数。 解决这个问题需要发展电磁场(即光)的相对论量子理论。量子力学是解释物质 的理论,而量子场论正如其名,是研究场的理论,不仅是电磁场,还有后来发现 的其它场 1925年,Bom, Heisenberg和 Jordan发表了光的量子场论的初步想法,但关键 的一步是年轻且本不知名的物理学家Diac于1926年独自提出的场论。Diac的 理论有很多缺陷:难以克服的计算复杂性,预测出无限大量,并且显然和对应原
光子）的波函数对于交换不变号，称为玻色子。电子是费米子，因而在原子中分 层排列；光由玻色子组成，所以激光光线呈现超强度的光束（本质上是一个量子 态）。最近，气体原子被冷却到量子状态而形成 Bose-Einstein 凝聚，这时体系 可发射超强物质束，形成原子激光。 这一观念仅对全同粒子适用，因为不同粒子交换后波函数显然不同。因此仅当粒 子体系是全同粒子时才显示出玻色子或费米子的行为。同样的粒子是绝对相同 的，这是量子力学最神秘的侧面之一，量子场论的成就将对此作出解释。 量子物理百年回顾（三） 争议与混乱 量子力学意味着什么？波函数到底是什么？测量是什么意思？这些问题在早期 都激烈争论过。直到 1930 年，Bohr 和他的同事或多或少地提出了量子力学的标 准阐释，即哥本哈根阐释；其关键要点是通过 Bohr 的互补原理对物质和事件进 行概率描述，调和物质波粒二象性的矛盾。Einstein 不接受量子理论，他一直就 量子力学的基本原理同 Bohr 争论，直至 1955 年去世。 关于量子力学争论的焦点是：究竟是波函数包含了体系的所有信息，还是有隐含 的因素（隐变量）决定了特定测量的结果。60 年代中期 John S. Bell 证明，如果 存在隐变量，那么实验观察到的概率应该在一个特定的界限之下，此即 Bell 不 等式。多数小组的实验结果与 Bell 不等式相悖，他们的数据断然否定了隐变量 存在的可能性。这样，大多数科学家对量子力学的正确性不再怀疑了。 然而，由于量子理论神奇的魔力，它的本质仍然吸引着人们的注意力。量子体系 的古怪性质起因于所谓的纠缠态，简单说来，量子体系（如原子）不仅能处于一 系列的定态，也可以处于它们的叠加态。测量处于叠加态原子的某种性质（如能 量），一般说来，有时得到这一个值，有时得到另一个值。至此还没有出现任何 古怪。 但是可以构造处于纠缠态的双原子体系，使得两个原子共有相同的性质。当这两 个原子分开后，一个原子的信息被另一个共享（或者说是纠缠）。这一行为只有 量子力学的语言才能解释。这个效应太不可思议以至于只有少数活跃的理论和实 验机构在集中精力研究它，论题并不限于原理的研究，而是纠缠态的用途；纠缠 态已经应用于量子信息系统，也成为量子计算机的基础。 二次革命 在 20 年代中期创立量子力学的狂热年代里，也在进行着另一场革命，量子物理 的另一个分支——量子场论的基础正在建立。不像量子力学的创立那样如暴风疾 雨般一挥而就，量子场论的创立经历了一段曲折的历史，一直延续到今天。尽管 量子场论是困难的，但它的预测精度是所有物理学科中最为精确的，同时，它也 为一些重要的理论领域的探索提供了范例。 激发提出量子场论的问题是电子从激发态跃迁到基态时原子怎样辐射光。1916 年，Einstein 研究了这一过程，并称其为自发辐射，但他无法计算自发辐射系数。 解决这个问题需要发展电磁场（即光）的相对论量子理论。量子力学是解释物质 的理论，而量子场论正如其名，是研究场的理论，不仅是电磁场，还有后来发现 的其它场。 1925 年，Born，Heisenberg 和 Jordan 发表了光的量子场论的初步想法，但关键 的一步是年轻且本不知名的物理学家 Dirac 于 1926 年独自提出的场论。Dirac 的 理论有很多缺陷：难以克服的计算复杂性，预测出无限大量，并且显然和对应原
理矛盾。 40年代晚期,量子场论出现了新的进展, Richard Feynman, Julian Schwinger和 Sin-Itiro tomonaga提出了量子电动力学(缩写为QED)。他们通过重整化的办 法回避无穷大量,其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程 复杂,无法找到精确解,所以通常用级数来得到近似解,不过级数项越来越难算, 虽然级数项依次减小,但是总结果在某项后开始增大,以至于近似过程失败。尽 管存在这一危险,QED仍被列入物理学史上最成功的理论之一,用它预测电子 和磁场的作用强度与实验可靠值仅差2/1,0000000 尽管QED取得了超凡的成功,它仍然充满谜团。对于虚空空间(真空),理论 似乎提供了荒谬的看法,它表明真空不空,它到处充斥着小的电磁涨落。这些小 的涨落是解释自发辐射的关键,并且,它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质 产生可测量的变化。虽然QED是古怪的,但其有效性是为许多已有的最精确的 实验所证实的。对于我们周围的低能世界,量子力学已足够精确,但对于高能世 界,相对论效应作用显著,需要更全面的处理办法,量子场论的创立调和了量子 力学和狭义相对论的矛盾。量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关 的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米子这两类基本粒子,它 们的性质与内稟自旋有何关系:它能描述粒子(包括光子,电子,正电子即反电 子)是怎样产生和湮灭的:它解释了量子力学中神秘的全同性,全同粒子是绝对 相同的是因为它们来自于相同的基本场;它不仅解释了电子,还解释了μ子,τ 子及其反粒子等轻子。QED是一个关于轻子的理论,它不能描述被称为强子的 复杂粒子,它们包括质子、中子和大量的介子。对于强子,提出了一个比QED 更一般的理论,称为量子色动力学(QCD)。 QED和QCD之间存在很多类似:电子是原子的组成要素,夸克是强子的组成要 素;在QED中,光子是传递带电粒子之间作用的媒介,在QCD中,胶子是传 递夸克之间作用的媒介。尽管QED和QCD之间存在很多对应点,它们仍有重 大的区别。与轻子和光子不同,夸克和胶子永远被幽禁在强子内部,它们不能被 解放出来孤立存在。 QED和QCD构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有 的粒子实验,然而许多物理学家认为它是不完备的,因为粒子的质量,电荷以及 其它属性的数据还要来自实验;一个理想的理论应该能给出这一切。 今天,寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点,使人不自觉地想起创造 量子力学那段狂热的奇迹般的日子,其成果的影响将更加深远。现在必须努力寻 求引力的量子描述,半个世纪的努力表明,QED的杰作—电磁场的量子化程 序对于引力场失效。问题是严重的,因为如果广义相对论和量子力学都成立的话, 它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在我们周围世界中不会有任何矛 盾,因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略,经典描述 足够完美:但对于黑洞这样引力非常强的体系,我们没有可靠的办法预测其量子 行为。 个世纪以前,我们所理解的物理世界是经验性的:20世纪,量子力学给我们 提供了一个物质和场的理论,它改变了我们的世界;展望21世纪,量子力学将 继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为 量子力学为我们周围的世界提供了精确的完整的理论;然而,今日物理学与1900 年的物理学有很大的共同点:它仍旧保留了基本的经验性,我们不能彻底预测组 成物质的基本要素的属性,仍然需要测量它们
理矛盾。 40 年代晚期，量子场论出现了新的进展，Richard Feynman，Julian Schwinger 和 Sin-Itiro Tomonaga 提出了量子电动力学（缩写为 QED）。他们通过重整化的办 法回避无穷大量，其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程 复杂，无法找到精确解，所以通常用级数来得到近似解，不过级数项越来越难算。 虽然级数项依次减小，但是总结果在某项后开始增大，以至于近似过程失败。尽 管存在这一危险，QED 仍被列入物理学史上最成功的理论之一，用它预测电子 和磁场的作用强度与实验可靠值仅差 2/1,000,000,000,000。 尽管 QED 取得了超凡的成功，它仍然充满谜团。对于虚空空间（真空），理论 似乎提供了荒谬的看法，它表明真空不空，它到处充斥着小的电磁涨落。这些小 的涨落是解释自发辐射的关键，并且，它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质 产生可测量的变化。虽然 QED 是古怪的，但其有效性是为许多已有的最精确的 实验所证实的。对于我们周围的低能世界，量子力学已足够精确，但对于高能世 界，相对论效应作用显著，需要更全面的处理办法，量子场论的创立调和了量子 力学和狭义相对论的矛盾。量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关 的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米子这两类基本粒子，它 们的性质与内稟自旋有何关系；它能描述粒子（包括光子，电子，正电子即反电 子）是怎样产生和湮灭的；它解释了量子力学中神秘的全同性，全同粒子是绝对 相同的是因为它们来自于相同的基本场；它不仅解释了电子，还解释了 μ 子，τ 子及其反粒子等轻子。QED 是一个关于轻子的理论，它不能描述被称为强子的 复杂粒子，它们包括质子、中子和大量的介子。对于强子，提出了一个比 QED 更一般的理论，称为量子色动力学（QCD）。 QED 和 QCD 之间存在很多类似：电子是原子的组成要素，夸克是强子的组成要 素；在 QED 中，光子是传递带电粒子之间作用的媒介，在 QCD 中，胶子是传 递夸克之间作用的媒介。尽管 QED 和 QCD 之间存在很多对应点，它们仍有重 大的区别。与轻子和光子不同，夸克和胶子永远被幽禁在强子内部，它们不能被 解放出来孤立存在。 QED 和 QCD 构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有 的粒子实验，然而许多物理学家认为它是不完备的，因为粒子的质量，电荷以及 其它属性的数据还要来自实验；一个理想的理论应该能给出这一切。 今天，寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点，使人不自觉地想起创造 量子力学那段狂热的奇迹般的日子，其成果的影响将更加深远。现在必须努力寻 求引力的量子描述，半个世纪的努力表明，QED 的杰作——电磁场的量子化程 序对于引力场失效。问题是严重的，因为如果广义相对论和量子力学都成立的话， 它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在我们周围世界中不会有任何矛 盾，因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略，经典描述 足够完美；但对于黑洞这样引力非常强的体系，我们没有可靠的办法预测其量子 行为。 一个世纪以前，我们所理解的物理世界是经验性的；20 世纪，量子力学给我们 提供了一个物质和场的理论，它改变了我们的世界；展望 21 世纪，量子力学将 继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为 量子力学为我们周围的世界提供了精确的完整的理论；然而，今日物理学与 1900 年的物理学有很大的共同点：它仍旧保留了基本的经验性，我们不能彻底预测组 成物质的基本要素的属性，仍然需要测量它们
或许,超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论,它是量子场论的推广 通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体来消除所有的无穷大量。无论结果何 如,从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动 力。从现在开始的一个世纪,不断地追寻这个梦,其结果将使我们所有的想象成 为现实。 (完2000/18)
或许，超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论，它是量子场论的推广， 通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体来消除所有的无穷大量。无论结果何 如，从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动 力。从现在开始的一个世纪，不断地追寻这个梦，其结果将使我们所有的想象成 为现实。 （完 2000/11/8）