量子力学的基础和应用 对于许多人来说,也许量子力学比相对论更为有用。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转化以及大尺度的时空结构, 但对于20世纪人类的生产生活,原子层次的世界显得更为重要。30年代,量子力学用于固体物理,建立了凝聚态物理学 又用于分子物理,建立了量子化学。在此之上,材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展,为深刻影响20世纪人们生 活方式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。在20世纪上半期,量子力学深入到微观世界,发展了原子核 结构与动力学理论,提出了关于原子核结构的壳层模型和集体模型,研究了原子核的主要反应如α、β、γ嬗变过程。在天体物 理中,必须要用到量子力学。对于那些密度很大的天体,如白矮星、中子星,当核燃料耗尽时,恒星的引力将使它坍缩,高 密度天体的的费米温度很高,比恒星实际温度高得多,白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压抗衡了引力,此时量子 力学效应对于星体的形成起了决定性的作用。对于黑洞,其附近的狄拉克真空正负能级会发生交错,因此有些负能粒子将可 能通过隧道效应穿透禁区成为正能粒子,飞向远方。黑洞的量子力学效应很有意义,值得研究。 尽管量子力学取得了巨大成功,但是由于相对于牛顿力学而言,量子力学与常识的决裂更为彻底,因此对于量子力学的基础 仍旧存在着许多争论,正如玻尔所说:“谁不为量子力学震惊,谁就不懂量子力学。爱因斯坦和玻尔在20世纪上半期关于量 子力学是否自恰与完备展开了大讨论,引发了一系列关于量子力学基础的工作,如隐变量理论、贝尔定理、薛定谔猫态实验 等,这些工作使得我们看到理解量子力学的艰难 量子力学的应用,一方面让我们感觉到现实世界丰富多彩的离奇特性,另一方面反过来也促进我们对量子力学基础的理解。 20世纪下半期,量子力学在基础和应用研究上又焕发出了青春。对超导本质、真空的卡西米尔效应、分数与整数量子霍尔效 应、A-B效应和几何相因子、玻色-爱因斯坦凝聚和原子激光等的研究,极大地丰富了人们对物理世界的认识,而对这些效 应和技术的研究,必将对21世纪的科学进步产生深远意义的影响。量子力学向纵深发展量子力学是单粒子的运动理论,在高 情形下,粒子会产生、湮灭,涉及到多粒子,因而需把量子力学发展成为量子场论,第一个用于研究相互作用的量子场论 是量子电动力学。量子电动力学研究电子与光子的量子碰撞,它是在三四十年代从研究氢原子的超精细结构-兰姆移动及电 子反常磁矩的基础上建立起来的。由费曼等人发展起来的路径积分量子化方法是研究相互作用场量子化的得力工具,运用 它,散射矩阵和反应截面的计算成为可能。量子场论是个空框架,必须引入相互作用,才能描述相互作用粒子的产生和转 化、研究其本质,这就是规范场论的任务。量子场论和规范场论是量子力学向纵深发展的结果。量子电动力学具有U(群 (—种可交换的内部对称群)的定域规范对称性。把带电粒子波函数的定域相位变化一下,同时电磁势作相应的变换,发现 为了保持理论具有这种变换的不变性,必须引入带电粒子与电磁场(—种规范场)的耦合项。当时在微观世界,除了电磁力 卟,还有控制核子聚在一起的强力和控制原子核衰变的弱力,这些相互作用满足怎样的动力学方程,需要有一—个第-性原理 来解决。 954年,杨振宁和米尔斯把定域规范不变的理论推广到内部对称的不可交换群,引入非阿贝尔规范场。杨-米尔斯的理论决 定了相互作用的基本形式,成为理论物理中继相对论罗伦兹变换之后的最重要的变换形式。洛伦兹变换是时空变换,规范变 换是内部空间变换,它们分别从外部和内部决定物质运动和相互作用的形式。六七十年代的工作,包括1964年发现真空对称 性自发破缺使规范场得到质量的黑格斯杋制,1967年法捷耶夫和波波夫用路径积分量子化方法首次得到正确的规范场量子化 方案,1971年特胡夫特等人证明了规范场理论的可重整性,并提出了一种切实可计算的维数正规化方案,以上工作使得量 子规范理论成为成熟的理论。 在规范场论和粒子物理实验、基本粒子结构(三代轻子和三代夸克)研究的基础上,六七十年代还提岀了特殊的规范场论 —弱电统一理论和量子色动力学。由于在1979年找到了传递色(强)力作用的胶子存在的证据,在1984年发现了存在传 弱相互作用的中间玻色子W±和Z0,所以我们深信:描述弱相互作用和电磁相互作用的统一理论是SU(2)xU(1)规范场模 型,描述强相互作用的理论是SU(3)规范场模型。这两个模型统称标准模型。物理学家已在1995年找到了它们所预言的最 重的夸克(顶夸克)的存在证据,所预言的最后一个基本粒子(τ子型中微子)也已在2000年找到。特胡夫特等的工作也被 授予1999年诺贝尔物理学奖。标准模型取得的一再成功使得它成为目前公认最好的关于物质结构、物质运动和相互作用的理 量子力学和量子场论使得人类对真空的性质也有了更为本质的看法。过去真空被认为是空无一物的,自从狄拉克提出真空 是“负能粒子的海洋之后,真空就被看作是粒子之源了。真空具有许多效应,如反映真空具有零点能量的卡西米尔效应、真 空极化导致氢光谱兰姆移动(氢原子的超精细结构)、激态原子与零点真空作用导致原孑自发辐射等。真空作为量子场的基 态,具有普适的对称性。60年代,南部和歌德斯通发现量子场论真空会发生自发对称破缺,70年代玻利亚可夫等发现真空 的拓扑结构。目前已能对真空可以进行局域性的操作,真空上升到研究相互作用主体的地位 具有整整一百年历史的量子力学对于20世纪的科学技术具有革命性的影响。正是因为其影响深远,所以在这世纪之交,其带 给我们的悬而未决的谜也就更多更难。李政道认为20世纪末期存在如下的物理之谜:夸克幽禁、暗物质、对称破缺、真空性 质等。此外,解决诸如质量起源、电荷本质、量子引力、基本粒子世代重复之谜等也必将引发新的物理学进展。为了探索物 质世界的深刻本质,大统一理论、超对称、超引力、超弦理论等也在发展之中。它们或许就是新的革命的前奏。尽管不知道 能否再发生象量子力学诞生那样的革命,但是未来的100年绝对是让物理学家忙碌的100年,而这些新概念、新理论、新技 术对未来人类的观念和生活的巨大影响,恐还不能处于目前我们的掌控之中
量子力学的基础和应用 对于许多人来说，也许量子力学比相对论更为有用。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转化以及大尺度的时空结构， 但对于 20 世纪人类的生产生活，原子层次的世界显得更为重要。 30 年代，量子力学用于固体物理，建立了凝聚态物理学， 又用于分子物理，建立了量子化学。在此之上，材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展，为深刻影响 20 世纪人们生 活方式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。在 20 世纪上半期，量子力学深入到微观世界，发展了原子核 结构与动力学理论，提出了关于原子核结构的壳层模型和集体模型，研究了原子核的主要反应如α、β、γ嬗变过程。在天体物 理中，必须要用到量子力学。对于那些密度很大的天体，如白矮星、中子星，当核燃料耗尽时，恒星的引力将使它坍缩，高 密度天体的的费米温度很高，比恒星实际温度高得多，白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压抗衡了引力，此时量子 力学效应对于星体的形成起了决定性的作用。对于黑洞，其附近的狄拉克真空正负能级会发生交错，因此有些负能粒子将可 能通过隧道效应穿透禁区成为正能粒子，飞向远方。黑洞的量子力学效应很有意义，值得研究。 尽管量子力学取得了巨大成功，但是由于相对于牛顿力学而言，量子力学与常识的决裂更为彻底，因此对于量子力学的基础 仍旧存在着许多争论，正如玻尔所说：“谁不为量子力学震惊，谁就不懂量子力学。”爱因斯坦和玻尔在 20 世纪上半期关于量 子力学是否自恰与完备展开了大讨论，引发了一系列关于量子力学基础的工作，如隐变量理论、贝尔定理、薛定谔猫态实验 等，这些工作使得我们看到理解量子力学的艰难。 量子力学的应用，一方面让我们感觉到现实世界丰富多彩的离奇特性，另一方面反过来也促进我们对量子力学基础的理解。 20 世纪下半期，量子力学在基础和应用研究上又焕发出了青春。对超导本质、真空的卡西米尔效应、分数与整数量子霍尔效 应、 A-B 效应和几何相因子、玻色－爱因斯坦凝聚和原子激光等的研究，极大地丰富了人们对物理世界的认识，而对这些效 应和技术的研究，必将对 21 世纪的科学进步产生深远意义的影响。量子力学向纵深发展量子力学是单粒子的运动理论，在高 能情形下，粒子会产生、湮灭，涉及到多粒子，因而需把量子力学发展成为量子场论，第一个用于研究相互作用的量子场论 是量子电动力学。量子电动力学研究电子与光子的量子碰撞，它是在三四十年代从研究氢原子的超精细结构 - 兰姆移动及电 子反常磁矩的基础上建立起来的。由费曼等人发展起来的路径积分量子化方法是研究相互作用场量子化的得力工具，运用 它，散射矩阵和反应截面的计算成为可能。量子场论是个空框架，必须引入相互作用，才能描述相互作用粒子的产生和转 化、研究其本质，这就是规范场论的任务。量子场论和规范场论是量子力学向纵深发展的结果。量子电动力学具有 U(1) 群 （一种可交换的内部对称群）的定域规范对称性。把带电粒子波函数的定域相位变化一下，同时电磁势作相应的变换，发现 为了保持理论具有这种变换的不变性，必须引入带电粒子与电磁场（一种规范场）的耦合项。当时在微观世界，除了电磁力 外，还有控制核子聚在一起的强力和控制原子核衰变的弱力，这些相互作用满足怎样的动力学方程，需要有一个第一性原理 来解决。 1954 年，杨振宁和米尔斯把定域规范不变的理论推广到内部对称的不可交换群，引入非阿贝尔规范场。杨－米尔斯的理论决 定了相互作用的基本形式，成为理论物理中继相对论罗伦兹变换之后的最重要的变换形式。洛伦兹变换是时空变换，规范变 换是内部空间变换，它们分别从外部和内部决定物质运动和相互作用的形式。六七十年代的工作，包括 1964 年发现真空对称 性自发破缺使规范场得到质量的黑格斯机制， 1967 年法捷耶夫和波波夫用路径积分量子化方法首次得到正确的规范场量子化 方案， 1971 年特·胡夫特等人证明了规范场理论的可重整性，并提出了一种切实可计算的维数正规化方案，以上工作使得量 子规范理论成为成熟的理论。 在规范场论和粒子物理实验、基本粒子结构（三代轻子和三代夸克）研究的基础上，六七十年代还提出了特殊的规范场论 ——弱电统一理论和量子色动力学。由于在 1979 年找到了传递色（强）力作用的胶子存在的证据，在 1984 年发现了存在传 递弱相互作用的中间玻色子 W± 和 Z0 ，所以我们深信：描述弱相互作用和电磁相互作用的统一理论是 SU(2)×U(1) 规范场模 型， 描述强相互作用的理论是 SU(3) 规范场模型。这两个模型统称标准模型。物理学家已在 1995 年找到了它们所预言的最 重的夸克（顶夸克）的存在证据，所预言的最后一个基本粒子（τ 子型中微子）也已在 2000 年找到。特·胡夫特等的工作也被 授予 1999 年诺贝尔物理学奖。标准模型取得的一再成功使得它成为目前公认最好的关于物质结构、物质运动和相互作用的理 论。 量子力学和量子场论使得人类对真空的性质也有了更为本质的看法。过去真空被认为是空无一物的，自从狄拉克提出真空 是“负能粒子的海洋”之后，真空就被看作是粒子之源了。真空具有许多效应，如反映真空具有零点能量的卡西米尔效应、真 空极化导致氢光谱兰姆移动（氢原子的超精细结构）、激态原子与零点真空作用导致原子自发辐射等。真空作为量子场的基 态，具有普适的对称性。 60 年代，南部和歌德斯通发现量子场论真空会发生自发对称破缺， 70 年代玻利亚可夫等发现真空 的拓扑结构。目前已能对真空可以进行局域性的操作，真空上升到研究相互作用主体的地位。 具有整整一百年历史的量子力学对于 20 世纪的科学技术具有革命性的影响。正是因为其影响深远，所以在这世纪之交，其带 给我们的悬而未决的谜也就更多更难。李政道认为 20 世纪末期存在如下的物理之谜：夸克幽禁、暗物质、对称破缺、真空性 质等。此外，解决诸如质量起源、电荷本质、量子引力、基本粒子世代重复之谜等也必将引发新的物理学进展。为了探索物 质世界的深刻本质，大统一理论、超对称、超引力、超弦理论等也在发展之中。它们或许就是新的革命的前奏。尽管不知道 能否再发生象量子力学诞生那样的革命，但是未来的 100 年绝对是让物理学家忙碌的 100 年，而这些新概念、新理论、新技 术对未来人类的观念和生活的巨大影响，恐还不能处于目前我们的掌控之中
