量子物理百年回顾 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 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:量孑理论昰科茡史上能最精确地被 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 905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-Pet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 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—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-一个单-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,他亳不犹豫的断定: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 勺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,辐射岀光谱范围宽广的光,直到原子坍塌为止。接着,又是一个新量子物理百年回顾 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