量子物理學:研究微觀世界結構的工具-中文百科頻道

簡介

量子物理學是人們研究微觀世界的理論，也有人稱為研究量子現象的物理學。由于宏觀物體是由微觀世界建構而成的，因此量子物理學不僅是研究微觀世界結構的工具，而且在深入研究宏觀物體的微結構和特殊的物理性質中也發揮着巨大作用。我們把科學家們在研究原子、分子、原子核、基本粒子時所觀察到的關于微觀世界的系列特殊的物理現象稱為量子現象。

量子世界除了其線度極其微小之外（10-10～10-15m量級），另一個主要特征是它們所涉及的許多宏觀世界所對應的物理量往往不能取連續變化的值，（如：坐标、動量、能量、角動量、自旋），甚至取值不确定。許多實驗事實表明，量子世界滿足的物理規律不再是經典的牛頓力學，而是量子物理學。

建立

量子物理學是在20世紀初，物理學家們在研究微觀世界（原子、分子、原子核…）的結構和運動規律的過程中，逐步建立起來的。

量子概念是1900年普朗克首先提出的，期間，經過玻爾、德布羅意、玻恩、海森柏、薛定谔、狄拉克、愛因斯坦等許多物理大師的創新努力，到20世紀30年代，初步建立了一套完整的量子力學理論。

基本特征

盡管量子力學是為描述遠離我們的日常生活經驗的抽象原子世界而創立的，但它對日常生活的影響無比巨大。沒有量子力學作為工具，就不可能有化學、生物、醫學以及其他每一個關鍵學科的引人入勝的進展。沒有量子力學就沒有全球經濟可言，因為作為量子力學的産物的電子學革命将我們帶入了計算機時代。同時，光子學的革命也将我們帶入信息時代。量子物理的傑作改變了我們的世界，科學革命為這個世界帶來了的福音，也帶來了潛在的威脅。

獨特地位：量子理論是科學史上能最精确地被實驗檢驗的理論，是科學史上最成功的理論。量子力學深深地困擾了它的創立者，然而，直到它本質上被表述成通用形式的今天，一些科學界的精英們盡管承認它強大的威力，卻仍然對它的基礎和基本闡釋不滿意。

馬克斯·普朗克（MaxPlanck）提出量子概念100多年了，在他關于熱輻射的經典論文中，普朗克假定振動系統的總能量不能連續改變，而是以不連續的能量子形式從一個值跳到另一個值。能量子的概念太激進了，普朗克後來将它擱置下來。随後，愛因斯坦在1905年（這一年對他來說是非凡的一年）認識到光量子化的潛在意義。不過量子的觀念太離奇了，後來幾乎沒有根本性的進展。現代量子理論的創立則是嶄新的一代物理學家花了20多年時間建立的。

内容

量子物理實際上包含兩個方面。一個是原子層次的物質理論：量子力學，正是它我們才能理解和操縱物質世界；另一個是量子場論，它在科學中起到一個完全不同的作用。

舊量子論

量子革命的導火線不是對物質的研究，而是輻射問題。具體的挑戰是理解黑體（即某種熱的物體）輻射的光譜。烤過火的人都很熟悉這樣一種現象：熱的物體發光，越熱發出的光越明亮。光譜的範圍很廣，當溫度升高時，光譜的峰值從紅線向黃線移動，然後又向藍線移動（這些不是我們能直接看見的）。結合熱力學和電磁學的概念似乎可以對光譜的形狀作出解釋，不過所有的嘗試均以失敗告終。然而，普朗克假定振動電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一個表達式，與實驗符合得相當完美。但是他也充分認識到，理論本身是很荒唐的，就像他後來所說的那樣：“量子化隻不過是一個走投無路的做法”。

普朗克将他的量子假設應用到輻射體表面振子的能量上，如果沒有新秀阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein），量子物理恐怕要至此結束。1905年，他毫不猶豫的斷定：如果振子的能量是量子化的，那麼産生光的電磁場的能量也應該是量子化的。盡管麥克斯韋理論以及一個多世紀的權威性實驗都表明光具有波動性，愛因斯坦的理論還是蘊含了光的粒子性行為。随後十多年的光電效應實驗顯示僅當光的能量到達一些離散的量值時才能被吸收，這些能量就像是被一個個粒子攜帶着一樣。光的波粒二象性取決于你觀察問題的着眼點，這是始終貫穿于量子物理且令人頭痛的實例之一，它成為接下來20年中理論上的難題。

輻射難題促成了通往量子理論的第一步，物質悖論則促成了第二步。衆所周知，原子包含正負兩種電荷的粒子，異号電荷相互吸引。根據電磁理論，正負電荷彼此将螺旋式的靠近，輻射出光譜範圍寬廣的光，直到原子坍塌為止。

接着，尼爾斯·玻爾（NielsBohr）邁出了決定性的一步。1913年，玻爾提出了一個激進的假設：原子中的電子隻能處于包含基态在内的定态上，電子在兩個定态之間躍遷而改變它的能量，同時輻射出一定波長的光，光的波長取決于定态之間的能量差。結合已知的定律和這一離奇的假設，玻爾掃清了原子穩定性的問題。玻爾的理論充滿了矛盾，但是為氫原子光譜提供了定量的描述。他認識到他的模型的成功之處和缺陷。憑借驚人的預見力，他聚集了一批物理學家創立了新的物理學。一代年輕的物理學家花了12年時間終于實現了他的夢想。

開始時，發展玻爾量子論（習慣上稱為舊量子論）的嘗試遭受了一次又一次的失敗。接着一系列的進展完全改變了思想的進程。

發展史

1923年路易·德布羅意（LouisdeBroglie）在他的博士論文中提出光的粒子行為與粒子的波動行為應該是對應存在的。他将粒子的波長和動量聯系起來：動量越大，波長越短。這是一個引人入勝的想法，但沒有人知道粒子的波動性意味着什麼，也不知道它與原子結構有何聯系。然而德布羅意的假設是一個重要的前奏，很多事情就要發生了。

1924年夏天，出現了又一個前奏。薩地揚德拉·N·玻色（SatyendraN.Bose）提出了一種全新的方法來解釋普朗克輻射定律。他把光看作一種無（靜）質量的粒子（現稱為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經典的玻耳茲曼統計規律，而遵循一種建立在粒子不可區分的性質（即全同性）上的一種新的統計理論。愛因斯坦立即将玻色的推理應用于實際的有質量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數關于能量的分布規律，即著名的玻色-愛因斯坦分布。然而，在通常情況下新老理論将預測到原子氣體相同的行為。愛因斯坦在這方面再無興趣，因此這些結果也被擱置了10多年。然而，它的關鍵思想——粒子的全同性，是極其重要的。

沃爾夫剛·泡利（WolfgangPauli）提出了不相容原理，為周期表奠定了理論基礎。

韋納·海森堡（WernerHeisenberg）、馬克斯·玻恩（MaxBorn）和帕斯庫爾·約當（PascualJordan）提出了量子力學的第一個版本，矩陣力學。人們終于放棄了通過系統的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運動這一曆史目标。

埃爾溫·薛定谔（ErwinSchrodinger）提出了量子力學的第二種形式，波動力學。在波動力學中，體系的狀态用薛定谔方程的解——波函數來描述。矩陣力學和波動力學貌似矛盾，實質上是等價的。

電子被證明遵循一種新的統計規律，費米-狄拉克統計。人們進一步認識到所有的粒子要麼遵循費米-狄拉克統計，要麼遵循玻色-愛因斯坦統計，這兩類粒子的基本屬性很不相同。

海森堡闡明測不準原理。

保爾·A·M·狄拉克（PaulA.M.Dirac）提出了相對論性的波動方程用來描述電子，解釋了電子的自旋并且預測了反物質。

狄拉克提出電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎。

玻爾提出互補原理（一個哲學原理），試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，特别是波粒二象性。

量子理論的主要創立者都是年輕人。1925年，泡利25歲，海森堡和恩裡克·費米（EnricoFermi）24歲，狄拉克和約當23歲。薛定谔是一個大器晚成者，36歲。玻恩和玻爾年齡稍大一些，值得一提的是他們的貢獻大多是闡釋性的。愛因斯坦的反應反襯出量子力學這一智力成果深刻而激進的屬性：他拒絕自己發明的導緻量子理論的許多關鍵的觀念，他關于玻色-愛因斯坦統計的論文是他對理論物理的最後一項貢獻，也是對物理學的最後一項重要貢獻。

創立量子力學需要新一代物理學家并不令人驚訝，開爾文爵士在祝賀玻爾1913年關于氫原子的論文的一封書信中表述了其中的原因。他說，玻爾的論文中有很多真理是他所不能理解的。開爾文認為基本的新物理學必将出自無拘無束的頭腦。

1928年，革命結束，量子力學的基礎本質上已經建立好了。後來，AbrahamPais以轶事的方式記錄了這場以狂熱的節奏發生的革命。其中有一段是這樣的：1925年，SamuelGoudsmit和GeorgeUhlenbeck就提出了電子自旋的概念，玻爾對此深表懷疑。10月玻爾乘火車前往荷蘭的萊頓參加亨德裡克·A·洛倫茲（HendrikA.Lorentz）的50歲生日慶典，泡利在德國的漢堡碰到玻爾并探詢玻爾對電子自旋可能性的看法；玻爾用他那著名的低調評價的語言回答說，自旋這一提議是“非常，非常有趣的”。後來，愛因斯坦和PaulEhrenfest在萊頓碰到了玻爾并讨論了自旋。玻爾說明了自己的反對意見，但是愛因斯坦展示了自旋的一種方式并使玻爾成為自旋的支持者。在玻爾的返程中，遇到了更多的讨論者。當火車經過德國的哥挺根時，海森堡和約當接站并詢問他的意見，泡利也特意從漢堡格趕到柏林接站。玻爾告訴他們自旋的發現是一重大進步。（按：看到歐洲科學家之間坦誠而熱烈的交流，我們會得到什麼啟示嗎？）

量子力學的創建觸發了科學的淘金熱。早期的成果有：1927年海森堡得到了氦原子薛定谔方程的近似解，建立了原子結構理論的基礎；JohnSlater，DouglasRaynerHartree，和VladimirFock随後又提出了原子結構的一般計算技巧；FritzLondon和WalterHeitler解決了氫分子的結構，在此基礎上，LinusPauling建立了理論化學；ArnoldSommerfeld和泡利建立了金屬電子理論的基礎，FelixBloch創立了能帶結構理論；海森堡解釋了鐵磁性的起因。1928年GeorgeGamow解釋了α放射性衰變的随機本性之謎，他表明α衰變是由量子力學的隧道效應引起的。随後幾年中，HansBethe建立了核物理的基礎并解釋了恒星的能量來源。随着這些進展，原子物理、分子物理、固體物理和核物理進入了現代物理的時代。

要點

伴随着這些進展，圍繞量子力學的闡釋和正确性發生了許多争論。玻爾和海森堡是倡導者的重要成員，他們信奉新理論，愛因斯坦和薛定谔則對新理論不滿意。

基本描述：波函數。系統的行為用薛定谔方程描述，方程的解稱為波函數。系統的完整信息用它的波函數表述，通過波函數可以計算任意可觀察量的可能值。在空間給定體積内找到一個電子的概率正比于波函數幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函數所在的體積内。粒子的動量依賴于波函數的斜率，波函數越陡，動量越大。斜率是變化的，因此動量也是分布的。這樣，有必要放棄位移和速度能确定到任意精度的經典圖象，而采納一種模糊的概率圖象，這也是量子力學的核心。

對于同樣一些系統進行同樣精心的測量不一定産生同一結果，相反，結果分散在波函數描述的範圍内，因此，電子特定的位置和動量沒有意義。這可由測不準原理表述如下：要使粒子位置測得精确，波函數必須是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此動量就分布在很大的範圍内；相反，若動量有很小的分布，波函數的斜率必很小，因而波函數分布于大範圍内，這樣粒子的位置就更加不确定了。

波的幹涉：波相加還是相減取決于它們的相位，振幅同相時相加，反相時相減。當波沿着幾條路徑從波源到達接收器，比如光的雙縫幹涉，一般會産生幹涉圖樣。粒子遵循波動方程，必有類似的行為，如電子衍射。至此，類推似乎是合理的，除非要考察波的本性。波通常認為是媒質中的一種擾動，然而量子力學中沒有媒質，從某中意義上說根本就沒有波，波函數本質上隻是我們對系統信息的一種陳述。

對稱性和全同性：氦原子由兩個電子圍繞一個核運動而構成。氦原子的波函數描述了每一個電子的位置，然而沒有辦法區分哪個電子究竟是哪個電子，因此，電子交換後看不出體系有何變化，也就是說在給定位置找到電子的概率不變。由于概率依賴于波函數的幅值的平方，因而粒子交換後體系的波函數與原始波函數的關系隻可能是下面的一種：要麼與原波函數相同，要麼改變符号，即乘以-1。到底取誰呢？對稱與全同是這個自組織的宇宙最基本的設計原則，但“對稱性破缺”，則是隐含對稱性的間接表現形式。自然界深層次的内在物理規律（定律，方程式）本身是對稱的，而其外在表現形式（方程式的解）卻是破缺的。内在定律比它的現象擁有更高的對稱性。“非對稱（指“破缺”）創造了活生生的現象世界”（居裡語）。

量子力學令人驚詫的一個發現是電子的波函數對于電子交換變号。其結果是戲劇性的，兩個電子處于相同的量子态，其波函數相反，因此總波函數為零，也就是說兩個電子處于同一狀态的概率為0，此即泡利不相容原理。所有半整數自旋的粒子(包括電子)都遵循這一原理，并稱為費米子。自旋為整數的粒子(包括光子)的波函數對于交換不變号，稱為玻色子。電子是費米子，因而在原子中分層排列；光由玻色子組成，所以激光光線呈現超強度的光束(本質上是一個量子态)。最近，氣體原子被冷卻到量子狀态而形成玻色-愛因斯坦凝聚，這時體系可發射超強物質束，形成原子激光。

這一觀念僅對全同粒子适用，因為不同粒子交換後波函數顯然不同。因此僅當粒子體系是全同粒子時才顯示出玻色子或費米子的行為。同樣的粒子是絕對相同的，這是量子力學最神秘的側面之一，量子場論的成就将對此作出解釋。

二次革命

在20年代中期創立量子力學的狂熱年代裡，也在進行着另一場革命，量子物理的另一個分支——量子場論的基礎正在建立。不像量子力學的創立那樣如暴風疾雨般一揮而就，量子場論的創立經曆了一段曲折的曆史，一直延續到今天。盡管量子場論是困難的，但它的預測精度是所有物理學科中最為精确的，同時，它也為一些重要的理論領域的探索提供了範例。

激發提出量子場論的問題是電子從激發态躍遷到基态時原子怎樣輻射光。1916年，愛因斯坦研究了這一過程，并稱其為自發輻射，但他無法計算自發輻射系數。解決這個問題需要發展電磁場(即光)的相對論量子理論。量子力學是解釋物質的理論，而量子場論正如其名，是研究場的理論，不僅是電磁場，還有後來發現的其它場。

1925年，玻恩，海森堡和約當發表了光的量子場論的初步想法，但關鍵的一步是年輕且本不知名的物理學家狄拉克于1926年獨自提出的場論。狄拉克的理論有很多缺陷：難以克服的計算複雜性，預測出無限大量，并且顯然和對應原理矛盾。

40年代晚期，量子場論出現了新的進展，理查德·費曼(RichardFeynman)，朱利安·施溫格(JulianSchwinger)和朝永振一郎(SinitiroTomonaga)提出了量子電動力學(縮寫為QED)。他們通過重整化的辦法回避無窮大量，其本質是通過減掉一個無窮大量來得到有限的結果。由于方程複雜，無法找到精确解，所以通常用級數來得到近似解，不過級數項越來越難算。雖然級數項依次減小，但是總結果在某項後開始增大，以至于近似過程失敗。盡管存在這一危險，QED仍被列入物理學史上最成功的理論之一，用它預測電子和磁場的作用強度與實驗可靠值僅差2/1,000,000,000,000。

盡管QED取得了超凡的成功，它仍然充滿謎團。對于虛空空間(真空)，理論似乎提供了荒謬的看法，它表明真空不空，它到處充斥着小的電磁漲落。這些小的漲落是解釋自發輻射的關鍵，并且，它們使原子能量和諸如電子等粒子的性質産生可測量的變化。雖然QED是古怪的，但其有效性是為許多已有的最精确的實驗所證實的。對于我們周圍的低能世界，量子力學已足夠精确，但對于高能世界，相對論效應作用顯著，需要更全面的處理辦法，量子場論的創立調和了量子力學和狹義相對論的矛盾。

量子場論的傑出作用體現在它解釋了與物質本質相關的一些最深刻的問題。它解釋了為什麼存在玻色子和費米子這兩類基本粒子，它們的性質與内禀自旋有何關系；它能描述粒子(包括光子，電子，正電子即反電子)是怎樣産生和湮滅的；它解釋了量子力學中神秘的全同性，全同粒子是絕對相同的是因為它們來自于相同的基本場；它不僅解釋了電子，還解釋了μ子，τ子及其反粒子等輕子。

QED是一個關于輕子的理論，它不能描述被稱為強子的複雜粒子，它們包括質子、中子和大量的介子。對于強子，提出了一個比QED更一般的理論，稱為量子色動力學(QCD)。QED和QCD之間存在很多類似：電子是原子的組成要素，誇克是強子的組成要素；在QED中，光子是傳遞帶電粒子之間作用的媒介，在QCD中，膠子是傳遞誇克之間作用的媒介。盡管QED和QCD之間存在很多對應點，它們仍有重大的區别。與輕子和光子不同，誇克和膠子永遠被幽禁在強子内部，它們不能被解放出來孤立存在。 QED和QCD構成了大統一的标準模型的基石。标準模型成功地解釋了現今所有的粒子實驗，然而許多物理學家認為它是不完備的，因為粒子的質量，電荷以及其它屬性的數據還要來自實驗；一個理想的理論應該能給出這一切。

21世紀，尋求對物質終極本性的理解成為重大科研的焦點，使人不自覺地想起創造量子力學那段狂熱的奇迹般的日子，其成果的影響将更加深遠。現在必須努力尋求引力的量子描述，半個世紀的努力表明，QED的傑作——電磁場的量子化程序對于引力場失效。問題是嚴重的，因為如果廣義相對論和量子力學都成立的話，它們對于同一事件必須提供本質上相容的描述。在我們周圍世界中不會有任何矛盾，因為引力相對于電力來說是如此之弱以至于其量子效應可以忽略，經典描述足夠完美；但對于黑洞這樣引力非常強的體系，我們沒有可靠的辦法預測其量子行為。

一個世紀以前，我們所理解的物理世界是經驗性的；20世紀，量子力學給我們提供了一個物質和場的理論，它改變了我們的世界；21世紀，量子力學将繼續為所有的科學提供基本的觀念和重要的工具。我們作這樣自信的預測是因為量子力學為我們周圍的世界提供了精确的完整的理論；然而，物理學與1900年的物理學有很大的共同點：它仍舊保留了基本的經驗性，我們不能徹底預測組成物質的基本要素的屬性，仍然需要測量它們。

超弦理論是唯一被認為可以解釋這一謎團的理論，它是量子場論的推廣，通過有長度的物體取代諸如電子的點狀物體來消除所有的無窮大量。無論結果何如，從科學的黎明時期就開始的對自然的終極理解之夢将繼續成為新知識的推動力。從現在開始的一個世紀，不斷地追尋這個夢，其結果将使我們所有的想象成為現實。

整體生成論特征

系統論被認為是現代整體論，但它遇了整體悖論的困難，而這種困難根源于系統論的構成論特征。如何克服這一困難？量子物理學的進展示給我們的啟示是，把整體論建立在生成論的基礎上，發展一種整體生成論或者生成整體論。

生成論和構成論是理解“變化”的兩種不同的觀念，前者主張變化是“産生”和“消滅”或者“轉化”，而後者則主張變化是不變的要素之結合和分離。構成論的确使現代科學獲得了巨大的成功，但在量子物理學的發展過程中越來越困難。

量子現象的非定域特征，在量子力學建立的過程中有過激烈的争論， EPR 把争論推進到高峰。雖然量子力學的非定域（即整體性的一種表現）觀念迄今還沒有取得完全共識，但人們不得不承認量子世界的生成論特征。

放射性物質發射的電子，它不是作為原子核的結構要素存在着的，而是在過程中産生的。原子或分子發射的光子，它不是作為原子或分子的結構存在着的，而是過程中産生的。基本粒子碰撞的現象，難以用構成論的觀念理解，而容易用生成論的轉化觀念理解。

量子場論是一種具有構成論特征的數學理論，因為它的基本精神是描述粒子的産生和湮滅。誇克模型建立的思路也是生成論的，因為它是根據粒子碰撞現象的整體表現推測強子的内部結構要素及其行為的，與氣體分子運動論的構成論思路正好相反。

對量子物理學的這種整體生成論或生成整體論的特征，玻爾、海森伯和派斯等量子物理學的貢獻者已明确意識到，但大多數物理學家卻是遠沒有自覺到量子物理所蘊涵的這種新觀念，也沒有思想深邃的哲學家系統地研究這種科學思想的新動。

争議

量子力學意味着什麼？波函數到底是什麼？測量是什麼意思？這些問題在早期都激烈争論過。直到1930年，玻爾和他的同事或多或少地提出了量子力學的标準闡釋，即哥本哈根闡釋；其關鍵要點是通過玻爾的互補原理對物質和事件進行概率描述，調和物質波粒二象性的矛盾。愛因斯坦不接受量子理論，他一直就量子力學的基本原理同玻爾争論，直至1955年去世。關于量子力學争論的焦點是：究竟是波函數包含了體系的所有信息，還是有隐含的因素(隐變量)決定了特定測量的結果。60年代中期約翰·S·貝爾(JohnS.Bell)證明，如果存在隐變量，那麼實驗觀察到的概率應該在一個特定的界限之下，此即貝爾不等式。多數小組的實驗結果與貝爾不等式相悖，他們的數據斷然否定了隐變量存在的可能性。這樣，大多數科學家對量子力學的正确性不再懷疑了。

然而，由于量子理論神奇的魔力，它的本質仍然吸引着人們的注意力。量子體系的古怪性質起因于所謂的糾纏态，簡單說來，量子體系(如原子)不僅能處于一系列的定态，也可以處于它們的疊加态。測量處于疊加态原子的某種性質(如能量)，一般說來，有時得到這一個值，有時得到另一個值。至此還沒有出現任何古怪。

但是可以構造處于糾纏态的雙原子體系，使得兩個原子共有相同的性質。當這兩個原子分開後，一個原子的信息被另一個共享(或者說是糾纏)。這一行為隻有量子力學的語言才能解釋。這個效應太不可思議以至于隻有少數活躍的理論和實驗機構在集中精力研究它，論題并不限于原理的研究，而是糾纏态的用途；糾纏态已經應用于量子信息系統，也成為量子計算機的基礎。