量子世界

我們把 科學(xué)家們在研究原子、分子、原子核、基本粒子時(shí)所觀(guān)察到的關(guān)于微觀(guān)世界的系列特殊的物理現象稱(chēng)為量子現象。 量子世界除了其線(xiàn)度極其微小之外（10^-10～10^-15m量級），另一個(gè)主要特征是它們所涉及的許多宏觀(guān)世界所對應的物理量往往不能取連續變化的值，（如：坐標、動(dòng)量、能量、角動(dòng)量、自旋），甚至取值不確定。許多實(shí)驗事實(shí)表明，量子世界滿(mǎn)足的物理規律不再是經(jīng)典的牛頓力學(xué)，而是量子物理學(xué)。量子物理學(xué)是當今人們研究微觀(guān)世界的理論，也有人稱(chēng)為研究量子現象的物理學(xué)。 由于宏觀(guān)物體是由微觀(guān)世界建構而成的，因此量子物理學(xué)不僅是研究微觀(guān)世界結構的工具，而且在深入研究宏觀(guān)物體的微結構和特殊的物理性質(zhì)中也發(fā)揮著(zhù)巨大作用。

量子物理學(xué)的建立

量子物理學(xué)是在20世紀初，物理學(xué)家們在研究微觀(guān)世界（原子、分子、原子核…）的結構和運動(dòng)規律的過(guò)程中，逐步建立起來(lái)的。

量子物理學(xué)的內容

本書(shū)
將介紹有關(guān)量子力學(xué)的基礎知識。 第1章介紹量子概念的引入--微觀(guān)粒子的二象性，由此而引起的描述微觀(guān)粒子狀態(tài)的特殊方法--波函數，以及微觀(guān)粒子不同于經(jīng)典粒子的基本特征--不確定關(guān)系。 第2章介紹微觀(guān)粒子的基本運動(dòng)方程（非相對論形式）--薛定諤方程。對于此方程，首先把它應用于勢阱中的粒子，得出微觀(guān)粒子在束縛態(tài)中的基本特征--能量量子化、勢壘穿透等。 第3章用量子概念介紹（未經(jīng)詳細的數學(xué)推導）了電子在原子中運動(dòng)的規律，包括能量、角動(dòng)量的量子化，自旋的概念，泡利不相容原理，原子中電子的排布，X光和激光的原理等。 第4章介紹固體中的電子的量子特征，包括自由電子的能量分布以及導電機理，能帶理論及對導體、絕緣體、半導體性能的解釋。 第5章介紹原子核的基礎知識，包括核的一般性質(zhì)、結合能、核模型、核衰變及核反應等。關(guān)于基本粒子的知識和當今關(guān)于宇宙及其發(fā)展的知識也都屬于量子物理的范圍，其基本內容在本套書(shū)第一冊力學(xué)"今日物理趣聞A基本粒子"和第二冊熱學(xué)"今日物理趣聞A大爆炸和宇宙膨脹"中分別有所介紹，在本書(shū)中不再重復。

量子物理學(xué)的價(jià)值

20世紀物理學(xué)的發(fā)展表明，量子物理是人們認識和理解微觀(guān)世界的基礎。量子物理和相對論的成就使得物理學(xué)
從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現代物理學(xué)，奠定了現代自然科學(xué)的主要基礎。 當然，隨著(zhù)物理學(xué)和其它自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們認識的逐步深化，量子物理學(xué)也會(huì )進(jìn)一步地豐富和發(fā)展。至今為止、量子力學(xué)的某些基本觀(guān)念和哲學(xué)意義，科學(xué)家們仍然繼續爭論不休，這是一門(mén)科學(xué)在走向成熟過(guò)程中的一個(gè)必經(jīng)的階段。

量子力學(xué)

量子力學(xué)

量子力學(xué)是
一門(mén)奇妙的理論。它的許多基本概念、規律與方法都和經(jīng)典物理的基本概念、規律和方法截然不同。 量子物理學(xué)的現象不同于我們在日常生活中所觀(guān)察到的物理現象，其理論比較抽象，其數學(xué)工具比較艱深。因此人們往往將量子力學(xué)稱(chēng)為研究量子現象的數學(xué)，本書(shū)（量子物理）實(shí)際上可以稱(chēng)為量子力學(xué)初步或量子力學(xué)導論。

量子力學(xué)詮釋?zhuān)夯艚鹉ど系乃木S量子論

類(lèi)似10維或11維的“弦論”=振動(dòng)的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。 霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋?zhuān)ㄠ囉畹龋?0年代）： 振動(dòng)的量子（波動(dòng)的量子=量子鬼波）=平動(dòng)微粒子的振動(dòng)；振動(dòng)的微粒子；震蕩中的象量子（粒子）一樣的微小物體。 波動(dòng)量子=量子的波動(dòng)=微粒子的平動(dòng)+振動(dòng) =平動(dòng)+振動(dòng) =矢量和 量子鬼波的DENG'S詮釋?zhuān)何⒘Ｗ樱孔樱┢絼?dòng)與振動(dòng)的矢量和 粒子波、量子波=粒子的震蕩（平動(dòng)粒子的震動(dòng)）

量子物理學(xué)及其發(fā)展簡(jiǎn)史

量子力學(xué)的獨特地位

盡管量子力學(xué)是為描述遠離我們的日常生活經(jīng)驗的抽象原子世界而創(chuàng )立的，但它對日常生活的影響無(wú)比巨大。沒(méi)有量子力學(xué)作為工具，就不可能有化學(xué)、生物、醫學(xué)以及其他每一個(gè)關(guān)鍵學(xué)科的引人入勝的進(jìn)展。沒(méi)有量子力學(xué)就沒(méi)有全球經(jīng)濟可言，因為作為量子力學(xué)的產(chǎn)物的電子學(xué)革命將我們帶入了計算機時(shí)代。同時(shí)，光子學(xué)的革命也將我們帶入信息時(shí)代。量子物理的杰作改變了我們的世界，科學(xué)革命為這個(gè)世界帶來(lái)了的福音，也帶來(lái)了潛在的威脅。 或許用下面的一段資料能最好地描述這個(gè)至關(guān)重要但又難以捉摸的理論的獨特地位： 量子理論是科學(xué)史上能最精確地被實(shí)驗檢驗的理論，是科學(xué)史上最成功的理論。量子力學(xué)深深地困擾了它的創(chuàng )立者，然而，直到它本質(zhì)上被表述成通用形式的今天，一些科學(xué)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(mǎn)意。 馬克斯·普朗克（MaxPlanck）提出量子概念100多年了，在他關(guān)于熱輻射的經(jīng)典論文中，普朗克假定振動(dòng)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(gè)值跳到另一個(gè)值。能量子的概念太激進(jìn)了，普朗克后來(lái)將它擱置下來(lái)。隨后，愛(ài)因斯坦在1905年（這一年對他來(lái)說(shuō)是非凡的一年）認識到光量子化的潛在意義。不過(guò)量子的觀(guān)念太離奇了，后來(lái)幾乎沒(méi)有根本性的進(jìn)展?，F代量子理論的創(chuàng )立則是嶄新的一代物理學(xué)家花了20多年時(shí)間建立的。

量子物理實(shí)際上包含兩個(gè)方面

一個(gè)是原子層次的物質(zhì)理論：量子力學(xué)，正是它我們才能理解和操縱物質(zhì)世界；另一個(gè)是量子場(chǎng)論，它在科學(xué)中起到一個(gè)完全不同的作用。

舊量子論

從輻射問(wèn)題引入量子

量子革命的導火線(xiàn)不是對物質(zhì)的研究，而是輻射問(wèn)題。具體的挑戰是理解黑體（指入射的電磁波全部被吸收，既沒(méi)有反射，也沒(méi)有透射的物體）輻射的光譜?？具^(guò)火的人都很熟悉這樣一種現象：熱的物體發(fā)光，越熱發(fā)出的光越明亮。光譜的范圍很廣，當溫度升高時(shí)，光譜的峰值從紅線(xiàn)向黃線(xiàn)移動(dòng)，然后又向藍線(xiàn)移動(dòng)（在可見(jiàn)光范圍內表現為主色調由紅變藍）。 結合熱力學(xué)和電磁學(xué)的概念似乎可以對光譜的形狀作出解釋?zhuān)贿^(guò)所有的嘗試均以失敗告終。然而，普朗克假定振動(dòng)電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一個(gè)表達式，與實(shí)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，就像他后來(lái)所說(shuō)的那樣：“量子化只不過(guò)是一個(gè)走投無(wú)路的做法”。 普朗克將他的量子假設應用到輻射體表面振子的能量上，如果沒(méi)有新秀阿爾伯特·愛(ài)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，那么產(chǎn)生光的電磁場(chǎng)的能量也應該是量子化的。盡管麥克斯韋理論以及一個(gè)多世紀的權威性實(shí)驗都表明光具有波動(dòng)性，愛(ài)因斯坦的理論還是蘊含了光的粒子性行為。隨后十多年的光電效應實(shí)驗顯示僅當光的能量到達一些離散的量值時(shí)才能被吸收，這些能量就像是被一個(gè)個(gè)粒子攜帶著(zhù)一樣。光的波粒二象性取決于你觀(guān)察問(wèn)題的著(zhù)眼點(diǎn)，這是始終貫穿于量子物理且令人頭痛的實(shí)例之一，它成為接下來(lái)20年中理論上的難題。

物質(zhì)悖論

輻射難題促成了通往量子理論的第一步，物質(zhì)悖論則促成了第二步。眾所周知，原子包含正負兩種電荷的粒子，異號電荷相互吸引。根據電磁理論，正負電荷彼此將螺旋式的靠近，輻射出光譜范圍寬廣的光，直到原子坍塌為止。

玻爾量子論誕生

接著(zhù)，又是一個(gè)新秀尼爾斯·玻爾（NielsBohr）邁出了決定性的一步。1913年，玻爾提出了一個(gè)激進(jìn)的假設：原子中的電子只能處于包含基態(tài)在內的定態(tài)上，電子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷而改變它的能量，同時(shí)輻射出一定波長(cháng)的光，光的波長(cháng)取決于定態(tài)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(wèn)題。玻爾的理論充滿(mǎn)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(jiàn)力，他聚集了一批物理學(xué)家創(chuàng )立了新的物理學(xué)。一代年輕的物理學(xué)家花了12年時(shí)間終于實(shí)現了他的夢(mèng)想。 開(kāi)始時(shí)，發(fā)展玻爾量子論（習慣上稱(chēng)為舊量子論）的嘗試遭受了一次又一次的失敗。接著(zhù)一系列的進(jìn)展完全改變了思想的進(jìn)程。

量子力學(xué)史

一場(chǎng)科學(xué)革命

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(dòng)行為應該是對應存在的。他將粒子的波長(cháng)和動(dòng)量聯(lián)系起來(lái)：動(dòng)量越大，波長(cháng)越短。這是一個(gè)引人入勝的想法，但沒(méi)有人知道粒子的波動(dòng)性意味著(zhù)什么，也不知道它與原子結構有何聯(lián)系。然而德布羅意的假設是一個(gè)重要的前奏，很多事情就要發(fā)生了。 1924年夏天，出現了又一個(gè)前奏。薩地揚德拉·N·玻色（SatyendraN.Bose）提出了一種全新的方法來(lái)解釋普朗克輻射定律。他把光看作一種無(wú)（靜）質(zhì)量的粒子（現稱(chēng)為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經(jīng)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(zhì)（即全同性）上的一種新的統計理論。愛(ài)因斯坦立即將玻色的推理應用于實(shí)際的有質(zhì)量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數關(guān)于能量的分布規律，即著(zhù)名的玻色-愛(ài)因斯坦分布。然而，在通常情況下新老理論將預測到原子氣體相同的行為。愛(ài)因斯坦在這方面再無(wú)興趣，因此這些結果也被擱置了10多年。然而，它的關(guān)鍵思想——粒子的全同性，是極其重要的。 突然，一系列事件紛至沓來(lái)，最后導致一場(chǎng)科學(xué)革命。從1925年元月到1928年元月： ·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(xué)的第一個(gè)版本，矩陣力學(xué)。人們終于放棄了通過(guò)系統的方法整理可觀(guān)察的光譜線(xiàn)來(lái)理解原子中電子的運動(dòng)這一歷史目標。 ·埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrodinger）提出了量子力學(xué)的第二種形式，波動(dòng)力學(xué)。在波動(dòng)力學(xué)中，體系的狀態(tài)用薛定諤方程的解——波函數來(lái)描述。矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)貌似矛盾，實(shí)質(zhì)上是等價(jià)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(jìn)一步認識到所有的粒子要么遵循費米-狄拉克統計，要么遵循玻色-愛(ài)因斯坦統計，這兩類(lèi)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(dòng)方程用來(lái)描述電子，解釋了電子的自旋并且預測了反物質(zhì)。 ·狄拉克提出電磁場(chǎng)的量子描述，建立了量子場(chǎng)論的基礎。 ·玻爾提出互補原理（一個(gè)哲學(xué)原理），試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，特別是波粒二象性。 量子理論的主要創(chuàng )立者都是年輕人(按：我們中國的年輕人在哪里？）。1925年，泡利25歲，海森堡和恩里克·費米（EnricoFermi）24歲，狄拉克和約當23歲。薛定諤是一個(gè)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(ài)因斯坦的反應反襯出量子力學(xué)這一智力成果深刻而激進(jìn)的屬性：他拒絕自己發(fā)明的導致量子理論的許多關(guān)鍵的觀(guān)念，他關(guān)于玻色-愛(ài)因斯坦統計的論文是他對理論物理的最后一項貢獻，也是對物理學(xué)的最后一項重要貢獻。 創(chuàng )立量子力學(xué)需要新一代物理學(xué)家并不令人驚訝，開(kāi)爾文爵士在祝賀玻爾1913年關(guān)于氫原子的論文的一封書(shū)信中表述了其中的原因。他說(shuō)玻爾的論文中有很多真理是他所不能理解的。開(kāi)爾文認為基本的新物理學(xué)必將出自無(wú)拘無(wú)束的頭腦。

量子力學(xué)的基礎建立

1928年，革命結束，量子力學(xué)的基礎本質(zhì)上已經(jīng)建立好了。后來(lái)，AbrahamPais以軼事的方式記錄了這場(chǎng)以狂熱的節奏發(fā)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(chē)前往荷蘭的萊頓參加亨德里克·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(xún)玻爾對電子自旋可能性的看法；玻爾用他那著(zhù)名的低調評價(jià)的語(yǔ)言回答說(shuō)，自旋這一提議是“非常，非常有趣的”。后來(lái)，愛(ài)因斯坦和PaulEhrenfest在萊頓碰到了玻爾并討論了自旋。玻爾說(shuō)明了自己的反對意見(jiàn)，但是愛(ài)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，遇到了更多的討論者。當火車(chē)經(jīng)過(guò)德國的哥挺根時(shí)，海森堡和約當接站并詢(xún)問(wèn)他的意見(jiàn)，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(fā)現是一重大進(jìn)步。（按：看到歐洲科學(xué)家之間坦誠而熱烈的交流，我們會(huì )得到什么啟示嗎？）

科學(xué)的淘金熱

量子力學(xué)的創(chuàng )建觸發(fā)了科學(xué)的淘金熱。早期的成果有：1927年海森堡得到了氦原子薛定諤方程的近似解，建立了原子結構理論的基礎；JohnSlater，DouglasRaynerHartree，和VladimirFock隨后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(xué)；ArnoldSommerfeld和泡利建立了金屬電子理論的基礎，FelixBloch創(chuàng )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放射性衰變的隨機本性之謎，他表明α衰變是由量子力學(xué)的隧道效應引起的。隨后幾年中，HansBethe建立了核物理的基礎并解釋了恒星的能量來(lái)源。隨著(zhù)這些進(jìn)展，原子物理、分子物理、固體物理和核物理進(jìn)入了現代物理的時(shí)代。

量子力學(xué)要點(diǎn)

伴隨著(zhù)這些進(jìn)展，圍繞量子力學(xué)的闡釋和正確性發(fā)生了許多爭論。玻爾和海森堡是倡導者的重要成員，他們信奉新理論，愛(ài)因斯坦和薛定諤則對新理論不滿(mǎn)意。

波函數

系統的行為用薛定諤方程描述，方程的解稱(chēng)為波函數。系統的完整信息用它的波函數表述，通過(guò)波函數可以計算任意可觀(guān)察量的可能值。在空間給定體積內找到一個(gè)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內。粒子的動(dòng)量依賴(lài)于波函數的斜率，波函數越陡，動(dòng)量越大。斜率是變化的，因此動(dòng)量也是分布的。這樣，有必要放棄位移和速度能確定到任意精度的經(jīng)典圖像，而采納一種模糊的概率圖像，這也是量子力學(xué)的核心。 對于同樣一些系統進(jìn)行同樣精心的測量不一定產(chǎn)生同一結果，相反，結果分散在波函數描述的范圍內，因此，電子特定的位置和動(dòng)量沒(méi)有意義。這可由測不準原理表述如下：要使粒子位置測得精確，波函數必須是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此動(dòng)量就分布在很大的范圍內；相反，若動(dòng)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范圍內，這樣粒子的位置就更加不確定了。

波的干涉

波相加還是相減取決于它們的相位，振幅同相時(shí)相加，反相時(shí)相減。當波沿著(zhù)幾條路徑從波源到達接收器，比如光的雙縫干涉，一般會(huì )產(chǎn)生干涉圖樣。粒子遵循波動(dòng)方程，必有類(lèi)似的行為，如電子衍射。至此，類(lèi)推似乎是合理的，除非要考察波的本性。波通常認為是媒質(zhì)中的一種擾動(dòng)，然而量子力學(xué)中沒(méi)有媒質(zhì)，從某中意義上說(shuō)根本就沒(méi)有波，波函數本質(zhì)上只是我們對系統信息的一種陳述。

對稱(chēng)性和全同性

氦原子由兩個(gè)電子圍繞一個(gè)核運動(dòng)而構成。氦原子的波函數描述了每一個(gè)電子的位置，然而沒(méi)有辦法區分哪個(gè)電子究竟是哪個(gè)電子，因此，電子交換后看不出體系有何變化，也就是說(shuō)在給定位置找到電子的概率不變。由于概率依賴(lài)于波函數的幅值的平方，因而粒子交換后體系的波函數與原始波函數的關(guān)系只可能是下面的一種：要么與原波函數相同，要么改變符號，即乘以-1。到底取誰(shuí)呢？ 量子力學(xué)令人驚詫的一個(gè)發(fā)現是電子的波函數對于電子交換變號。其結果是戲劇性的，兩個(gè)電子處于相同的量子態(tài)，其波函數相反，因此總波函數為零，也就是說(shuō)兩個(gè)電子處于同一狀態(tài)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(chēng)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號，稱(chēng)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(xiàn)呈現超強度的光束(本質(zhì)上是一個(gè)量子態(tài))。最近，氣體原子被冷卻到量子狀態(tài)而形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，這時(shí)體系可發(fā)射超強物質(zhì)束，形成原子激光。 這一觀(guān)念僅對全同粒子適用，因為不同粒子交換后波函數顯然不同。因此僅當粒子體系是全同粒子時(shí)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(xué)最神秘的側面之一，量子場(chǎng)論的成就將對此作出解釋。

爭議與混亂

量子力學(xué)爭論的焦點(diǎn)

量子力學(xué)意味著(zhù)什么？波函數到底是什么？測量是什么意思？這些問(wèn)題在早期都激烈爭論過(guò)。直到1930年，玻爾和他的同事或多或少地提出了量子力學(xué)的標準闡釋?zhuān)锤绫竟U釋?zhuān)黄潢P(guān)鍵要點(diǎn)是通過(guò)玻爾的互補原理對物質(zhì)和事件進(jìn)行概率描述，調和物質(zhì)波粒二象性的矛盾。愛(ài)因斯坦不接受量子理論，他一直就量子力學(xué)的基本原理同玻爾爭論，直至1955年去世。 關(guān)于量子力學(xué)爭論的焦點(diǎn)是：究竟是波函數包含了體系的所有信息，還是有隱含的因素(隱變量)決定了特定測量的結果。60年代中期約翰·S·貝爾(JohnS.Bell)證明，如果存在隱變量，那么實(shí)驗觀(guān)察到的概率應該在一個(gè)特定的界限之下，此即貝爾不等式。多數小組的實(shí)驗結果與貝爾不等式相悖，他們的數據斷然否定了隱變量存在的可能性。這樣，大多數科學(xué)家對量子力學(xué)的正確性不再懷疑了。 然而，由于量子理論神奇的魔力，它的本質(zhì)仍然吸引著(zhù)人們的注意力。量子體系的古怪性質(zhì)起因于所謂的糾纏態(tài)，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，量子體系(如原子)不僅能處于一系列的定態(tài)，也可以處于它們的疊加態(tài)。測量處于疊加態(tài)原子的某種性質(zhì)(如能量)，一般說(shuō)來(lái)，有時(shí)得到這一個(gè)值，有時(shí)得到另一個(gè)值。至此還沒(méi)有出現任何古怪。 但是可以構造處于糾纏態(tài)的雙原子體系，使得兩個(gè)原子共有相同的性質(zhì)。當這兩個(gè)原子分開(kāi)后，一個(gè)原子的信息被另一個(gè)共享(或者說(shuō)是糾纏)。這一行為只有量子力學(xué)的語(yǔ)言才能解釋。這個(gè)效應太不可思議以至于只有少數活躍的理論和實(shí)驗機構在集中精力研究它，論題并不限于原理的研究，而是糾纏態(tài)的用途；糾纏態(tài)已經(jīng)應用于量子信息系統，也成為量子計算機的基礎。

二次革命

在20年代中期創(chuàng )立量子力學(xué)的狂熱年代里，也在進(jìn)行著(zhù)另一場(chǎng)革命，量子物理的另一個(gè)分支——量子場(chǎng)論的基礎正在建立。不像量子力學(xué)的創(chuàng )立那樣如暴風(fēng)疾雨般一揮而就，量子場(chǎng)論的創(chuàng )立經(jīng)歷了一段曲折的歷史，一直延續到今天。盡管量子場(chǎng)論是困難的，但它的預測精度是所有物理學(xué)科中最為精確的，同時(shí)，它也為一些重要的理論領(lǐng)域的探索提供了范例。 激發(fā)提出量子場(chǎng)論的問(wèn)題是電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)原子怎樣輻射光。1916年，愛(ài)因斯坦研究了這一過(guò)程，并稱(chēng)其為自發(fā)輻射，但他無(wú)法計算自發(fā)輻射系數。解決這個(gè)問(wèn)題需要發(fā)展電磁場(chǎng)(即光)的相對論量子理論。量子力學(xué)是解釋物質(zhì)的理論，而量子場(chǎng)論正如其名，是研究場(chǎng)的理論，不僅是電磁場(chǎng)，還有后來(lái)發(fā)現的其它場(chǎng)。 1925年，玻恩，海森堡和約當發(fā)表了光的量子場(chǎng)論的初步想法，但關(guān)鍵的一步是年輕且本不知名的物理學(xué)家狄拉克于1926年獨自提出的場(chǎng)論。狄拉克的理論有很多缺陷：難以克服的計算復雜性，預測出無(wú)限大量，并且顯然和對應原理矛盾。

量子場(chǎng)論出現

40年代晚期，量子場(chǎng)論出現了新的進(jìn)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(dòng)力學(xué)(縮寫(xiě)為QED)。他們通過(guò)重整化的辦法回避無(wú)窮大量，其本質(zhì)是通過(guò)減掉一個(gè)無(wú)窮大量來(lái)得到有限的結果。由于方程復雜，無(wú)法找到精確解，所以通常用級數來(lái)得到近似解，不過(guò)級數項越來(lái)越難算。雖然級數項依次減小，但是總結果在某項后開(kāi)始增大，以至于近似過(guò)程失敗。盡管存在這一危險，QED仍被列入物理學(xué)史上最成功的理論之一，用它預測電子和磁場(chǎng)的作用強度與實(shí)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(mǎn)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，它到處充斥著(zhù)小的電磁漲落。這些小的漲落是解釋自發(fā)輻射的關(guān)鍵，并且，它們使原子能量和諸如電子等粒子的性質(zhì)產(chǎn)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確的實(shí)驗所證實(shí)的。 對于我們周?chē)牡湍苁澜?，量子力學(xué)已足夠精確，但對于高能世界，相對論效應作用顯著(zhù)，需要更全面的處理辦法，量子場(chǎng)論的創(chuàng )立調和了量子力學(xué)和狹義相對論的矛盾。 量子場(chǎng)論的杰出作用體現在它解釋了與物質(zhì)本質(zhì)相關(guān)的一些最深刻的問(wèn)題。它解釋了為什么存在玻色子和費米子這兩類(lèi)基本粒子，它們的性質(zhì)與內稟自旋有何關(guān)系；它能描述粒子(包括光子，電子，正電子即反電子)是怎樣產(chǎn)生和湮滅的；它解釋了量子力學(xué)中神秘的全同性，全同粒子是絕對相同的是因為它們來(lái)自于相同的基本場(chǎng)；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(gè)關(guān)于輕子的理論，它不能描述被稱(chēng)為強子的復雜粒子，它們包括質(zhì)子、中子和大量的介子。對于強子，提出了一個(gè)比QED更一般的理論，稱(chēng)為量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)。QED和QCD之間存在很多類(lèi)似：電子是原子的組成要素，夸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，膠子是傳遞夸克之間作用的媒介。盡管QED和QCD之間存在很多對應點(diǎn)，它們仍有重大的區別。與輕子和光子不同，夸克和膠子永遠被幽禁在強子內部，它們不能被解放出來(lái)孤立存在。 QED和QCD構成了大統一的標準模型的基石。標準模型成功地解釋了現今所有的粒子實(shí)驗，然而許多物理學(xué)家認為它是不完備的，因為粒子的質(zhì)量，電荷以及其它屬性的數據還要來(lái)自實(shí)驗；一個(gè)理想的理論應該能給出這一切。

對物質(zhì)終極本性的理解成為重大科研的焦點(diǎn)

今天，尋求對物質(zhì)終極本性的理解成為重大科研的焦點(diǎn)，使人不自覺(jué)地想起創(chuàng )造量子力學(xué)那段狂熱的奇跡般的日子，其成果的影響將更加深遠?，F在必須努力尋求引力的量子描述，半個(gè)世紀的努力表明，QED的杰作——電磁場(chǎng)的量子化程序對于引力場(chǎng)失效。問(wèn)題是嚴重的，因為如果廣義相對論和量子力學(xué)都成立的話(huà)，它們對于同一事件必須提供本質(zhì)上相容的描述。在我們周?chē)澜缰胁粫?huì )有任何矛盾，因為引力相對于電力來(lái)說(shuō)是如此之弱以至于其量子效應可以忽略，經(jīng)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(méi)有可靠的辦法預測其量子行為。 一個(gè)世紀以前，我們所理解的物理世界是經(jīng)驗性的；20世紀，量子力學(xué)給我們提供了一個(gè)物質(zhì)和場(chǎng)的理論，它改變了我們的世界；展望21世紀，量子力學(xué)將繼續為所有的科學(xué)提供基本的觀(guān)念和重要的工具。我們作這樣自信的預測是因為量子力學(xué)為我們周?chē)氖澜缣峁┝司_的完整的理論；然而，今日物理學(xué)與1900年的物理學(xué)有很大的共同點(diǎn)：它仍舊保留了基本的經(jīng)驗性，我們不能徹底預測組成物質(zhì)的基本要素的屬性，仍然需要測量它們。 或許，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(chǎng)論的推廣，通過(guò)有長(cháng)度的物體取代諸如電子的點(diǎn)狀物體來(lái)消除所有的無(wú)窮大量。無(wú)論結果何如，從科學(xué)的黎明時(shí)期就開(kāi)始的對自然的終極理解之夢(mèng)將繼續成為新知識的推動(dòng)力。從現在開(kāi)始的一個(gè)世紀，不斷地追尋這個(gè)夢(mèng)，其結果將使我們所有的想象成為現實(shí)。 時(shí)空不同區域之間的蟲(chóng)洞的思想并非科學(xué)幻想作家的發(fā)明，它的起源是非常令人尊敬的。

愛(ài)因斯坦——羅森“橋”

1935年愛(ài)因斯坦和納珍·羅森寫(xiě)了一篇論文。在該論文中他們指出廣義相對論允許他們稱(chēng)為“橋”，而現在稱(chēng)為蟲(chóng)洞的東西。愛(ài)因斯坦——羅森橋不能維持得足夠久，使得空間飛船來(lái)得及穿越：蟲(chóng)洞會(huì )縮緊，而飛船撞到奇點(diǎn)上去。然而，有人提出，一個(gè)先進(jìn)的文明可能使蟲(chóng)洞維持開(kāi)放。人們可以把時(shí)空以其他方式卷曲，使它允許時(shí)間旅行?？梢宰C明這需要一個(gè)負曲率的時(shí)空區域，如同一個(gè)馬鞍面。通常的物質(zhì)具有正能量密度，賦予時(shí)空以正曲率，如同一個(gè)球面。所以為了使時(shí)空卷曲成允許旅行到過(guò)去的樣子，人們需要負能量密度的物質(zhì)。 能量有點(diǎn)像金錢(qián)：如果你有正的能量，就可以用不同方法分配，但是根據本世紀初相信的經(jīng)典定律，你不允許透支。這樣，這些經(jīng)典定律排除了時(shí)間旅行的任何可能性。然而，量子定律已經(jīng)超越了經(jīng)典定律。量子定律是以不確定性原理為基礎的。量子定律更慷慨些，只要你總的能量是正的，你就允許從一個(gè)或兩個(gè)賬號透支。換言之，量子理論允許在一些地方的能量密度為負，只要它可由在其他地方的正的能量密度所補償，使得總能量保持為正的。量子理論允許負能量密度的一個(gè)例子是所謂的卡西米爾效應，甚至我們認為是“空”的空間也充滿(mǎn)了虛粒子和虛反粒子對，它們一起出現分離開(kāi)，再返回一起并且相互湮滅?，F在，假定人們有兩片距離很近的平行金屬板。金屬板對于虛光子起著(zhù)類(lèi)似鏡子的作用。事實(shí)上，在它們之間形成了一個(gè)空腔。它有點(diǎn)像風(fēng)琴管，只對指定的音階共鳴。這意味著(zhù)，只有當平板間的距離是虛光子波長(cháng)（相鄰波峰之間的距離）的整數倍時(shí)，這些虛光子才會(huì )在平板之中的空間出現。如果空腔的寬度是波長(cháng)的整數倍再加上部分波長(cháng)，那么在前后反射多次后，一個(gè)波的波峰就會(huì )和另一個(gè)波谷相重合，這樣波動(dòng)就被抵消了。 因為平板之間的虛光子只能具有共振的波長(cháng)，所以虛光子的數目比在平板之外的區域要略少些，在平板之外的虛光子可以具有任意波長(cháng)。所以人們可以預料到這兩片平板遭受到把它們往里擠的力。實(shí)際上已經(jīng)測量到這種力。并且和預言的值相符。這樣，我們得到了虛粒子存在并具有實(shí)在效應的實(shí)驗證據。 在平板之間存在更少虛光子的事實(shí)意味著(zhù)它們的能量密度比它處更小。但是在遠離平板的“空的”空間的總能量密度必須為零，因為否則的話(huà)，能量密度會(huì )把空間卷曲起來(lái)，而不能保持幾乎平坦。這樣，如果平板間的能量密度比遠處的能量密度更小，它就必須為負的。 這樣，我們對以下兩種現象都獲得了實(shí)驗的證據。第一，從日食時(shí)的光線(xiàn)彎折得知時(shí)空可以被卷曲。第二，從卡西米爾效應得知時(shí)空可被彎曲成允許時(shí)間旅行的樣子。所以，人們希望隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)，我們最終能夠造出時(shí)間機器。但是，如果這樣的話(huà)，為什么從來(lái)沒(méi)有一個(gè)來(lái)自未來(lái)的人回來(lái)告訴我們如何實(shí)現呢？鑒于我們現在處于初級發(fā)展階段，也許有充分理由認為，讓我們分享時(shí)間旅行的秘密是不智的。除非人類(lèi)本性得到徹底改變，非常難以相信，某位從未來(lái)飄然而至的訪(fǎng)客會(huì )貿然泄漏天機。當然，有些人會(huì )宣稱(chēng)，觀(guān)察到幽浮就是外星人或者來(lái)自未來(lái)的人們來(lái)訪(fǎng)的證據（如果外星人在合理的時(shí)間內到達此地，他們則需要超光速旅行，這樣兩種可能性其實(shí)是等同的）。 然而，任何外星來(lái)的或者來(lái)自未來(lái)的人的造訪(fǎng)應該是更加明顯，或許更加令人不悅。如果他們有意顯靈的話(huà)，為何只對那些被認為不太可靠的證人進(jìn)行？如果他們試圖警告我們大難臨頭，這樣做也不是非常有效的。 一種對來(lái)自未來(lái)的訪(fǎng)客缺席的可能解釋方法是，因為我們觀(guān)察了過(guò)去并且發(fā)現它并沒(méi)有允許從未來(lái)旅行返回所需的那類(lèi)卷曲，所以過(guò)去是固定的。另一方面，未來(lái)是未知的開(kāi)放的，所以也可能有所需的曲率。這意味著(zhù)，任何時(shí)間旅行都被局限于未來(lái)。此時(shí)此刻，柯克船長(cháng)和星際航船沒(méi)有機會(huì )出現。

量子物理學(xué)對中醫學(xué)的意義

哲學(xué)是從原則高度指導人們的思想和社會(huì )實(shí)踐的，量子物理學(xué)哲學(xué)觀(guān)點(diǎn)對中醫理論的理解與支持廣泛而深刻。 一、整體觀(guān)問(wèn)題 分兩個(gè)方面講，第一，量子哲學(xué)整體觀(guān)認為，粒子的種種特性依賴(lài)于全體宏觀(guān)測量條件，因此部分的性質(zhì)只有與整體系統結合起來(lái)才能獲得，離開(kāi)了與整體的聯(lián)系，部分是沒(méi)有意義的。而中醫理論強調的“天人合一”思想，正與之有異曲同工的呼應?！疤烊撕弦弧钡乃枷胝J為：“人類(lèi)與周?chē)氖澜缡墙y一的，人就是其中的一個(gè)部分，一個(gè)方面，……天道變化必然影響人道”因此中醫理論認為：“天地萬(wàn)物本為一體”，“人從天生，故合天道”，“人之身也，與天地形象相參;身盛衰也，與日月相應也?！薄吧蒲蕴煺?，必應于人”等等，說(shuō)明人類(lèi)是天地這一整體系統中的一個(gè)部分，不可避免地受到自然界的影響，不可以獨立于天地亦即環(huán)境氣候地理等因素之外去考察人體這個(gè)部分。第二，量子哲學(xué)整體觀(guān)認為，相關(guān)的分離部分必須看成是一個(gè)整體，分離的部分間有著(zhù)同謀協(xié)作的關(guān)聯(lián)性。中醫理論也認為人不僅與自然界是一個(gè)不可分割的整體，人的自身也是一個(gè)以五臟為中心的整體，人體臟腑、體表、經(jīng)絡(luò )、官竅都是相關(guān)統一的，都具有關(guān)聯(lián)性。如中醫理論的臟腑相關(guān)學(xué)說(shuō)、經(jīng)絡(luò )臟腑相關(guān)學(xué)說(shuō)都說(shuō)明人體的各臟腑相互聯(lián)系不可分割，人體的各種功能互相協(xié)調彼此為用，人體疾病的發(fā)病機理上互相影響等等。不僅如此，中醫理論也認為“物類(lèi)”是“相感”的，北宋贊寧著(zhù)有《物類(lèi)相感志》，記述了物類(lèi)相感的種種特殊現象共有400多例，說(shuō)明生長(cháng)在同一個(gè)自然環(huán)境里的分離的部分是有顯著(zhù)的感應現象的。這種具體實(shí)用的整體觀(guān)顯然和量子哲學(xué)的整體觀(guān)有著(zhù)很深的認同。 二、互補原理與陰陽(yáng)學(xué)說(shuō) 如前所述，量子哲學(xué)的“互補原理”觀(guān)點(diǎn)認為：事物具有兩個(gè)不相容的側面，要得到對該事物性質(zhì)完整的認識，必須使用兩個(gè)方面各自測量的結果進(jìn)行互補的描述。這種觀(guān)點(diǎn)早在中醫理論的陰陽(yáng)學(xué)說(shuō)中就有著(zhù)從理論到具體應用的理解與闡述。比如，“一陰一陽(yáng)之謂道”，“陰不可無(wú)陽(yáng)，非氣無(wú)以生形也;陽(yáng)不可無(wú)陰，非形無(wú)以載氣也?！薄瓣庩?yáng)又各互為其根，陽(yáng)根于陰，陰根于陽(yáng)；無(wú)陽(yáng)則陰無(wú)以生，無(wú)陰則陽(yáng)無(wú)以化?！钡?，說(shuō)明事物具有兩個(gè)方面，互為依存，不可偏廢某一方面的觀(guān)察；在把陰陽(yáng)理論應用到中醫的各種醫療實(shí)踐上則有，“人生有形，不離陰陽(yáng)?！薄吧圃\者，察色按脈，先別陰陽(yáng)?！薄搬t道雖繁，而可以一言蔽之者，曰陰陽(yáng)而已。故證有陰陽(yáng)，脈有陰陽(yáng)，藥有陰陽(yáng)……設能明徹陰陽(yáng)，則醫理雖玄，思過(guò)半矣?！薄爸敳礻庩?yáng)所在而調之，以平為期”等等，說(shuō)明在醫療實(shí)踐中陰陽(yáng)兩方面的變化是要同時(shí)觀(guān)察的。另外，玻爾還認為：這種互補原理是自然界固有的并不只是實(shí)驗制作粗糙的結果。中醫的陰陽(yáng)理論對這也早有深切的理解，比如“陰陽(yáng)者，天地之道也，萬(wàn)物之綱紀，變化之父母，生殺之本始，神明之府也?！薄瓣庩?yáng)者，萬(wàn)物之能始也?！薄瓣庩?yáng)者，數之可十，推之可百，數之可千，推之可萬(wàn)，萬(wàn)之大不可勝數；然其要一也?！钡鹊??；パa原理和陰陽(yáng)學(xué)說(shuō)都承認事物有這種并協(xié)性，并且這種并協(xié)性是根植于自然萬(wàn)物中的。事實(shí)上，玻爾把中國古老的陰陽(yáng)太極圖作為其家族的族徽，并在上面刻了“對立即互補”的字樣，正反映出互補原理和陰陽(yáng)學(xué)說(shuō)之間的那種淵源的內在聯(lián)系。 三、精神的作用問(wèn)題 量子物理學(xué)提供了迄今為止最令人信服的實(shí)驗，證明意識在物質(zhì)實(shí)在的本質(zhì)中扮演了極重要的角色，所以量子哲學(xué)認為：精神與物質(zhì)互為依存，精神應被看作是一切物理事件中不可分離的因素。這正是量子物理學(xué)革命性的結論之一，難怪波爾說(shuō)：“假如一個(gè)人不為量子論感到困惑，那它就是沒(méi)有明白量子論?！逼鋵?shí)，這種哲學(xué)觀(guān)點(diǎn)對于中國人來(lái)說(shuō)應該不太陌生，尤其是對于學(xué)中醫的人們來(lái)說(shuō)。我們都知道中醫特別講“醫者意也”，這里的“意”一是指注意力。比如，“醫之為言意也。腠理至微，隨氣用巧，針石之間，毫芒即乖。神存于心手之際，可得解而不可得言也?！薄靶♂樦?，易陳而難入。粗守形，上守神。粗守關(guān)，上守機”，強調“守神”、“守機”即強調注意力的集中對于治病的重要。這不是一般意義上的認真，而是“經(jīng)氣已至，慎守勿失，淺深在志，遠近若一，如臨深淵，手如握虎，神無(wú)營(yíng)于眾物?！睉撌且环N意念的把守。二是指在診治過(guò)程中的思維作用。比如，“醫者意也，在人思慮?！薄吧朴谟靡?，即為良醫?！薄皼r醫之道，有神圣工巧之殊；藥之性，有君臣佐使之別；人之受病，則寒熱燥濕，強弱盛衰，千變萬(wàn)態(tài)，不可言。既茍非精其意而通其妙，烏能已人之疾?！钡鹊?，強調中醫治病在診脈、用藥過(guò)程中醫家的思維、悟性、直覺(jué)、靈活性等個(gè)人精神素質(zhì)的重要，只有通過(guò)“精其意而通其妙”的思維過(guò)程，方能正確辨識疾病，并找到正確的治療方法。這與現代醫學(xué)愈來(lái)愈偏向“儀器+藥物”的診治手段相比，是非常強調主觀(guān)思維作用的，不管是“注意力”還是“思維作用”，強調的都是醫家的精神活動(dòng)在醫療實(shí)踐領(lǐng)域中的作用。其實(shí)，這正是處理整體問(wèn)題、非線(xiàn)性科學(xué)中通常都強調的，中醫不是那種線(xiàn)性科學(xué)，所以這種思維的重要性對于它顯然不言而喻。至此我們可以看出，雖然量子哲學(xué)和中醫理論討論的不是一個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題，切入點(diǎn)也各不相同，然而在強調精神作用的哲學(xué)觀(guān)點(diǎn)上，它們殊途同歸并且互為詮釋。 四、方法論問(wèn)題 還原論的世界觀(guān)在微觀(guān)量子世界里的失效，直接導致量子哲學(xué)不僅對還原論的世界觀(guān)而且對其研究方法的普適性提出質(zhì)疑。人們不禁要問(wèn)：還原論的方法論適應于所有事物的研究嗎？是衡量所有事物科學(xué)性的惟一標尺嗎？敏感的人們會(huì )立刻回想起400多年前現代科學(xué)還沒(méi)有誕生時(shí)人們觀(guān)察整體問(wèn)題和復雜問(wèn)題所使用過(guò)的方法，那就是人類(lèi)認識世界圖像的另一個(gè)基本方法——對整體和復雜事物所采取的“直覺(jué)+經(jīng)驗+實(shí)踐檢驗”方法。事實(shí)上，如果我們希望理解的是一幅完整的世界圖像，就應該針對不同的對象選擇合適的認識形式及其研究方法去觀(guān)察研究，不能混用或者只用一種認識形式及其研究方法去針對全體的研究對象，比如堅持從分子核酸水平去檢驗中醫理論、堅持從武器的基本結構去考察一支部隊的戰斗力等等。還原論的“實(shí)證+推理”方法是我們認識世界的一只眼睛，整體論所采取的方法是我們認識世界的另一只眼睛，在認為還原論及其方法論才是科學(xué)的觀(guān)念統領(lǐng)我們認知領(lǐng)域幾百年后的今天，量子哲學(xué)整體觀(guān)的提出無(wú)疑對中醫藥學(xué)的理論和方法學(xué)都是一個(gè)極大的肯定。我們都看到，就在我們國人為“中醫學(xué)是否是科學(xué)”、“中醫藥的方法學(xué)是否是科學(xué)的”問(wèn)題爭得熱火朝天時(shí)，西方的科學(xué)家們已經(jīng)冷靜地提出“中國古代科學(xué)方法都是從宏觀(guān)、整體、系統的角度研究問(wèn)題，其代表是中醫研究方法，這種方法值得進(jìn)一步研究和學(xué)習?！蔽覀儜摓榇烁械缴钌畹墓奈韬托牢?！