量子物理學(xué)

量子世界

我們把 科學(xué)家們在研究原子、分子、原子核、基本粒子時所觀察到的關(guān)于微觀世界的系列特殊的物理現(xiàn)象稱為量子現(xiàn)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(yīng)的物理量往往不能取連續(xù)變化的值，（如：坐標(biāo)、動量、能量、角動量、自旋），甚至取值不確定。許多實驗事實表明，量子世界滿足的物理規(guī)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(dāng)今人們研究微觀世界的理論，也有人稱為研究量子現(xiàn)象的物理學(xué)。 由于宏觀物體是由微觀世界建構(gòu)而成的，因此量子物理學(xué)不僅是研究微觀世界結(jié)構(gòu)的工具，而且在深入研究宏觀物體的微結(jié)構(gòu)和特殊的物理性質(zhì)中也發(fā)揮著巨大作用。

量子物理學(xué)的建立

量子物理學(xué)是在20世紀(jì)初，物理學(xué)家們在研究微觀世界（原子、分子、原子核…）的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律的過程中，逐步建立起來的。

量子物理學(xué)的內(nèi)容

本書
將介紹有關(guān)量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識。 第1章介紹量子概念的引入--微觀粒子的二象性，由此而引起的描述微觀粒子狀態(tài)的特殊方法--波函數(shù)，以及微觀粒子不同于經(jīng)典粒子的基本特征--不確定關(guān)系。 第2章介紹微觀粒子的基本運(yùn)動方程（非相對論形式）--薛定諤方程。對于此方程，首先把它應(yīng)用于勢阱中的粒子，得出微觀粒子在束縛態(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(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)）了電子在原子中運(yùn)動的規(guī)律，包括能量、角動量的量子化，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(dǎo)電機(jī)理，能帶理論及對導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體性能的解釋。 第5章介紹原子核的基礎(chǔ)知識，包括核的一般性質(zhì)、結(jié)合能、核模型、核衰變及核反應(yīng)等。關(guān)于基本粒子的知識和當(dāng)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(nèi)容在本套書第一冊力學(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，在本書中不再重復(fù)。

量子物理學(xué)的價值

20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展表明，量子物理是人們認(rèn)識和理解微觀世界的基礎(chǔ)。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(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。 當(dāng)然，隨著物理學(xué)和其它自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們認(rèn)識的逐步深化，量子物理學(xué)也會進(jìn)一步地豐富和發(fā)展。至今為止、量子力學(xué)的某些基本觀念和哲學(xué)意義，科學(xué)家們?nèi)匀焕^續(xù)爭論不休，這是一門科學(xué)在走向成熟過程中的一個必經(jīng)的階段。

量子力學(xué)

量子力學(xué)

量子力學(xué)是
一門奇妙的理論。它的許多基本概念、規(guī)律與方法都和經(jīng)典物理的基本概念、規(guī)律和方法截然不同。 量子物理學(xué)的現(xiàn)象不同于我們在日常生活中所觀察到的物理現(xiàn)象，其理論比較抽象，其數(shù)學(xué)工具比較艱深。因此人們往往將量子力學(xué)稱為研究量子現(xiàn)象的數(shù)學(xué)，本書（量子物理）實際上可以稱為量子力學(xué)初步或量子力學(xué)導(dǎo)論。

量子力學(xué)詮釋：霍金膜上的四維量子論

類似10維或11維的“弦論”=振動的弦、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（鄧宇等，80年代）： 振動的量子（波動的量子=量子鬼波）=平動微粒子的振動；振動的微粒子；震蕩中的象量子（粒子）一樣的微小物體。 波動量子=量子的波動=微粒子的平動+振動 =平動+振動 =矢量和 量子鬼波的DENG'S詮釋：微粒子（量子）平動與振動的矢量和 粒子波、量子波=粒子的震蕩（平動粒子的震動）

量子物理學(xué)及其發(fā)展簡史

量子力學(xué)的獨(dú)特地位

盡管量子力學(xué)是為描述遠(yuǎn)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比巨大。沒有量子力學(xué)作為工具，就不可能有化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)以及其他每一個關(guān)鍵學(xué)科的引人入勝的進(jìn)展。沒有量子力學(xué)就沒有全球經(jīng)濟(jì)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(jī)時代。同時，光子學(xué)的革命也將我們帶入信息時代。量子物理的杰作改變了我們的世界，科學(xué)革命為這個世界帶來了的福音，也帶來了潛在的威脅。 或許用下面的一段資料能最好地描述這個至關(guān)重要但又難以捉摸的理論的獨(dú)特地位： 量子理論是科學(xué)史上能最精確地被實驗檢驗的理論，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(rèn)它強(qiáng)大的威力，卻仍然對它的基礎(chǔ)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(guān)于熱輻射的經(jīng)典論文中，普朗克假定振動系統(tǒng)的總能量不能連續(xù)改變，而是以不連續(xù)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(jìn)了，普朗克后來將它擱置下來。隨后，愛因斯坦在1905年（這一年對他來說是非凡的一年）認(rèn)識到光量子化的潛在意義。不過量子的觀念太離奇了，后來幾乎沒有根本性的進(jìn)展?，F(xiàn)代量子理論的創(chuàng)立則是嶄新的一代物理學(xué)家花了20多年時間建立的。

量子物理實際上包含兩個方面

一個是原子層次的物質(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；另一個是量子場論，它在科學(xué)中起到一個完全不同的作用。

舊量子論

從輻射問題引入量子

量子革命的導(dǎo)火線不是對物質(zhì)的研究，而是輻射問題。具體的挑戰(zhàn)是理解黑體（指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射的物體）輻射的光譜?？具^火的人都很熟悉這樣一種現(xiàn)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(dāng)溫度升高時，光譜的峰值從紅線向黃線移動，然后又向藍(lán)線移動（在可見光范圍內(nèi)表現(xiàn)為主色調(diào)由紅變藍(lán)）。 結(jié)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，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(dá)式，與實驗符合得相當(dāng)完美。但是他也充分認(rèn)識到，理論本身是很荒唐的，就像他后來所說的那樣：“量子化只不過是一個走投無路的做法”。 普朗克將他的量子假設(shè)應(yīng)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(jié)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)生光的電磁場的能量也應(yīng)該是量子化的。盡管麥克斯韋理論以及一個多世紀(jì)的權(quán)威性實驗都表明光具有波動性，愛因斯坦的理論還是蘊(yùn)含了光的粒子性行為。隨后十多年的光電效應(yīng)實驗顯示僅當(dāng)光的能量到達(dá)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著一樣。光的波粒二象性取決于你觀察問題的著眼點，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。

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(fù)兩種電荷的粒子，異號電荷相互吸引。根據(jù)電磁理論，正負(fù)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，又是一個新秀尼爾斯·玻爾（NielsBohr）邁出了決定性的一步。1913年，玻爾提出了一個激進(jìn)的假設(shè)：原子中的電子只能處于包含基態(tài)在內(nèi)的定態(tài)上，電子在兩個定態(tài)之間躍遷而改變它的能量，同時輻射出一定波長的光，光的波長取決于定態(tài)之間的能量差。結(jié)合已知的定律和這一離奇的假設(shè)，玻爾掃清了原子穩(wěn)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(rèn)識到他的模型的成功之處和缺陷。憑借驚人的預(yù)見力，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年時間終于實現(xiàn)了他的夢想。 開始時，發(fā)展玻爾量子論（習(xí)慣上稱為舊量子論）的嘗試遭受了一次又一次的失敗。接著一系列的進(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行為應(yīng)該是對應(yīng)存在的。他將粒子的波長和動量聯(lián)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著什么，也不知道它與原子結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系。然而德布羅意的假設(shè)是一個重要的前奏，很多事情就要發(fā)生了。 1924年夏天，出現(xiàn)了又一個前奏。薩地?fù)P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(zhì)量的粒子（現(xiàn)稱為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經(jīng)典的玻耳茲曼統(tǒng)計規(guī)律，而遵循一種建立在粒子不可區(qū)分的性質(zhì)（即全同性）上的一種新的統(tǒng)計理論。愛因斯坦立即將玻色的推理應(yīng)用于實際的有質(zhì)量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數(shù)關(guān)于能量的分布規(guī)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將預(yù)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(jié)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，最后導(dǎo)致一場科學(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(chǔ)。 ·韋納·海森堡（WernerHeisenberg）、馬克斯·玻恩（MaxBorn）和帕斯庫爾·約當(dāng)（PascualJordan）提出了量子力學(xué)的第一個版本，矩陣力學(xué)。人們終于放棄了通過系統(tǒng)的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運(yùn)動這一歷史目標(biāo)。 ·埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrodinger）提出了量子力學(xué)的第二種形式，波動力學(xué)。在波動力學(xué)中，體系的狀態(tài)用薛定諤方程的解——波函數(shù)來描述。矩陣力學(xué)和波動力學(xué)貌似矛盾，實質(zhì)上是等價的。 ·電子被證明遵循一種新的統(tǒng)計規(guī)律，費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計。人們進(jìn)一步認(rèn)識到所有的粒子要么遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計，要么遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，這兩類粒子的基本屬性很不相同。 ·海森堡闡明測不準(zhǔn)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(yù)測了反物質(zhì)。 ·狄拉克提出電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎(chǔ)。 ·玻爾提出互補(bǔ)原理（一個哲學(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(fèi)米（EnricoFermi）24歲，狄拉克和約當(dāng)23歲。薛定諤是一個大器晚成者，36歲。玻恩和玻爾年齡稍大一些，值得一提的是他們的貢獻(xiàn)大多是闡釋性的。愛因斯坦的反應(yīng)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(dǎo)致量子理論的許多關(guān)鍵的觀念，他關(guān)于玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的論文是他對理論物理的最后一項貢獻(xiàn)，也是對物理學(xué)的最后一項重要貢獻(xiàn)。 創(chuàng)立量子力學(xué)需要新一代物理學(xué)家并不令人驚訝，開爾文爵士在祝賀玻爾1913年關(guān)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(rèn)為基本的新物理學(xué)必將出自無拘無束的頭腦。

量子力學(xué)的基礎(chǔ)建立

1928年，革命結(jié)束，量子力學(xué)的基礎(chǔ)本質(zhì)上已經(jīng)建立好了。后來，AbrahamPais以軼事的方式記錄了這場以狂熱的節(jié)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玻爾對電子自旋可能性的看法；玻爾用他那著名的低調(diào)評價的語言回答說，自旋這一提議是“非常，非常有趣的”。后來，愛因斯坦和PaulEhrenfest在萊頓碰到了玻爾并討論了自旋。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，遇到了更多的討論者。當(dāng)火車經(jīng)過德國的哥挺根時，海森堡和約當(dāng)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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)；JohnSlater，DouglasRaynerHartree，和VladimirFock隨后又提出了原子結(jié)構(gòu)的一般計算技巧；FritzLondon和WalterHeitler解決了氫分子的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)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(chǔ)，F(xiàn)elixBloch創(chuàng)立了能帶結(jié)構(gòu)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(jī)本性之謎，他表明α衰變是由量子力學(xué)的隧道效應(yīng)引起的。隨后幾年中，HansBethe建立了核物理的基礎(chǔ)并解釋了恒星的能量來源。隨著這些進(jìn)展，原子物理、分子物理、固體物理和核物理進(jìn)入了現(xiàn)代物理的時代。

量子力學(xué)要點

伴隨著這些進(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(dǎo)者的重要成員，他們信奉新理論，愛因斯坦和薛定諤則對新理論不滿意。

波函數(shù)

系統(tǒng)的行為用薛定諤方程描述，方程的解稱為波函數(shù)。系統(tǒng)的完整信息用它的波函數(shù)表述，通過波函數(shù)可以計算任意可觀察量的可能值。在空間給定體積內(nèi)找到一個電子的概率正比于波函數(shù)幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函數(shù)所在的體積內(nèi)。粒子的動量依賴于波函數(shù)的斜率，波函數(shù)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(tǒng)進(jìn)行同樣精心的測量不一定產(chǎn)生同一結(jié)果，相反，結(jié)果分散在波函數(shù)描述的范圍內(nèi)，因此，電子特定的位置和動量沒有意義。這可由測不準(zhǔn)原理表述如下：要使粒子位置測得精確，波函數(shù)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范圍內(nèi)；相反，若動量有很小的分布，波函數(shù)的斜率必很小，因而波函數(shù)分布于大范圍內(nèi)，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，振幅同相時相加，反相時相減。當(dāng)波沿著幾條路徑從波源到達(dá)接收器，比如光的雙縫干涉，一般會產(chǎn)生干涉圖樣。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(rèn)為是媒質(zhì)中的一種擾動，然而量子力學(xué)中沒有媒質(zhì)，從某中意義上說根本就沒有波，波函數(shù)本質(zhì)上只是我們對系統(tǒng)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(yùn)動而構(gòu)成。氦原子的波函數(shù)描述了每一個電子的位置，然而沒有辦法區(qū)分哪個電子究竟是哪個電子，因此，電子交換后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(shù)的幅值的平方，因而粒子交換后體系的波函數(shù)與原始波函數(shù)的關(guān)系只可能是下面的一種：要么與原波函數(shù)相同，要么改變符號，即乘以-1。到底取誰呢？ 量子力學(xué)令人驚詫的一個發(fā)現(xiàn)是電子的波函數(shù)對于電子交換變號。其結(jié)果是戲劇性的，兩個電子處于相同的量子態(tài)，其波函數(shù)相反，因此總波函數(shù)為零，也就是說兩個電子處于同一狀態(tài)的概率為0，此即泡利不相容原理。所有半整數(shù)自旋的粒子(包括電子)都遵循這一原理，并稱為費(fèi)米子。自旋為整數(shù)的粒子(包括光子)的波函數(shù)對于交換不變號，稱為玻色子。電子是費(fèi)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(xiàn)超強(qiáng)度的光束(本質(zhì)上是一個量子態(tài))。最近，氣體原子被冷卻到量子狀態(tài)而形成玻色-愛因斯坦凝聚，這時體系可發(fā)射超強(qiáng)物質(zhì)束，形成原子激光。 這一觀念僅對全同粒子適用，因為不同粒子交換后波函數(shù)顯然不同。因此僅當(dāng)粒子體系是全同粒子時才顯示出玻色子或費(fèi)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(cè)面之一，量子場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

量子力學(xué)意味著什么？波函數(shù)到底是什么？測量是什么意思？這些問題在早期都激烈爭論過。直到1930年，玻爾和他的同事或多或少地提出了量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)闡釋，即哥本哈根闡釋；其關(guān)鍵要點是通過玻爾的互補(bǔ)原理對物質(zhì)和事件進(jìn)行概率描述，調(diào)和物質(zhì)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(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)爭論的焦點是：究竟是波函數(shù)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(jié)果。60年代中期約翰·S·貝爾(JohnS.Bell)證明，如果存在隱變量，那么實驗觀察到的概率應(yīng)該在一個特定的界限之下，此即貝爾不等式。多數(shù)小組的實驗結(jié)果與貝爾不等式相悖，他們的數(shù)據(jù)斷然否定了隱變量存在的可能性。這樣，大多數(shù)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)，簡單說來，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)，一般說來，有時得到這一個值，有時得到另一個值。至此還沒有出現(xiàn)任何古怪。 但是可以構(gòu)造處于糾纏態(tài)的雙原子體系，使得兩個原子共有相同的性質(zhì)。當(dāng)這兩個原子分開后，一個原子的信息被另一個共享(或者說是糾纏)。這一行為只有量子力學(xué)的語言才能解釋。這個效應(yīng)太不可思議以至于只有少數(shù)活躍的理論和實驗機(jī)構(gòu)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(yīng)用于量子信息系統(tǒng)，也成為量子計算機(jī)的基礎(chǔ)。

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)行著另一場革命，量子物理的另一個分支——量子場論的基礎(chǔ)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，量子場論的創(chuàng)立經(jīng)歷了一段曲折的歷史，一直延續(xù)到今天。盡管量子場論是困難的，但它的預(yù)測精度是所有物理學(xué)科中最為精確的，同時，它也為一些重要的理論領(lǐng)域的探索提供了范例。 激發(fā)提出量子場論的問題是電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)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(fā)輻射，但他無法計算自發(fā)輻射系數(shù)。解決這個問題需要發(fā)展電磁場(即光)的相對論量子理論。量子力學(xué)是解釋物質(zhì)的理論，而量子場論正如其名，是研究場的理論，不僅是電磁場，還有后來發(fā)現(xiàn)的其它場。 1925年，玻恩，海森堡和約當(dāng)發(fā)表了光的量子場論的初步想法，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(dú)自提出的場論。狄拉克的理論有很多缺陷：難以克服的計算復(fù)雜性，預(yù)測出無限大量，并且顯然和對應(yīng)原理矛盾。

量子場論出現(xiàn)

40年代晚期，量子場論出現(xiàn)了新的進(jìn)展，理查德·費(fèi)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(xué)(縮寫為QED)。他們通過重整化的辦法回避無窮大量，其本質(zhì)是通過減掉一個無窮大量來得到有限的結(jié)果。由于方程復(fù)雜，無法找到精確解，所以通常用級數(shù)來得到近似解，不過級數(shù)項越來越難算。雖然級數(shù)項依次減小，但是總結(jié)果在某項后開始增大，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(xué)史上最成功的理論之一，用它預(yù)測電子和磁場的作用強(qiáng)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(tuán)。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驗所證實的。 對于我們周圍的低能世界，量子力學(xué)已足夠精確，但對于高能世界，相對論效應(yīng)作用顯著，需要更全面的處理辦法，量子場論的創(chuàng)立調(diào)和了量子力學(xué)和狹義相對論的矛盾。 量子場論的杰出作用體現(xiàn)在它解釋了與物質(zhì)本質(zhì)相關(guān)的一些最深刻的問題。它解釋了為什么存在玻色子和費(fèi)米子這兩類基本粒子，它們的性質(zhì)與內(nèi)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(guān)于輕子的理論，它不能描述被稱為強(qiáng)子的復(fù)雜粒子，它們包括質(zhì)子、中子和大量的介子。對于強(qiáng)子，提出了一個比QED更一般的理論，稱為量子色動力學(xué)(QCD)。QED和QCD之間存在很多類似：電子是原子的組成要素，夸克是強(qiáng)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(yīng)點，它們?nèi)杂兄卮蟮膮^(qū)別。與輕子和光子不同，夸克和膠子永遠(yuǎn)被幽禁在強(qiáng)子內(nèi)部，它們不能被解放出來孤立存在。 QED和QCD構(gòu)成了大統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模型的基石。標(biāo)準(zhǔn)模型成功地解釋了現(xiàn)今所有的粒子實驗，然而許多物理學(xué)家認(rèn)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(shù)據(jù)還要來自實驗；一個理想的理論應(yīng)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

今天，尋求對物質(zhì)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(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(yuǎn)?，F(xiàn)在必須努力尋求引力的量子描述，半個世紀(jì)的努力表明，QED的杰作——電磁場的量子化程序?qū)τ谝鍪?。問題是嚴(yán)重的，因為如果廣義相對論和量子力學(xué)都成立的話，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(yīng)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(qiáng)的體系，我們沒有可靠的辦法預(yù)測其量子行為。 一個世紀(jì)以前，我們所理解的物理世界是經(jīng)驗性的；20世紀(jì)，量子力學(xué)給我們提供了一個物質(zhì)和場的理論，它改變了我們的世界；展望21世紀(jì)，量子力學(xué)將繼續(xù)為所有的科學(xué)提供基本的觀念和重要的工具。我們作這樣自信的預(yù)測是因為量子力學(xué)為我們周圍的世界提供了精確的完整的理論；然而，今日物理學(xué)與1900年的物理學(xué)有很大的共同點：它仍舊保留了基本的經(jīng)驗性，我們不能徹底預(yù)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(rèn)為可以解釋這一謎團(tuán)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(jié)果何如，從科學(xué)的黎明時期就開始的對自然的終極理解之夢將繼續(xù)成為新知識的推動力。從現(xiàn)在開始的一個世紀(jì)，不斷地追尋這個夢，其結(jié)果將使我們所有的想象成為現(xiàn)實。 時空不同區(qū)域之間的蟲洞的思想并非科學(xué)幻想作家的發(fā)明，它的起源是非常令人尊敬的。

愛因斯坦——羅森“橋”

1935年愛因斯坦和納珍·羅森寫了一篇論文。在該論文中他們指出廣義相對論允許他們稱為“橋”，而現(xiàn)在稱為蟲洞的東西。愛因斯坦——羅森橋不能維持得足夠久，使得空間飛船來得及穿越：蟲洞會縮緊，而飛船撞到奇點上去。然而，有人提出，一個先進(jìn)的文明可能使蟲洞維持開放。人們可以把時空以其他方式卷曲，使它允許時間旅行。可以證明這需要一個負(fù)曲率的時空區(qū)域，如同一個馬鞍面。通常的物質(zhì)具有正能量密度，賦予時空以正曲率，如同一個球面。所以為了使時空卷曲成允許旅行到過去的樣子，人們需要負(fù)能量密度的物質(zhì)。 能量有點像金錢：如果你有正的能量，就可以用不同方法分配，但是根據(jù)本世紀(jì)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(chǔ)的。量子定律更慷慨些，只要你總的能量是正的，你就允許從一個或兩個賬號透支。換言之，量子理論允許在一些地方的能量密度為負(fù)，只要它可由在其他地方的正的能量密度所補(bǔ)償，使得總能量保持為正的。量子理論允許負(fù)能量密度的一個例子是所謂的卡西米爾效應(yīng)，甚至我們認(rèn)為是“空”的空間也充滿了虛粒子和虛反粒子對，它們一起出現(xiàn)分離開，再返回一起并且相互湮滅?，F(xiàn)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類似鏡子的作用。事實上，在它們之間形成了一個空腔。它有點像風(fēng)琴管，只對指定的音階共鳴。這意味著，只有當(dāng)平板間的距離是虛光子波長（相鄰波峰之間的距離）的整數(shù)倍時，這些虛光子才會在平板之中的空間出現(xiàn)。如果空腔的寬度是波長的整數(shù)倍再加上部分波長，那么在前后反射多次后，一個波的波峰就會和另一個波谷相重合，這樣波動就被抵消了。 因為平板之間的虛光子只能具有共振的波長，所以虛光子的數(shù)目比在平板之外的區(qū)域要略少些，在平板之外的虛光子可以具有任意波長。所以人們可以預(yù)料到這兩片平板遭受到把它們往里擠的力。實際上已經(jīng)測量到這種力。并且和預(yù)言的值相符。這樣，我們得到了虛粒子存在并具有實在效應(yīng)的實驗證據(jù)。 在平板之間存在更少虛光子的事實意味著它們的能量密度比它處更小。但是在遠(yuǎn)離平板的“空的”空間的總能量密度必須為零，因為否則的話，能量密度會把空間卷曲起來，而不能保持幾乎平坦。這樣，如果平板間的能量密度比遠(yuǎn)處的能量密度更小，它就必須為負(fù)的。 這樣，我們對以下兩種現(xiàn)象都獲得了實驗的證據(jù)。第一，從日食時的光線彎折得知時空可以被卷曲。第二，從卡西米爾效應(yīng)得知時空可被彎曲成允許時間旅行的樣子。所以，人們希望隨著科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)，我們最終能夠造出時間機(jī)器。但是，如果這樣的話，為什么從來沒有一個來自未來的人回來告訴我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)呢？鑒于我們現(xiàn)在處于初級發(fā)展階段，也許有充分理由認(rèn)為，讓我們分享時間旅行的秘密是不智的。除非人類本性得到徹底改變，非常難以相信，某位從未來飄然而至的訪客會貿(mào)然泄漏天機(jī)。當(dāng)然，有些人會宣稱，觀察到幽浮就是外星人或者來自未來的人們來訪的證據(jù)（如果外星人在合理的時間內(nèi)到達(dá)此地，他們則需要超光速旅行，這樣兩種可能性其實是等同的）。 然而，任何外星來的或者來自未來的人的造訪應(yīng)該是更加明顯，或許更加令人不悅。如果他們有意顯靈的話，為何只對那些被認(rèn)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。 一種對來自未來的訪客缺席的可能解釋方法是，因為我們觀察了過去并且發(fā)現(xiàn)它并沒有允許從未來旅行返回所需的那類卷曲，所以過去是固定的。另一方面，未來是未知的開放的，所以也可能有所需的曲率。這意味著，任何時間旅行都被局限于未來。此時此刻，柯克船長和星際航船沒有機(jī)會出現(xiàn)。

量子物理學(xué)對中醫(yī)學(xué)的意義

哲學(xué)是從原則高度指導(dǎo)人們的思想和社會實踐的，量子物理學(xué)哲學(xué)觀點對中醫(yī)理論的理解與支持廣泛而深刻。 一、整體觀問題 分兩個方面講，第一，量子哲學(xué)整體觀認(rèn)為，粒子的種種特性依賴于全體宏觀測量條件，因此部分的性質(zhì)只有與整體系統(tǒng)結(jié)合起來才能獲得，離開了與整體的聯(lián)系，部分是沒有意義的。而中醫(yī)理論強(qiáng)調(diào)的“天人合一”思想，正與之有異曲同工的呼應(yīng)?！疤烊撕弦弧钡乃枷胝J(rèn)為：“人類與周圍的世界是統(tǒng)一的，人就是其中的一個部分，一個方面，……天道變化必然影響人道”因此中醫(yī)理論認(rèn)為：“天地萬物本為一體”，“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(yīng)也?！薄吧蒲蕴煺?，必應(yīng)于人”等等，說明人類是天地這一整體系統(tǒng)中的一個部分，不可避免地受到自然界的影響，不可以獨(dú)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部分。第二，量子哲學(xué)整體觀認(rèn)為，相關(guān)的分離部分必須看成是一個整體，分離的部分間有著同謀協(xié)作的關(guān)聯(lián)性。中醫(yī)理論也認(rèn)為人不僅與自然界是一個不可分割的整體，人的自身也是一個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(tǒng)一的，都具有關(guān)聯(lián)性。如中醫(yī)理論的臟腑相關(guān)學(xué)說、經(jīng)絡(luò)臟腑相關(guān)學(xué)說都說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(diào)彼此為用，人體疾病的發(fā)病機(jī)理上互相影響等等。不僅如此，中醫(yī)理論也認(rèn)為“物類”是“相感”的，北宋贊寧著有《物類相感志》，記述了物類相感的種種特殊現(xiàn)象共有400多例，說明生長在同一個自然環(huán)境里的分離的部分是有顯著的感應(yīng)現(xiàn)象的。這種具體實用的整體觀顯然和量子哲學(xué)的整體觀有著很深的認(rèn)同。 二、互補(bǔ)原理與陰陽學(xué)說 如前所述，量子哲學(xué)的“互補(bǔ)原理”觀點認(rèn)為：事物具有兩個不相容的側(cè)面，要得到對該事物性質(zhì)完整的認(rèn)識，必須使用兩個方面各自測量的結(jié)果進(jìn)行互補(bǔ)的描述。這種觀點早在中醫(yī)理論的陰陽學(xué)說中就有著從理論到具體應(yīng)用的理解與闡述。比如，“一陰一陽之謂道”，“陰不可無陽，非氣無以生形也;陽不可無陰，非形無以載氣也。”“陰陽又各互為其根，陽根于陰，陰根于陽；無陽則陰無以生，無陰則陽無以化?！钡?，說明事物具有兩個方面，互為依存，不可偏廢某一方面的觀察；在把陰陽理論應(yīng)用到中醫(yī)的各種醫(yī)療實踐上則有，“人生有形，不離陰陽?！薄吧圃\者，察色按脈，先別陰陽?！薄搬t(yī)道雖繁，而可以一言蔽之者，曰陰陽而已。故證有陰陽，脈有陰陽，藥有陰陽……設(shè)能明徹陰陽，則醫(yī)理雖玄，思過半矣。”“謹(jǐn)察陰陽所在而調(diào)之，以平為期”等等，說明在醫(yī)療實踐中陰陽兩方面的變化是要同時觀察的。另外，玻爾還認(rèn)為：這種互補(bǔ)原理是自然界固有的并不只是實驗制作粗糙的結(jié)果。中醫(yī)的陰陽理論對這也早有深切的理解，比如“陰陽者，天地之道也，萬物之綱紀(jì)，變化之父母，生殺之本始，神明之府也。”“陰陽者，萬物之能始也?！薄瓣庩栒?，數(shù)之可十，推之可百，數(shù)之可千，推之可萬，萬之大不可勝數(shù)；然其要一也?！钡鹊?。互補(bǔ)原理和陰陽學(xué)說都承認(rèn)事物有這種并協(xié)性，并且這種并協(xié)性是根植于自然萬物中的。事實上，玻爾把中國古老的陰陽太極圖作為其家族的族徽，并在上面刻了“對立即互補(bǔ)”的字樣，正反映出互補(bǔ)原理和陰陽學(xué)說之間的那種淵源的內(nèi)在聯(lián)系。 三、精神的作用問題 量子物理學(xué)提供了迄今為止最令人信服的實驗，證明意識在物質(zhì)實在的本質(zhì)中扮演了極重要的角色，所以量子哲學(xué)認(rèn)為：精神與物質(zhì)互為依存，精神應(yīng)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(jié)論之一，難怪波爾說：“假如一個人不為量子論感到困惑，那它就是沒有明白量子論。”其實，這種哲學(xué)觀點對于中國人來說應(yīng)該不太陌生，尤其是對于學(xué)中醫(yī)的人們來說。我們都知道中醫(yī)特別講“醫(yī)者意也”，這里的“意”一是指注意力。比如，“醫(yī)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。”“小針之要，易陳而難入。粗守形，上守神。粗守關(guān)，上守機(jī)”，強(qiáng)調(diào)“守神”、“守機(jī)”即強(qiáng)調(diào)注意力的集中對于治病的重要。這不是一般意義上的認(rèn)真，而是“經(jīng)氣已至，慎守勿失，淺深在志，遠(yuǎn)近若一，如臨深淵，手如握虎，神無營于眾物?！睉?yīng)該是一種意念的把守。二是指在診治過程中的思維作用。比如，“醫(yī)者意也，在人思慮。”“善于用意，即為良醫(yī)?！薄皼r醫(yī)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(qiáng)弱盛衰，千變?nèi)f態(tài)，不可言。既茍非精其意而通其妙，烏能已人之疾?！钡鹊龋瑥?qiáng)調(diào)中醫(yī)治病在診脈、用藥過程中醫(yī)家的思維、悟性、直覺、靈活性等個人精神素質(zhì)的重要，只有通過“精其意而通其妙”的思維過程，方能正確辨識疾病，并找到正確的治療方法。這與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)愈來愈偏向“儀器+藥物”的診治手段相比，是非常強(qiáng)調(diào)主觀思維作用的，不管是“注意力”還是“思維作用”，強(qiáng)調(diào)的都是醫(yī)家的精神活動在醫(yī)療實踐領(lǐng)域中的作用。其實，這正是處理整體問題、非線性科學(xué)中通常都強(qiáng)調(diào)的，中醫(yī)不是那種線性科學(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(yī)理論討論的不是一個領(lǐng)域的問題，切入點也各不相同，然而在強(qiáng)調(diào)精神作用的哲學(xué)觀點上，它們殊途同歸并且互為詮釋。 四、方法論問題 還原論的世界觀在微觀量子世界里的失效，直接導(dǎo)致量子哲學(xué)不僅對還原論的世界觀而且對其研究方法的普適性提出質(zhì)疑。人們不禁要問：還原論的方法論適應(yīng)于所有事物的研究嗎？是衡量所有事物科學(xué)性的惟一標(biāo)尺嗎？敏感的人們會立刻回想起400多年前現(xiàn)代科學(xué)還沒有誕生時人們觀察整體問題和復(fù)雜問題所使用過的方法，那就是人類認(rèn)識世界圖像的另一個基本方法——對整體和復(fù)雜事物所采取的“直覺+經(jīng)驗+實踐檢驗”方法。事實上，如果我們希望理解的是一幅完整的世界圖像，就應(yīng)該針對不同的對象選擇合適的認(rèn)識形式及其研究方法去觀察研究，不能混用或者只用一種認(rèn)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(yī)理論、堅持從武器的基本結(jié)構(gòu)去考察一支部隊的戰(zhàn)斗力等等。還原論的“實證+推理”方法是我們認(rèn)識世界的一只眼睛，整體論所采取的方法是我們認(rèn)識世界的另一只眼睛，在認(rèn)為還原論及其方法論才是科學(xué)的觀念統(tǒng)領(lǐng)我們認(rèn)知領(lǐng)域幾百年后的今天，量子哲學(xué)整體觀的提出無疑對中醫(yī)藥學(xué)的理論和方法學(xué)都是一個極大的肯定。我們都看到，就在我們國人為“中醫(yī)學(xué)是否是科學(xué)”、“中醫(yī)藥的方法學(xué)是否是科學(xué)的”問題爭得熱火朝天時，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、整體、系統(tǒng)的角度研究問題，其代表是中醫(yī)研究方法，這種方法值得進(jìn)一步研究和學(xué)習(xí)?！蔽覀儜?yīng)該為此感到深深的鼓舞和欣慰！