量子理論

量子理論

19世紀末20世紀初,物理學處於新舊交替的時期。生產的發展和技術的提高,導致了物理實驗上一系列重大發現,使當時的經典物理理論大廈越發牢固,欣欣向榮,而唯一不協調的只是物理學天空上小小的"兩朵烏雲"。但是正是這兩朵烏雲卻揭開了物理學革命的序幕:一朵烏雲下降生了量子論,緊接著從另一朵烏雲下降生了相對論。量子論和相對論的誕生,使整個物理學面貌為之一新。

基本信息

簡介

量子理論量子理論

量子論是現代物理學的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關於自然界的表述

方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質世界的基本規律,為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等。

基本介紹

量子世界

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於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),另一個主要特徵是它們所涉及的許多巨觀世界所對應的物理量往往不能取連續變化的值,(如:坐標、動量、能量、角動量、自鏇),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律不再是經典的牛頓力學,而是量子物理學。量子物理學是當今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。

由於巨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,而且在深入研究巨觀物體的微結構和特殊的物理性質中也發揮著巨大作用。

量子物理學的建立

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

量子物理學的內容

本書將介紹有關量子力學的基礎知識。

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的特殊方法--波函式,以及微觀粒子不同於經典粒子的基本特徵--不確定關係。

第2章介紹微觀粒子的基本運動方程(非相對論形式)--薛丁格方程。對於此方程,首先把它套用於勢阱中的粒子,得出微觀粒子在束縛態中的基本特徵--能量量子化、勢壘穿透等。

第3章用量子概念介紹(未經詳細的數學推導)了電子在原子中運動的規律,包括能量、角動量的量子化,自鏇的概念,泡利不相容原理,原子中電子的排布,X光和雷射的原理等。

第4章介紹固體中的電子的量子特徵,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、結合能、核模型、核衰變及核反應等。關於基本粒子的知識和當今關於宇宙及其發展的知識也都屬於量子物理的範圍,其基本內容在本套書第一冊力學"今日物理趣聞A基本粒子"和第二冊熱學"今日物理趣聞A大爆炸和宇宙膨脹"中分別有所介紹,在本書中不再重複。

量子物理學的價值

20世紀物理學的發展表明,量子物理是人們認識和理解微觀世界的基礎。量子物理和相對論的成就使得物理學從經典物理學發展到現代物理學,奠定了現代自然科學的主要基礎。

當然,隨著物理學和其它自然科學的進一步發展,人們認識的逐步深化,量子物理學也會進一步地豐富和發展。至今為止、量子力學的某些基本觀念和哲學意義,科學家們仍然繼續爭論不休,這是一門科學在走向成熟過程中的一個必經的階段。

量子力學

量子力學

量子力學是一門奇妙的理論。它的許多基本概念、規律與方法都和經典物理的基本概念、規律和方法截然不同。

量子物理學的現象不同於我們在日常生活中所觀察到的物理現象,其理論比較抽象,其數學工具比較艱深。因此人們往往將量子力學稱為研究量子現象的數學,本書(量子物理)實際上可以稱為量子力學初步或量子力學導論。

量子力學詮釋:霍金膜上的四維量子論

類似10維或11維的“弦論”=振動的弦、震盪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

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;震盪中的象量子(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=粒子的震盪(平動粒子的震動)

發展簡史

量子力學的獨特地位

儘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產物的電子學革命將我們帶入了計算機時代。同時,光子學的革命也將我們帶入資訊時代。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。

或許用下面的一段資料能最好地描述這個至關重要但又難以捉摸的理論的獨特地位:

量子理論是科學史上能最精確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儘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,在他關於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,普朗克後來將它擱置下來。隨後,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。

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。

量子理論的發展與建立

該文回顧了從量子理論提出到量子力學建立的一段歷史,詳細敘述了在量子理論發展過程中每一種新的思想提出的曲折經過。

馬克思有句名言:“歷史上有驚人的相似之處。”正處於新的世紀之交的20世紀的物理學碩果纍纍,但也遇到兩大困惑——夸克禁閉和對稱性破缺,這預示著物理學正面臨新的挑戰。重溫百年前量子論建立與發展的那段歷史,也許會使我們受到新的啟迪。

歷史的孕育

在19世紀末,經典物理學理論已經發展到相當完備的階段,幾個主要部門——力學,熱力學和分子運動論,電磁學以及光學,都已經建立了完整的理論體系,在套用上也取得了巨大成果,其主要標誌是:物體的機械運動在其速度遠小於光速的情況下,嚴格遵守牛頓力學的規律;電磁現象總結為麥克斯韋方程組;光現象有光的波動理論,最後也歸結為麥克斯韋方程組;熱現象有熱力學和統計物理的理論。

量子理論量子理論

在當時看來,物理學的發展似乎已

達到了巔峰,於是,多數物理學家認為物理學的重要定律均已找到,偉大的發現不會再有了,理論已相當完善了,以後的工作無非是在提高實驗精度和理論細節上作些補充和修正,使常數測得更精確而已。英國著名物理學家開爾文在一篇瞻望20世紀物理學的文章中,就曾談到:“在已經基本建成的科學大廈中,後輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。”

然而,正當物理學界沉浸在滿足的歡樂之中的時候,從實驗上陸續出現了一系列重大發現,如固體比熱、黑體輻射、光電效應、原子結構……

這些新現象都涉及物質內部的微觀過程,用已經建立起來的經典理論進行解釋顯得無能為力。特別是關於黑體輻射的實驗規律,運用經典理論得出的瑞利-金斯公式,雖然在低頻部分與實驗結果符合得比較好,但是隨著頻率的增加,輻射能量單調地增加,在高頻部分趨於無限大,即在紫色一端發散。這一情況被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”。對麥可遜-莫雷實驗所得出的“零結果”更是令人費解,實驗結果表明,根本不存在“以太漂移”。這引起了物理學家的震驚,反映出經典物理學面臨著嚴峻的挑戰。

這兩件事被當時物理學界的權威稱為“在物理學晴朗的天空的遠處還有兩朵小小的,令人不安的烏雲”。然而就是這兩朵小小的烏雲,給物理學帶來了一場深刻的革命。

下表列出了世紀之交,物理學上有重大意義的實驗發現:

年代 人物 貢獻
1895 倫琴 發現X射線
1896 貝克勒爾 發現放射性
1896 塞曼 發現 磁場 使光譜線分裂
1897 J.J湯姆生 發現電子
1898 盧瑟福 α射線
1898 居里夫婦 發現放射性元素釙和鐳
1899--1900 盧梅爾和魯本斯等人 發現熱輻射能量分布曲線偏離 維恩 分布率
1900 維拉德 Gamma射線
1901 考夫曼 發現電子的質量隨速度增加
1902 勒那德 發現光電效應基本規律
1902 里查森 發現熱電子發射規律
1903 盧瑟福 發現放射性元素的蛻變規律
量子理論量子理論

這些新的物理現象,打破了沉悶的空氣,把人們的注意力引向更深入,更廣闊的天地。這一系列新發現,跟經典物理學的理論體系產生了尖銳的矛盾,暴露了經典物理理論中的隱患,指出了經典物理學的局限。物理學只有從觀念上,從基本假設上以及從理論體系上來一番徹底的變革,才能適應新的形勢。

由於這些新發現,物理學面臨大發展的局面:

1.電子的發現,打破了原子不可分的傳統觀念,開闢了原子研究的嶄新領域;

2.放射性的發現,導致了放射學的研究,為原子核物理學作好必要的準備;

3.以太漂移的探索,使以太理論處於重重矛盾之中,為從根本上拋開以太存在的假設,創立狹義相對論提供了重要依據;

4.黑體輻射的研究導致了普朗克黑體輻射定律的發現,由此提出了能量子假說,為量子理論的建立打響了第一炮。

總之,在世紀之交的年代裡,物理學處於新舊交替的階段。這個時期,是物理學發展史上不平凡的時期。經典理論的完整大廈,與晴朗天空的遠方漂浮著兩朵烏雲,構成了19世紀末的畫卷;20世紀初,新現象新理論如雨後春筍般不斷湧現,物理學界思想異常活躍,堪稱物理學的黃金時代。這些新現象與經典理論之間的矛盾,迫使人們衝破原有理論的框架,擺脫經典理論的束縛,在微觀理論方面探索新的規律,建立新的理論。

舊量子論的建立

20世紀初,新的實驗事實不斷發現,經典物理學在解釋一些現象時出現了困難,其中表現最為明顯和突出的是以下三個問題:

黑體輻射問題;

光電效應問題;

原子穩定性和原子光譜。

量子概念就是在對這三個問題進行理論解釋時作為一種假設而提出的。

1 黑體輻射的研究

熱輻射是19世紀發展起來的一門新學科,它的研究得到了熱力學和光譜學的支持,同時用到了電磁學和光學的新興技術,因此發展很快。到19世紀末,由這個領域又打開了一個缺口,即關於黑體輻射的研究,導致了量子論的誕生。為了得出和實驗相符合的黑體輻射定律,許多物理學家進行了各種嘗試。

量子理論量子理論

1893年德國物理學家維恩(Winhelm Wein,1864-1928)提出一個黑體輻射能量分布定律,即維恩公式。這個公式在短波部分與實驗中觀察到的結果較為符合,但是在長波部分則明顯地與實驗不符。

1900年英國物理學家瑞利(Rayleigh)和金斯(J.H.Jeans)又提出一個輻射定律,即瑞利-金斯公式,這個公式在長波部分與觀察一致,而在短波(高頻)部分則與實驗大相逕庭,導致了所謂的“紫外災難”。這個“災難”使多數物理學家敏銳地看到,經典物理正面臨著嚴重的危機。1900年,才華橫溢而又保守謹慎的德國物理學家普朗克(MaxPlanck,1858-1947)為解決黑體輻射問題,大膽地提出了一個革命性的思想:電磁振盪只能以“量子”的形式發生,量子的能量E和頻率u之間有一確定的關係[E=h u] h為一自然的基本常數。普朗克假定:黑體以h u為能量單位不連續地發射和吸收頻率為u的輻射,而不是象經典理論所要求的那樣可以連續地發射和吸收能量。令人驚嘆的是,普朗克利用這個荒謬絕倫的因素,能夠在理論上得到與觀察一致的能量-頻率關係。

普朗克是一名出色的物理學工作者,長期從事熱力學的研究工作。自1894年起,他把注意力轉向黑體輻射問題。瑞利公式提出後,普朗克試圖用“內插法”找到一個普遍化公式,把代表短波方向的維恩公式和代表長波方向的瑞利-金斯公式綜合在一起。很快地,他就找到了:[frac{8pi h u^}{c^} ullet frac{e^{h u/KT}-1} ]這就是普朗克輻射定律。與維恩公式相比,僅在指數函式後多了一個(-1)。作為理論物理學家,普朗克當然不滿足於找到一個經驗公式。實驗結果越是證明他的公式與實驗相符,就越促使他致力於探求這個公式的理論基礎。為從理論上推導這一新定律,普朗克以最緊張的工作,經過兩三個月的努力,終於在1900年底用一個能量不連續的諧振子假設,按照玻爾茲曼的統計方法,推出了黑體輻射公式。普朗克解決黑體輻射問題並提出能量子假說的關鍵,是採用了玻爾茲曼的方法。玻爾茲曼是熱力學第二定律的統計解釋的提出者。

1877年,玻爾茲曼在討論能量在分子間的分配問題時,把實際連續可變的能量分成分立的形式加以討論。普朗克本來一直是玻爾茲曼統計觀點的反對者,為此曾與玻爾茲曼進行過論戰。然而,當他從熱力學的普遍理論出發,無法直接推出新的輻射定律時,他只好“孤注一擲”地使用玻爾茲曼的統計方法了。出乎所有人的意料,這個"孤注一擲",不僅解決了黑體輻射問題,使一場"災難"消於無形,更為重要的是,普朗克憑此壯舉,揭示了量子論光臨的曙光。

普朗克的能量子概念,是近代物理學中最重要的概念之一,在物理學發展史上具有劃時代的意義。自從17世紀以來,"一切自然過程都是連續的"這條原理,似乎被認為是天經地義的。萊布尼茲和牛頓創立的無限小數量的演算,微積分學的基本精神正體現了這一點;而普朗克的新思想是與經典理論相違背的,它衝破了經典物理傳統觀念對人們的長期束縛,這就為人們建立新的概念,探索新的理論開拓了一條新路。在這個假設的啟發下,許多微觀現象得到了正確的解釋,並在此基礎上建立起一個比較完整的,並成為近代物理學重要支柱之一的量子理論體系。許多物理學家認為,1900年不僅是歷史書上一個新世紀的開始,也是物理學發展史上一個新紀元的開端,它標誌著人類對自然的認識,對客觀規律的探索從巨觀領域進入微觀領域的物理學新時代的開始。另外,同任何新生理論一樣,普朗克的量子理論仍須進一步完善。在普朗克的理論中,他只考慮器壁上振子是量子化的,而對空腔內的電磁輻射,普朗克認為它仍是連續的,只有當它們與器壁振子能量交換時,其能量才顯示出不連續性,至於電磁波在空間傳播過程中如何分布,普朗克亦未說明。而年輕的愛因斯坦,則在普朗克理論的基礎上,為量子理論的發展打開了新的局面。

2 光電效應的研究

1905年,愛因斯坦針對經典理論解釋光電效應所遇到的困難,發表了他的著名論文《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點》。在這篇論文中,愛因斯坦總結了光學發展中微粒說和波動說長期爭論的歷史,揭示了經典理論的困境,在普朗克能量子假說的基礎上,提出了一個嶄新的觀點——光量子假說。

愛因斯坦從經驗事實出發,闡明了能量子存在的客觀性。他指出,19世紀中期,光的波動說與電磁理論取得了絕對性的勝利,但在光的產生與轉化的瞬時現象中,光的波動說與經驗事實不相符。愛因斯坦注意到,如果假定黑體空腔中的電磁輻射有粒子性,即假定輻射能量由大小為h u的量子組成,就能理解普朗克的奇怪的黑體輻射定律的某些方面,而光是電磁波,可以看作由光量子組成。他在文中寫道:"在我看來,如果假定光的能量在空間的分布是不連續的,就可以更好地理解黑體輻射、光致發光、紫外線產生陰極射線(即光電效應),以及其他有關光的產生和轉化的現象的各種觀測結果。根據這一假設,從點光源發射出來的光束的能量在傳播過程中將不是連續分布在越來越大的空間中,而是由一個數目有限的局限於空間各點的能量子所組成。這些能量子在運動中不再分散,只能整個地被吸收或產生。"

愛因斯坦早已意識到量子概念必然會引起物理學基本理論的變革,不過,在普朗克看來,電磁場在本質上還是連續的波。在這裡,愛因斯坦明確指出,光的能量不僅在輻射時是一份一份的,即量子化的,而且在傳播過程中以及在與物質相互作用過程中也是一份一份的,這就是說,電磁場能量本身是量子化的,輻射場也不是連續的,而是由一個個集中存在的,不可分割的能量子組成的。

愛因斯坦把這一個個能量子稱為"光量子",1926年被美國物理學家路易斯定名為"光子"。同時,愛因斯坦從維恩公式有效範圍內的輻射熵的討論中,得到了光量子的能量表達式:[E=h u]愛因斯坦認為,當光照到金屬表面時,能量為h u的光子與電子之間發生了能量交換,電子全部吸收了光子的能量,從而具有了能量E=h u,但要使電子從金屬表面逸出,則須克服金屬表面對它的吸引力,損失掉一部分能量,即電子須克服吸引力而做功W(逸出功)。根據能量轉化和守恆定律可知,剩下的一部分能量就成為離開表面時的動能:[ E_=h u-W(ox{W和材料有關}) ],這就是愛因斯坦的光電方程。

依據愛因斯坦的光量子假說和光電方程,便可以非常出色地解釋光電效應的實驗結果。從上式可以看到,電子逸出金屬表面的速度(動能),只與光的頻率和所用材料有關而與光的強度無關;當所用光的頻率低於某一特定值時,即h u小於W時,無論光強多大,電子都不會逸出金屬表面。1923年,美國物理學家康普頓通過X射線在物質中的散射實驗,進一步證實了光量子的存在,為愛因斯坦的理論提供了有力的證據。

愛因斯坦之所以能得出光電方程,並對光電效應進行了正確的解釋,主要是由於他對黑體輻射現象的深入理解,得到了普朗克能量子假說的啟發,再加上他的堅實的知識基礎和創新的精神,愛因斯坦提出光量子假說和光電方程,又的確是非常大膽的,因為在當時還沒有足夠的實驗事實來支持他的理論,儘管理論與已有的實際觀測結果並無矛盾,愛因斯坦非常謹慎,所以稱之為"試探性觀點"。但如果我們比較詳細地回顧一下光電效應的發現史,就會更加佩服愛因斯坦的膽略。

光量子理論在揭示自然規律時的重要意義不僅在於對光電效應作出了正確的解釋,還表現在它使人們重新認識了光的粒子性,從而對光的本性的認識產生了一個飛躍,揭示了光既有波動性又有微粒性的雙重特性,為光的波粒二象性的提出作了準備。這種特性具體表現在,作為一個"粒子"的光量子的能量E,它是與電磁波的頻率u不可分割地聯繫在一起,具體地說,在光的衍射與干涉現象中,光主要表現出波動性;而在光電效應一類現象中則主要表現出粒子性。1909年愛因斯坦一次學術討論會上說,理論物理學發展的下一階段,將會出現關於光的新理論,這個理論將把光的波動說與微粒說統一起來。

3 玻爾理論

普朗克和愛因斯坦的工作在物理學史上有其重要的地位,但使量子理論產生深遠影響的是玻爾。

1913年,丹麥物理學家及20世紀主要科學思想家尼爾斯·玻爾再一次極其漂亮地利用了普朗克理論。他從盧瑟福的有核模型,普朗克的能量子概念以及光譜學的成就出發,得到了在相當準確度上,自然實際服從的許多分立的並穩定的能量級和光譜頻率的"怪異的"規則,從而成功地解決了原子有核結構的穩定性問題,並出色地解釋了氫原子的光譜。後來,依萬士(E.J.Evans)的氫光譜實驗證實了玻爾關於匹克林(Pickering)譜線的預見。莫塞萊(H.G.J.Moseley)測定各種元素的X射線標識譜線,證明它們具有確定的規律性,為盧瑟福和玻爾的原子理論提供了有力證據。

1911年,英國物理學家盧瑟福在alpha粒散射實驗的基礎上,提出了原子的有核模型這個模型無疑是符合事實的。但是,一個嚴峻而急迫的難題,擋住了盧瑟福模型進一步發展的道路,那就是它還缺少一個理論支柱。因為,如果按照經典理論和盧瑟福模型,原子將不會穩定存在,並且原子光譜也將是連續變化的。而事實上,原子是穩定的,光譜則是分立的。

丹麥物理學家玻爾(N.Bohr,1885---1962)是盧瑟福的學生,他堅信盧瑟福的有核原子模型是符合客觀事實的.當然,他也很了解這個模型所面臨的困難。玻爾認為,要解決原子的穩定性問題,"只有量子假說是擺脫困難的唯一出路。"也就是說,要描述原子現象,就必須對經典概念進行一番徹底的改造。但是擺在玻爾面前的是重重困難,問題十分棘手。在此之前,為了解決原子模型的穩定性問題,一些物理學家曾試圖將普朗克的量子假設引入到種種原子模型中,但均未獲成功,但他們的工作,給了玻爾很大的啟發,玻爾決定把量子概念引入到盧瑟福的有核原子模型中。

1913年初,正當玻爾苦思冥想之際,他的一位朋友漢森向他介紹了氫光譜的巴爾末公式和斯塔克的著作。他立即認識到這個公式與盧瑟福的核模型之間應當存在著密切的關係,他仔細地分析和研究了當時已知的大量光譜數據和經驗公式,特別是巴爾末公式,受到了很大的啟示。同時他從斯塔克的著作中學習了價電子躍遷產生輻射的理論。這樣,光譜學和原子結構,這原先互不相干的兩門學科,被玻爾看到了它們的內在聯繫。

光譜學中大量的實驗數據和經驗公式,為原子結構提供了十分有用的信息。玻爾抓住光譜學的線索,使他的原子理論發展到一個決定性階段。玻爾在這些基礎上,深思了這些問題和前人的構想,分析了原子和光譜之間的矛盾,巧妙地把普朗克、愛因斯坦和盧瑟福的思想結合起來,創造性地將光的量子理論引入到原子結構中來,從原子具有穩定性以及分立的線狀光譜這兩個經驗事實出發,建立了新的原子結構模型。

1913年玻爾寫出了偉大的三部曲,名為《原子與分子結構》——I、II、III的三篇論文。在這三篇論文中,玻爾提出了與經典理論相違背的兩個極為重要的假設,它們是:定態假設和躍遷假設。為了具體確定定態的能量數值,玻爾提出了量子化條件,即電子的角動量J只能是h的整數倍。在這裡他運用了在以後經典量子論中一直起指導作用的"對應原理"。

玻爾的原子結構模型取得了巨大的成功,較好地了解決原子的穩定性問題,並且成功地解釋了氫光譜的巴爾末公式,對氫原子和尖氫離子光譜的波長分布規律作出了完滿的解釋,使得原子物理學與光譜學很好地結合起來,同時,玻爾理論還成功地解釋了元素的周期表,使量子理論取得了重大進展。狄拉克後來曾評論說:"這個理論打開了我的眼界,使我看到了一個新的世界,一個非常奇妙的世界。我認為,在量子力學的發展中,玻爾引進的這些概念,是邁出了最偉大的一步。"

玻爾之所以成功,在於他全面地繼承了前人的工作,正確地加以綜合,在舊的經典理論和新的實驗事實的矛盾面前勇敢地肯定實驗事實,衝破舊理論的束縛,從而建立了能基本適於原子現象的定態躍遷原子模型。下面的圖表摘自洪德(F.Hund)所著《量子理論史》,對玻爾理論的淵源作了精闢的分析:[光譜學成果 | ][盧瑟福原子模型|- 玻爾][量子理論 |/ ]

玻爾的原子理論突破了經典理論的框架,是量子理論發展中一個重要里程碑,一舉對氫原子光譜和原子穩定性作出了成功的解釋。但是,玻爾漂亮的構想雖極其成功,卻只是提供了一種臨時"湊合物"的理論。因為玻爾在處理原子問題時,並沒有從根本上拋棄經典理論,例如玻爾仍然將電子看成是經典物理學中所描述的那樣的粒子,這些粒子具有完全確定的軌道行動等,實際上他的理論是經典理論與量子理論的混合體。所以人們常把1900年---1923年中發展起來的量子理論稱為舊量子論,這一時期從普郎克的能量子假說,愛因斯坦的光量子說直至玻爾的原子結構模型,都表明物理學已經開始衝破了經典理論的束縛,實現了理論上的飛躍,它們的共同特徵是以不連續或量子化概念取代了經典物理學中能量連續的觀點。

普朗克、愛因斯坦、玻爾同為舊量子理論的奠基者,他們的思想是舊量子論的重要組成部分,而玻爾理論是其核心內容,玻爾則是舊量子論的集大成者。借恩格斯評論19世紀化學狀況的話來說,有了玻爾理論,就使得"現已達到的各種結果都具有了秩序相對的可靠性,已經能夠系統地,差不多是有計畫地向還沒有征服的領域進攻,就象計畫周密地圍攻一個堡壘一樣了"。眾所周知,隨之而來的"進攻"是波瀾壯闊聲勢浩大的,所以說玻爾理論使得物理學邁出了"最大的一步"。

雖然新理論本身還不完善,它對實驗現象的解釋範圍有限,但卻打開了人們的思路,給人們很大的啟發,它推動人們去尋找更為完善的理論。量子力學就是在這種情況下逐步建立起來的,三量子力學的建立與發展自普朗克提出量子概念後,物理學的基本理論研究已進入到近代物理的領域。在本世紀20年代,物理學理論的研究主要集中在下面三方面:

一、從經典電動力學的研究進入到相對論的研究。1905年,愛因斯坦提出了狹義相對論,1917年又提出了廣義相對論,從此相對論不單是理論物理學家們況相鑽研的對象,而且為全世界所矚目。

二、19世紀末麥克斯韋,玻爾茲曼,20世紀初吉布斯等人所建立的統計物理是理論物理中廣泛研究的內容之一,到本世紀20年代導致了玻色愛因斯坦統計和費密狄拉克統計的出現。

三、關於原子結構的研究。1897年,湯姆生髮現電子,開始了對原子結構的研究;1911年,盧瑟福提出原子的有核模型;1913年玻爾提出原子結構的量子論。從此這方面的研究愈來愈活躍,量子力學就是開始於研究原子物理中的一些不能解釋的問題,由此可以說,量子力學是從討論原子結構入手的。它的發展有兩條路線,一條路線是由德布羅意提出物質波,後來薛丁格引入波函式的概念,並提出薛丁格方程,建立了波動力學;另一條路線是海森堡提出了矩陣力學,玻恩等人提出了力學量算符表示法。從兩條不同的道路解決了同一個問題,即微觀粒子的力學方面的運動規律。二者的統一工作主要是由狄拉克完成,並加以推廣,最後完成了相對論性的量子力學。

3.1 德布羅意物質波

作為量子力學的前奏,德布羅意的物質波理論有著特殊的重要性。早在1905年,愛因斯坦在他提出的光量子假說中,就隱含了波動性和粒子性是光的兩種表現形式的思想,並預言會出現將波動說與微粒說統一起來的新理論。20年代初,正當現代物理學面臨重大突破之際,具有求美眼光的德布羅意不失時機的脫穎而出了。光如何由粒子又如何由振盪組成?1923年,法國貴族及富有洞察力的物理學家——路易斯·德布羅意王子在他的博士論文中使這個粒子-波動的圖像更加混淆,他提出實物粒子應象波動那樣行為!

德布羅意關於波粒二象性的研究,一方面得益於愛因斯坦相對論和光量子概念的啟示,另一方面了受到布里淵把實物粒子和波聯繫起來的觀點和影響。布里淵的嘗試沒有成功,可是他的思想對正在攻讀博士學位的德布羅意產生了有益的影響。

德布羅意把"以太"的觀念去掉,把以太的波動性直接賦予電子本身,對原子理論進行深入探討。物理學界前輩們的辛勤開拓,為後繼者的探索掃清了道路。德布羅意考查了光的微粒說與波動說的歷史,注意到了19世紀哈密頓(W.R.Hamilton),1805-1865)曾闡述幾何光學與經典力學的相似性。因而他想到,正如幾何光學不能解釋光的干涉和衍射一樣,經典力學也無法解釋微觀粒子的運動規律。所以他在一開始就有了這種想法:"看來有必要創立一種具有波動特性的新力學,它與舊力學的關係如同波動光學與幾何光學的關係一樣。"他大膽地猜測力學和光學的某些原理之間存在著某種類比關係,並試圖在物理學的這兩個領域裡同時建立一種適應兩者的理論(這一理論後來由丹麥物理學家薛丁格完成了)。

1922年,以發表關於黑體輻射的論文為標標誌,德布羅意向前邁出了重要的一步。在這篇文章中,他用光量子假設和熱力學分子運動論推導出維恩輻射定律,而從光子氣的假設下,得出普朗克定律,這說明他對輻射的粒子性有深刻的理解,這篇文章使他站在了當時物理學的前沿。

對量子論的興趣引導著德布羅意朝著將物質的波動方面和粒子方面統一起來的正確方向繼續前進。1923年的夏天,德布羅意的思想突然升華到一個新的境界:普朗克的能量子論和愛因斯坦的光量子論證明了過去被認為是波的輻射具有粒子性,那么過去被認為是粒子的東西是否具有波動性呢?德布羅意後來回憶說關於這類問題"經過長期的孤寂的思索和遐想之後,在1923年我驀然想到:愛因斯坦在1905年所作出的發現,應當加以推廣,使它擴展到包括一切物質粒子,尤其是電子"的整個領域。從這年秋天起,他關於物質波的創造性思想不斷地流露出來,並在9月-10月間連續在《法國科學院通報》上發表了三篇有關波和量子的短文,提出了將波和粒子統一起來的思想。

在1924年向巴黎大學理學院遞交的博士論文《量子論的研究》中,德布羅意把他的新觀點更為系統、明確地表達了出來。他在論文中指出:"整個世紀以來,在光學上比起波動的研究方法,是過於忽視了粒子的研究方法;在實物粒子的理論上是否發生了相反的錯誤呢?是不是我們把關於粒子的圖像想得太多,而過分地忽略了波的圖像呢?"他認為"任何物體伴隨以波,而且不可能將物體的運動和波的傳播分開"。這就是說波粒二象性並不只是光才具有的特性,而是一切粒子共有的屬性,即原來被認為是粒子的東西也同樣具有波動性。這種與實物粒子相聯繫的波稱為物質波或德布羅意波。粒子的這種波粒二象性由德布羅意關係式p=frca可被進一步揭示,這個關係式將長期以來被認為性質完全不同的兩個物理概念——動量與波長用Planck常數h有機地聯繫在一起,從而將粒子性與波動性融於同一客體中。雖然德布羅意的博士論文得到了答辯委員會的高度評價,認為很有獨創精神,但是人們認為他的想法過於玄妙,沒有認真地加以對待。

德布羅意的論文發表以後,關於物質波的理論當時並沒有引起物理學界的重視,究其原因大致有以下兩個方面:

(1)法國科學院會議周報雖是在歐洲廣為流傳的雜誌,但認真看它的人並不多;

(2)德布羅意好爭論的名聲也是一個原因,他曾參與玻爾和索末菲兩大學派之間關於對應原理的解釋、量子數的作用、能級的數目、量子條件的套用等一系列問題的爭論。

如果不是他的導師朗之萬把他的論文寄給愛因斯坦並勸愛因斯坦認真研讀,也許他的論文在物理學界不會留下太深的印象。愛因斯坦看過德布羅意的論文後,事情起了戲劇性的變化。因為愛因斯坦在科學上有超人的美學素養,一向愛好對稱的觀點,認為物理世界歸根結蒂應該是和諧的,德布羅意提出實物粒子具有波動性正好與他提出的光具有粒子性相對應。

德布羅意在提出物質波的過程中,運用了幾何光學中費馬原理與經典力學中莫培督變分原理的類比,並受到愛因斯坦關於光的波粒二象性的啟示。這種新觀念的建立,表現出大自然具有的和諧和對稱性質,同時也為波動力學的建立,提供了重要依據。另外,愛因斯坦很理解德布羅意的學說不易為人們所接受,因為他本人在1905年提出光的粒子性時,為了使他的同行們接受這個觀點曾頗費周折。所以愛因斯坦給了德布羅意以有力的支持,並向其他物理學界的工作者們一一呼籲,不要小看了這位小將的工作。這樣一來,德布羅意的論文經愛因斯坦的大力推薦後,引起了物理學界的廣泛關注。德布羅意構想晶體對電子束的衍射實驗,有可能觀察到電子束的波動性。後來,戴維森和G.P湯姆森各自從電子在晶體中的衍射證明了物質波的存在。由於這方面的傑出工作,他們共同獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。

3.2 波動力學的建立

德布羅意物質波理論提出以後,人們希望建立一種新的原子力學理論來描述微觀客體的運動,完成這一工作的是奧地利物理學家薛丁格,他在德布羅意物質波理論的基礎上,以波動方程的形式建立了新的量子理論——波動力學。

1925年夏秋之際,薛丁格正在從事量子氣體的研究,這時正值愛因斯坦和玻色關於量子統計理論的著作發表不久。愛因斯坦在1924年發表的《單原子理想氣體的量子理論》一文,薛丁格表示不能理解,於是經常與愛因斯坦通信進行討論。可以說,愛因斯坦是薛丁格直接的領路人,正是愛因斯坦的這篇文章,引導了薛丁格的研究方向。愛因斯坦曾大力推薦德布羅意的論文,所以薛丁格就設法找到了一份德布羅意的論文來讀,在深入研究之後,薛丁格萌發了用新觀點來研究原子結構的想法,他決心立即把物質波的思想推廣到描述原子現象。另外,著名化學物理學家德拜對薛丁格也有積極的影響。薛丁格曾在蘇黎世工業大學的報告會上向與會者介紹德布羅意的工作,作為會議主持人的德拜教授問薛丁格:物質微粒既然是波,那有沒有波動方程?沒有波動方程!薛丁格明白這的確是個問題,也是一個機會,於是他立刻伸手抓住了這個機會,終於獲得了成功。可見,能夠長期堅持做好準備,一有機會就立即抓住,是獲得成功的一個關鍵。薛丁格認為德布羅意的工作"沒有從普遍性上加以說明"。因此他試圖尋求一個更普遍的規律,同時,他看到矩陣力學採用了十分抽象的艱深的超越代數,因而缺乏直觀性時,他決定探索新的途徑。剛開始時,薛丁格試圖建立一個相對論性的運動方程,他經過緊張地研究,克服了許多數學上的困難,從相對論出發,終於在1925年得到了一個與在電磁場中運動的電子相聯繫的波的波動方程。但是他隨即發現這個波動方程在計算氫原子的光譜時得出的結果卻和實驗值不符合,也不能得到氫原子譜線的精細結構。他當時十分沮喪,以為自己的路線錯了,過了幾個月,他才從沮喪情緒中恢復過來,重新回到這一工作中來。

量子理論量子理論

力學要點

伴隨著這些進展,圍繞量子力學的闡釋和正確性發生了許多爭論。玻爾和海森堡是倡導者的重要成員,他們信奉新理論,愛因斯坦和薛丁格則對新理論不滿意。

波函式

系統的行為用薛丁格方程描述,方程的解稱為波函式。系統的完整信息用它的波函式表述,通過波函式可以計算任意可觀察量的可能值。在空間給定體積內找到一個電子的機率正比于波函式幅值的平方,因此,粒子的位置分布在波函式所在的體積內。粒子的動量依賴于波函式的斜率,波函式越陡,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典圖像,而採納一種模糊的機率圖像,這也是量子力學的核心。

對於同樣一些系統進行同樣精心的測量不一定產生同一結果,相反,結果分散在波函式描述的範圍內,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確,波函式必須是尖峰型的,然而,尖峰必有很陡的斜率,因此動量就分布在很大的範圍內;相反,若動量有很小的分布,波函式的斜率必很小,因而波函式分布於大範圍內,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於它們的相位,振幅同相時相加,反相時相減。當波沿著幾條路徑從波源到達接收器,比如光的雙縫干涉,一般會產生干涉圖樣。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,波函式本質上只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。氦原子的波函式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機率不變。由於機率依賴于波函式的幅值的平方,因而粒子交換後體系的波函式與原始波函式的關係只可能是下面的一種:要么與原波函式相同,要么改變符號,即乘以-1。到底取誰呢?

量子力學令人驚詫的一個發現是電子的波函式對於電子交換變號。其結果是戲劇性的,兩個電子處於相同的量子態,其波函式相反,因此總波函式為零,也就是說兩個電子處於同一狀態的機率為0,此即泡利不相容原理。所有半整數自鏇的粒子(包括電子)都遵循這一原理,並稱為費米子。自鏇為整數的粒子(包括光子)的波函式對於交換不變號,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,所以雷射光線呈現超強度的光束(本質上是一個量子態)。最近,氣體原子被冷卻到量子狀態而形成玻色-愛因斯坦凝聚,這時體系可發射超強物質束,形成原子雷射。

這一觀念僅對全同粒子適用,因為不同粒子交換後波函式顯然不同。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,量子場論的成就將對此作出解釋。

爭議混亂

量子力學爭論的焦點

量子力學意味著什麼?波函式到底是什麼?測量是什麼意思?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的標準闡釋,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機率描述,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爭論,直至1955年去世。

關於量子力學爭論的焦點是:究竟是波函式包含了體系的所有信息,還是有隱含的因素(隱變數)決定了特定測量的結果。60年代中期約翰·S·貝爾(JohnS.Bell)證明,如果存在隱變數,那么實驗觀察到的機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隱變數存在的可能性。這樣,大多數科學家對量子力學的正確性不再懷疑了。

然而,由於量子理論神奇的魔力,它的本質仍然吸引著人們的注意力。量子體系的古怪性質起因於所謂的糾纏態,簡單說來,量子體系(如原子)不僅能處於一系列的定態,也可以處於它們的疊加態。測量處於疊加態原子的某種性質(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。

但是可以構造處於糾纏態的雙原子體系,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)。這一行為只有量子力學的語言才能解釋。這個效應太不可思議以至於只有少數活躍的理論和實驗機構在集中精力研究它,論題並不限於原理的研究,而是糾纏態的用途;糾纏態已經套用於量子信息系統,也成為量子計算機的基礎。

二次革命

在20年代中期創立量子力學的狂熱年代裡,也在進行著另一場革命,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,量子場論的創立經歷了一段曲折的歷史,一直延續到今天。儘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確的,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態躍遷到基態時原子怎樣輻射光。1916年,愛因斯坦研究了這一過程,並稱其為自發輻射,但他無法計算自發輻射係數。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於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,並且顯然和對應原理矛盾。

量子場論出現

40年代晚期,量子場論出現了新的進展,理察·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迴避無窮大量,其本質是通過減掉一個無窮大量來得到有限的結果。由於方程複雜,無法找到精確解,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,以至於近似過程失敗。儘管存在這一危險,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。

儘管QED取得了超凡的成功,它仍然充滿謎團。對於虛空空間(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輻射的關鍵,並且,它們使原子能量和諸如電子等粒子的性質產生可測量的變化。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。

對於我們周圍的低能世界,量子力學已足夠精確,但對於高能世界,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,它們的性質與內稟自鏇有何關係;它能描述粒子(包括光子,電子,正電子即反電子)是怎樣產生和湮滅的;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於相同的基本場;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是一個關於輕子的理論,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。對於強子,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,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。儘管QED和QCD之間存在很多對應點,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。

對物質終極本性的理解成為重大科研的焦點

今天,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蹟般的日子,其成果的影響將更加深遠。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——電磁場的量子化程式對於引力場失效。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,它們對於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,因為引力相對於電力來說是如此之弱以至於其量子效應可以忽略,經典描述足夠完美;但對於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;展望21世紀,量子力學將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確的完整的理論;然而,今日物理學與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。

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將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,其結果將使我們所有的想像成為現實。

時空不同區域之間的蟲洞的思想並非科學幻想作家的發明,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,一個先進的文明可能使蟲洞維持開放。人們可以把時空以其他方式捲曲,使它允許時間旅行。可以證明這需要一個負曲率的時空區域,如同一個馬鞍面。通常的物質具有正能量密度,賦予時空以正曲率,如同一個球面。所以為了使時空捲曲成允許旅行到過去的樣子,人們需要負能量密度的物質。

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,但是根據本世紀初相信的經典定律,你不允許透支。這樣,這些經典定律排除了時間旅行的任何可能性。然而,量子定律已經超越了經典定律。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,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”的空間也充滿了虛粒子和虛反粒子對,它們一起出現分離開,再返回一起並且相互湮滅。現在,假定人們有兩片距離很近的平行金屬板。金屬板對於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。它有點像風琴管,只對指定的音階共鳴。這意味著,只有當平板間的距離是虛光子波長(相鄰波峰之間的距離)的整數倍時,這些虛光子才會在平板之中的空間出現。如果空腔的寬度是波長的整數倍再加上部分波長,那么在前後反射多次後,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。所以人們可以預料到這兩片平板遭受到把它們往裡擠的力。實際上已經測量到這種力。並且和預言的值相符。這樣,我們得到了虛粒子存在並具有實在效應的實驗證據。

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,能量密度會把空間捲曲起來,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驗的證據。第一,從日食時的光線彎折得知時空可以被捲曲。第二,從卡西米爾效應得知時空可被彎曲成允許時間旅行的樣子。所以,人們希望隨著科學技術的推進,我們最終能夠造出時間機器。但是,如果這樣的話,為什麼從來沒有一個來自未來的人回來告訴我們如何實現呢?鑒於我們現在處於初級發展階段,也許有充分理由認為,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然泄漏天機。當然,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(如果外星人在合理的時間內到達此地,他們則需要超光速旅行,這樣兩種可能性其實是等同的)。

然而,任何外星來的或者來自未來的人的造訪應該是更加明顯,或許更加令人不悅。如果他們有意顯靈的話,為何只對那些被認為不太可靠的證人進行?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並且發現它並沒有允許從未來旅行返回所需的那類捲曲,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於未來。此時此刻,柯克船長和星際航船沒有機會出現。

與相對論

量子理論量子理論

量子理論提供了精確一致地解決關於原子、雷射、X射線、超導性以及其他無數事情的能力,幾乎完全使古老的經典物理理論失去了光彩。但我們仍舊在日常的地面運動甚至空間運動中運用牛頓力學。在這個古老而熟悉的觀點和這個新的革命性的觀點之間一直存在著衝突。

巨觀世界的定律保持著頑固的可驗證性,而微觀世界的定律具有隨機性。對拋射物和彗星的動態描述具有明顯的視覺特徵,而對原子的描述不具有這種特徵,桌子、凳子、房屋這樣的世界似乎一直處於我們的觀察中,而電子和原子的實際的或物理性狀態沒有緩解這一矛盾。如果說這些解釋起了些作用的話,那就是他們加大了這兩個世界之間的差距。

對大多數物理學家來說,這一矛盾解決與否並無大礙,他們僅僅關心他們自己的工作,過分忽視了哲學上的爭議和存在的衝突。畢竟,物理工作是精確地預測自然現象並使我們控制這些現象,哲學是不相關的東西。

廣義相對論在大尺度空間、量子理論在微觀世界中各自取得了輝煌的成功。基本粒子遵循量子論的法則,而宇宙學遵循廣義相對論的法則,很難想像它們之間會出現大的分歧。很多科學家希望能將這兩者結合起來,開創一門將從巨觀到微觀的所有物理學法則統一在一起的新理論。但迄今為止所有謀求統一的努力都遭到失敗,原因是這兩門20世紀物理學的重大學科完全矛盾。

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條