量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已經(jīng)一百一十多年了。期間，經(jīng)過玻爾、德布羅意、玻恩、海森柏、薛定諤、狄拉克、愛因斯坦等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，初步建立了一套完整的量子力學(xué)理論。

起源：公元1900年

學(xué)科門類：二級(jí)學(xué)科

中文名：量子力學(xué)

提出時(shí)間：1900年

提出者：普朗克

適用領(lǐng)域范圍：黑體輻射

外文名：Quantum Mechanics

創(chuàng)始人：海森堡、狄拉克、薛定諤

舊量子創(chuàng)始人：普朗克、愛因斯坦、玻爾

別稱：量子力學(xué)

應(yīng)用學(xué)科：物理學(xué)

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：微分幾何、線性代數(shù)

基本介紹

量子世界

我們把科學(xué)家們?cè)谘芯吭印⒎肿?、原子核、基本粒子時(shí)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(jí)），另一個(gè)主要特征是它們所涉及的許多宏觀世界所對(duì)應(yīng)的物理量往往不能取連續(xù)變化的值，（如：坐標(biāo)、動(dòng)量、能量、角動(dòng)量、自旋），甚至取值不確定。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)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?cè)谘芯课⒂^世界（分子、原子、原子核…）的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程中，逐步建立起來的。

量子物理學(xué)的內(nèi)容

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。

微觀粒子的基本運(yùn)動(dòng)方程（非相對(duì)論形式）--薛定諤方程。對(duì)于此方程，首先把它應(yīng)用于勢(shì)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(shì)壘穿透等。

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(dòng)的規(guī)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。

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(duì)導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體性能的解釋。

原子核的基礎(chǔ)知識(shí)，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(shí)和當(dāng)今關(guān)于宇宙及其發(fā)展的知識(shí)也都屬于量子物理的范圍。

量子物理學(xué)的價(jià)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(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)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(shí)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)的某些基本觀念和哲學(xué)意義，科學(xué)家們?nèi)匀焕^續(xù)爭(zhēng)論不休，這是一門科學(xué)在走向成熟過程中的一個(gè)必經(jīng)的階段。

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?cè)谌粘Ｉ钪兴^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(shí)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(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

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：微粒子（量子）平動(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)）

發(fā)展簡(jiǎn)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(yàn)的抽象原子世界而創(chuàng)立的，但它對(duì)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(gè)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?yàn)樽鳛榱孔恿W(xué)的產(chǎn)物的電子學(xué)革命將我們帶入了計(jì)算機(jī)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(gè)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)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(duì)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(dòng)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(gè)值跳到另一個(gè)值。能量子的概念太激進(jìn)了，普朗克后來將它擱置下來。隨后，愛因斯坦在1905年（這一年對(duì)他來說是非凡的一年）認(rèn)識(shí)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(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

從輻射問題引入量子

量子革命的導(dǎo)火線不是對(duì)物質(zhì)的研究，而是輻射問題。具體的挑戰(zhàn)是理解黑體輻射（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）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(shí)，光譜的峰值從紅線向黃線移動(dòng)，然后又向藍(lán)線移動(dòng)（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(duì)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(dòng)電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一個(gè)表達(dá)式，與實(shí)驗(yàn)符合得相當(dāng)完美。但是他也充分認(rèn)識(shí)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(gè)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(chǎng)的能量也應(yīng)該是量子化的。盡管麥克斯韋理論以及一個(gè)多世紀(jì)的權(quán)威性實(shí)驗(yàn)都表明光具有波動(dòng)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(shí)驗(yàn)顯示僅當(dāng)光的能量到達(dá)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)粒子攜帶著一樣。光的波粒二象性取決于你觀察問題的著眼點(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(hào)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(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(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(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(zhǎng)的光，光的波長(zhǎng)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(shí)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(shí)間終于實(shí)現(xiàn)了他的夢(mèng)想。

開始時(shí)，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(yīng)該是對(duì)應(yīng)存在的。他將粒子的波長(zhǎng)和動(dòng)量聯(lián)系起來：動(dòng)量越大，波長(zhǎng)越短。這是一個(gè)引人入勝的想法，但沒有人知道粒子的波動(dòng)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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)理論。愛因斯坦立即將玻色的推理應(yīng)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(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(cè)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(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(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(gè)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(dòng)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(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(shù)來描述。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(tǒng)計(jì)規(guī)律，費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到所有的粒子要么遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，要么遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，這兩類粒子的基本屬性很不相同。

·海森堡闡明測(cè)不準(zhǔn)原理（不確定性原理）。

·保爾·A·M·狄拉克（PaulA.M.Dirac）提出了相對(duì)論性的波動(dòng)方程用來描述電子，解釋了電子的自旋并且預(yù)測(cè)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(chǔ)。

·玻爾提出互補(bǔ)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?jiǎng)?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(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(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(jì)的論文是他對(duì)理論物理的最后一項(xiàng)貢獻(xiàn)，也是對(duì)物理學(xué)的最后一項(xiàng)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(chǎng)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(duì)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(duì)電子自旋可能性的看法；玻爾用他那著名的低調(diào)評(píng)價(jià)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(duì)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(shí)，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(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(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(jì)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(shí)代。

力學(xué)要點(diǎn)

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(zhēng)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(duì)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(jì)算任意可觀察量的可能值。在空間給定體積內(nèi)找到一個(gè)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(dòng)量依賴于波函數(shù)的斜率，波函數(shù)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(duì)于同樣一些系統(tǒng)進(jìn)行同樣精心的測(cè)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(dòng)量沒有意義。這可由測(cè)不準(zhǔn)原理表述如下：要使粒子位置測(cè)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(dòng)量就分布在很大的范圍內(nèi)；相反，若動(dòng)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(shí)相加，反相時(shí)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(huì)產(chǎn)生干涉圖樣。粒子遵循波動(dòng)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(dòng)，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(duì)系統(tǒng)信息的一種陳述。

對(duì)稱性和全同性

氦原子由兩個(gè)電子圍繞一個(gè)核運(yùn)動(dòng)而構(gòu)成。氦原子的波函數(shù)描述了每一個(gè)電子的位置，然而沒有辦法區(qū)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(hào)，即乘以-1。到底取誰呢？

量子力學(xué)令人驚詫的一個(gè)發(fā)現(xiàn)是電子的波函數(shù)對(duì)于電子交換變號(hào)。其結(jié)果是戲劇性的，兩個(gè)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(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(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(duì)于交換不變號(hào)，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(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-愛因斯坦凝聚，這時(shí)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(duì)全同粒子適用，因?yàn)椴煌Ｗ咏粨Q后波函數(shù)顯然不同。因此僅當(dāng)粒子體系是全同粒子時(shí)才顯示出玻色子或費(fèi)米子的行為。同樣的粒子是絕對(duì)相同的，這是量子力學(xué)最神秘的側(cè)面之一，量子場(chǎng)論的成就將對(duì)此作出解釋。

爭(zhēng)議混亂

量子力學(xué)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)

量子力學(xué)意味著什么？波函數(shù)到底是什么？測(cè)量是什么意思？這些問題在早期都激烈爭(zhēng)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(diǎn)是通過玻爾的互補(bǔ)原理對(duì)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(zhēng)論，直至1955年去世。

關(guān)于量子力學(xué)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)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(cè)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(shí)驗(yàn)觀察到的概率應(yīng)該在一個(gè)特定的界限之下，此即貝爾不等式。多數(shù)小組的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jiǎn)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(cè)量處于疊加態(tài)原子的某種性質(zhì)(如能量)，一般說來，有時(shí)得到這一個(gè)值，有時(shí)得到另一個(gè)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(gè)原子共有相同的性質(zhì)。當(dāng)這兩個(gè)原子分開后，一個(gè)原子的信息被另一個(gè)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(gè)效應(yīng)太不可思議以至于只有少數(shù)活躍的理論和實(shí)驗(yàn)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(jì)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(chǎng)革命，量子物理的另一個(gè)分支——量子場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)論是困難的，但它的預(yù)測(cè)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，愛因斯坦研究了這一過程，并稱其為自發(fā)輻射，但他無法計(jì)算自發(fā)輻射系數(shù)。解決這個(gè)問題需要發(fā)展電磁場(chǎng)(即光)的相對(duì)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)，還有后來發(fā)現(xiàn)的其它場(chǎng)。

1925年，玻恩，海森堡和約當(dāng)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(dú)自提出的場(chǎng)論。狄拉克的理論有很多缺陷：難以克服的計(jì)算復(fù)雜性，預(yù)測(cè)出無限大量，并且顯然和對(duì)應(yīng)原理矛盾。

量子場(chǎng)論出現(xiàn)

40年代晚期，量子場(chǎng)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(dòng)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(gè)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(jí)數(shù)來得到近似解，不過級(jí)數(shù)項(xiàng)越來越難算。雖然級(jí)數(shù)項(xiàng)依次減小，但是總結(jié)果在某項(xiàng)后開始增大，以至于近似過程失敗。盡管存在這一危險(xiǎn)，QED仍被列入物理學(xué)史上最成功的理論之一，用它預(yù)測(cè)電子和磁場(chǎng)的作用強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)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(duì)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(cè)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(yàn)所證實(shí)的。

對(duì)于我們周圍的低能世界，量子力學(xué)已足夠精確，但對(duì)于高能世界，相對(duì)論效應(yīng)作用顯著，需要更全面的處理辦法，量子場(chǎng)論的創(chuàng)立調(diào)和了量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的矛盾。

量子場(chǎng)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(duì)相同的是因?yàn)樗鼈儊碜杂谙嗤幕緢?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(duì)于強(qiáng)子，提出了一個(gè)比QED更一般的理論，稱為量子色動(dòng)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(duì)應(yīng)點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)，然而許多物理學(xué)家認(rèn)為它是不完備的，因?yàn)榱Ｗ拥馁|(zhì)量，電荷以及其它屬性的數(shù)據(jù)還要來自實(shí)驗(yàn)；一個(gè)理想的理論應(yīng)該能給出這一切。

對(duì)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(duì)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(gè)世紀(jì)的努力表明，QED的杰作——電磁場(chǎng)的量子化程序?qū)τ谝?chǎng)失效。問題是嚴(yán)重的，因?yàn)槿绻麖V義相對(duì)論和量子力學(xué)都成立的話，它們對(duì)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(huì)有任何矛盾，因?yàn)橐ο鄬?duì)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(duì)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(cè)其量子行為。

一個(gè)世紀(jì)以前，我們所理解的物理世界是經(jīng)驗(yàn)性的；20世紀(jì)，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(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(cè)是因?yàn)榱孔恿W(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(diǎn)：它仍舊保留了基本的經(jīng)驗(yàn)性，我們不能徹底預(yù)測(cè)組成物質(zhì)的基本要素的屬性，仍然需要測(cè)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(chǎng)論的推廣，通過有長(zhǎng)度的物體取代諸如電子的點(diǎn)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(shí)期就開始的對(duì)自然的終極理解之夢(mèng)將繼續(xù)成為新知識(shí)的推動(dòng)力。從現(xiàn)在開始的一個(gè)世紀(jì)，不斷地追尋這個(gè)夢(mèng)，其結(jié)果將使我們所有的想象成為現(xiàn)實(shí)。

時(shí)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(duì)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(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)的文明可能使蟲洞維持開放。人們可以把時(shí)空以其他方式卷曲，使它允許時(shí)間旅行。可以證明這需要一個(gè)負(fù)曲率的時(shí)空區(qū)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去的樣子，人們需要負(fù)能量密度的物質(zhì)。

能量有點(diǎn)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(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(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(gè)或兩個(gè)賬號(hào)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(gè)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(duì)，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(duì)于虛光子起著類似鏡子的作用。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(duì)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(zhǎng)（相鄰波峰之間的距離）的整數(shù)倍時(shí)，這些虛光子才會(huì)在平板之中的空間出現(xiàn)。如果空腔的寬度是波長(zhǎng)的整數(shù)倍再加上部分波長(zhǎng)，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?yàn)槠桨逯g的虛光子只能具有共振的波長(zhǎng)，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(zhǎng)。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(shí)際上已經(jīng)測(cè)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(shí)在效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

在平板之間存在更少虛光子的事實(shí)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?yàn)榉駝t的話，能量密度會(huì)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(duì)以下兩種現(xiàn)象都獲得了實(shí)驗(yàn)的證據(jù)。第一，從日食時(shí)的光線彎折得知時(shí)空可以被卷曲。第二，從卡西米爾效應(yīng)得知時(shí)空可被彎曲成允許時(shí)間旅行的樣子。所以，人們希望隨著科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)，我們最終能夠造出時(shí)間機(jī)器。但是，如果這樣的話，為什么從來沒有一個(gè)來自未來的人回來告訴我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)呢？鑒于我們現(xiàn)在處于初級(jí)發(fā)展階段，也許有充分理由認(rèn)為，讓我們分享時(shí)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(huì)貿(mào)然泄漏天機(jī)。當(dāng)然，有些人會(huì)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(shí)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(shí)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(duì)那些被認(rèn)為不太可靠的證人進(jìn)行？如果他們?cè)噲D警告我們大難臨頭，這樣做也不是非常有效的。

一種對(duì)來自未來的訪客缺席的可能解釋方法是，因?yàn)槲覀冇^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(shí)間旅行都被局限于未來。此時(shí)此刻，柯克船長(zhǎng)和星際航船沒有機(jī)會(huì)出現(xiàn)。