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我们的宇宙 从量子理论到量子力学
我们的宇宙 从量子理论到量子力学

         邵松松     2015-11-16

   时下物理学最热门的是什么专业?

   要回答这个问题,我们可以从科普畅销书说起。众所周知,科普是联系科学家和普通大众最终的纽带,生动有趣的内容和深入浅出的解析一直是科普读物的两大法宝。我们可以看一下,市场上哪一类科普读物最多。荣获2006年第三届“吴大猷科普奖”的《量子物理史话——上帝掷骰子吗?》不断加印再版,始终占据着国内科普读物霸主的地位。美籍日裔加来道雄博士所著的《平行宇宙》也是一部量子力学的著作。这本经典的科普书属于《科学还可以这样看》系列,里面包含了《量子纠缠:上帝效应,科学中最奇特的现象》《量子宇宙:一切可能发生的正在发生》《量子理论:爱因斯坦与玻尔关于世界本质的伟大论战》等多部与量子力学有关的科普读物。我想,现在可以回到文章开始那个问题。时下物理学最热门的就是量子力学。

 

与量子力学相关的科普读物

    喜欢看科幻小说的人对时间穿越和平行宇宙的概念都不陌生,这些概念同时也滋生了许多悖论,为了让小说自洽,聪明的科幻作者们选择了使用量子力学来解释这些悖论。任何头疼的问题,仿佛一碰到量子力学就会迎刃而解。因此,即使不看科普书,许多科幻迷也从科幻小说里早早知道了量子力学。

   这其实很容易理解,基础物理发展了几个世纪,已经日臻完善,现代物理学家想要有所突破是非常小概率的事件,而且,后来发现的许多现象,比如黑体辐射,或者针对比原子还小的粒子,基础物理已经无法给出合理的解释。在这种情况下,量子理论应运而生,并且一直到今天成为许多物理学家主要的研究方向。从诸多科普作品也可以看出来,大众对于这方面的知识需求也特别饥渴。在通讯发达的今天,人们对于科学研究有了前所未有的热忱和关注。

   科学史上,大部分学科都不是一人之力完成的,量子力学发展到今天离不开众多科学家的努力,其中包括普朗克、尼玻尔、海森堡、薛定谔、泡利、德布罗意、玻恩、费米、狄拉克、爱因斯坦、康普顿等大家耳熟能详的科学家们。

 

   第五届索尔维会议留影:后排左起:A.皮卡尔德(A.Piccard) E.亨利厄特(E.Henriot)P.埃伦费斯特(P.Ehrenfest) Ed.赫尔岑(Ed.Herzen)Th.德唐德(Th.de Donder) E.薛定谔(E.schrodinger)E.费尔夏费尔特(E.Verschaffelt) W.泡利(W.Pauli)W.海森堡(W.Heisenberg) R.H.富勒(R.H.Fowler)L.布里渊(L.Brillonin)

   中排左起:P.德拜(P.Debye) M.克努森(M.Knudsen)W.L.布拉格(W.L.Bragg) H.A.克莱默(H.A.Kramers)P.A.M.狄拉克(P.A.M.Dirac) A.H.康普顿(A.H.Compton)L.德布罗意(L.de Broglie) M.波恩(M.Born)N.波尔(N.Bohr)

   前排左起:I.朗繆尔(I.Langmuir) M.普朗克(M.Planck)M.居里夫人(Mme Curie) H.A.洛仑兹(H.A.Lorentz)A.爱因斯坦(A.Einstein) P.朗之万(P.Langevin)ch.E.古伊(ch.E.Guye) C.T.R.威尔逊(C.T.R.Wilson)O.W.理查森(O.W.Richardson)

    量子力学的建立是一个相对其他学科来说并不算漫长的过程,从1900年开始至今也不过一百多年。但这一百多年却涌现出了大批优秀的物理学家和许多著名的理论,这些人和他们所做的研究影响、改变了我们的世界。

   随着科学发展,人们对于“大”和“小”的认知也在不断变化着,以前人们以为的“大”就是天,或者说地球本身,再后来到太阳系、银河系乃至全宇宙;以前人们以为的“小”是蚂蚁,是组织,是细胞,是原子,然后是各种各样繁多的基本粒子。这些基本粒子给物理学家带来了头疼和困扰,他们发现,当他们把经典力学的理论套用在这些幽灵一般不可捉摸的基本粒子之上时,那些一直被他们奉为圭臬的理论失效了,不再适用,很多测量到的现象都无法用经典力学来解释,在这种情况下,量子理论应运而生。

 

基本粒子

    导致量子论出现的是一个古典热力学难题即黑体辐射问题。1900年,世纪之交,普朗克提出了量子假说,假定黑体以hv为单位不连续的发射和接收辐射,计算出了黑体辐射能量分布公式,成功地从理论上解释了黑体辐射现象。普朗克将最小的不可再分的能量单元称作“能量子”或“量子”。当年12月14日,他将这一假说报告了德国物理学会,宣告了量子论的诞生。所以有观点称普朗克为量子力学的创始人,从这一点来看并不为过。因为他不但提出了“量子”这一概念,还通过学说报告的方法向世人展示了量子论。1905年爱因斯坦引进光量子的概念,推导出光子的能量、动量与辐射的频率和波长之间的方程式,解释了光电效应。

   1913年,一直跟爱因斯坦论战的玻尔提出了以他命名的玻尔模型。玻尔认为电子只能在一定能量的轨道上运转。外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子;较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。如果外层轨道的电子落入内层轨道,将释放出一个带固定能量的光子。1924年,玻恩在一篇论文中使用“量子力学”这个词汇。这也标志着以普朗克、爱因斯坦和玻尔对量子力学所做的研究告一段落,同时开启了量子力学研究百花齐放的新篇章。

   薛定谔于推出了一个相对论的波动方程。而薛定谔关于一只放在装有毒气盒子里的猫是死是活的经典问题也成为量子力学一个著名的假设;海森堡创立了解决量子波动理论的矩阵方法;狄拉克改进了矩阵力学的数学形式,使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。

 

量子力学解释了平行宇宙,也解释了我们的宇宙

    在那几年,几乎每一天都有关于量子力学领域的新发现,这些发现鼓舞着科学家们继续前行的同时,也逐渐完善了量子力学的理论系统。量子力学使得我们对世界的认知越来越清晰,这不仅仅是一个玄妙的理论,这对于我们的日产生活和生产也有着巨大的推动,从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都依靠了量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明就是借助量子力学的支撑。在核武器的发明过程中,量子力学的概念至关重要。至今为止,仅仅万有引力无法使用量子力学来描述。

   从经典物理到量子理论再到如今的量子力学,这是历史发展的必要。也许有很多人觉得这些跟我们的生活没什么关联,其实正是因为这些理论,我们才拥有了今天的生活。

 

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   作者: 邵松松
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