李武濤

摘要：從量子力學(xué)誕生的時(shí)刻開(kāi)始，盡管其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，但許多科學(xué)家懷疑它并不是完整的物理理論由它產(chǎn)生的一系列觀念和物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念是如此相反，以至于它的許多發(fā)現(xiàn)者都感到迷惑和不解，并為此展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論，量子力學(xué)是在百家爭(zhēng)鳴的環(huán)境下不斷發(fā)展的。本文回顧了量子論和量子力學(xué)產(chǎn)生的過(guò)程和圍繞量子力學(xué)發(fā)生的爭(zhēng)論，論述了量子力學(xué)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的科學(xué)、哲學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的巨大影響對(duì)量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：普朗克；量子論；相對(duì)論

一、前言

1900年12月14日，德國(guó)物理學(xué)家馬克思-普朗克發(fā)表了一篇重要的論文，他在分析黑體輻射的能譜時(shí)，提出了光的能量和頻率成正比并以不連續(xù)的量子狀態(tài)輻射的新概念。量子論提出后，經(jīng)過(guò)25年的時(shí)間，由許多物理學(xué)家共同努力，激烈爭(zhēng)辯，最終才形成了量子力學(xué)量子力學(xué)、相對(duì)論和基因雙螺旋結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)最重要的三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。量子力學(xué)在其中又占有特殊的位置。它打開(kāi)了人類(lèi)認(rèn)識(shí)原子世界的大門(mén)。歷史上沒(méi)有哪一個(gè)理論的成就如此深刻地改變著人類(lèi)社會(huì)的生產(chǎn)、生活和觀念。沒(méi)有量子力學(xué)的指導(dǎo)，就不會(huì)認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵，不會(huì)有高教的化學(xué)臺(tái)成和化學(xué)工業(yè)，就不會(huì)認(rèn)識(shí)能帶結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體晶體管、集成電路和激光，不會(huì)有今天的信息技術(shù)和工業(yè)，也就不會(huì)形成今天全球化的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和信息革命。量子力學(xué)使我們得以了解分子、原子、核于、夸克、輕于的性質(zhì)和各種物態(tài)的結(jié)構(gòu)，是最有預(yù)見(jiàn)力和精確的理論，它不僅是微觀世界的理論，而且是宏觀相干量子態(tài)的理論。量子力學(xué)直到今天仍有豐富的生命力，基于它的發(fā)現(xiàn)始終層出不窮。在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，它仍然將居于物理學(xué)創(chuàng)新的中心。從量子力學(xué)誕生的時(shí)刻開(kāi)始，盡管其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，但許多科學(xué)家懷疑它并不是完整的物理理論由它產(chǎn)生的一系列觀念和物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念是如此相反，以至于它的許多發(fā)現(xiàn)者都感到迷惑和不解，并為此展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論，量子力學(xué)是在百家爭(zhēng)鳴的環(huán)境下不斷發(fā)展的。

二、量子論發(fā)現(xiàn)的背景

到19世紀(jì)末，已建立了三大物理理論：（1）牛頓力學(xué)，確定粒子的運(yùn)動(dòng)；（2）麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)，確定電磁場(chǎng)和電磁渡的運(yùn)動(dòng)；（3）熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理，確定熱平衡態(tài)的物性。這三大理論都形成了完整的數(shù)學(xué)框架，特別是拉格朗日、哈密頓和Jocobi發(fā)展的分析動(dòng)力學(xué)，費(fèi)馬的最小作用原理給牛頓力學(xué)以嶄新的形式和深刻的內(nèi)涵。

雖然三大經(jīng)典理論在解釋某些自然現(xiàn)象時(shí)取得了很大的成功，當(dāng)時(shí)人們相信它們能解釋萬(wàn)物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，但經(jīng)過(guò)努力，仍不能解釋上述這些物性的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律是如何由基本規(guī)律形成的。在19世紀(jì)和20世紀(jì)之交，一系列新的發(fā)現(xiàn)和經(jīng)典理論預(yù)見(jiàn)的結(jié)果相左，加劇了存在的問(wèn)題，如光速不變（1879年邁克耳孫一莫雷）、黑體輻射（1859年基爾霍夫，1879年斯特藩，1884年玻爾茲曼，1896年維恩）、光電效應(yīng)（1887年赫茲）、放射性（1896年貝克勒爾）、電子軌道的不穩(wěn)定性（1899年盧瑟福）等等，形成了傳統(tǒng)物理學(xué)的危機(jī)。

三、1923年后的10年內(nèi)量子力學(xué)獲得飛速發(fā)展

1923年，德布羅意在其博士論文中提出了電子也具有波動(dòng)性的建議；1924年，泡利提出了不相容原理；1924年。玻色和愛(ài)因斯坦引進(jìn)了玻色一愛(ài)因斯坦（Bose-Einstein）統(tǒng)計(jì)；1925年，烏倫貝克（GE.Uhlenbeck）和古德斯密特（S A.Goudsmit）提出了電子自旋的建議；1925年，海森伯、玻思和約爾丹（E.P.Jordan）發(fā)表量子矩陣力學(xué)；1926年，薛定諤提出波動(dòng)方程。發(fā)表量子波動(dòng)力學(xué)；1926年，薛定諤證明量子矩陣力學(xué)和量子波動(dòng)力學(xué)在數(shù)學(xué)上等價(jià)；1926年，克萊因（0.B.Klein）和戈登（W.Gordon）提出相對(duì)論波動(dòng)方程；1926年，費(fèi)米發(fā)現(xiàn)自旋和統(tǒng)計(jì)的聯(lián)系；1926年，狄拉克引進(jìn)費(fèi)米一狄拉克統(tǒng)計(jì)；1927年，戴維孫（C J.Davission）、革末（L.H.Germer）和湯姆孫（G.P.Thomson）的實(shí)驗(yàn)證明電子的波動(dòng)性；1927年，海森伯提出測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式；1927年，玻恩提出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋?zhuān)?928年，狄拉克發(fā)表電子的相對(duì)論方程；1930年，狄拉克引進(jìn)電子空穴；1931年，泡利提出中微子假說(shuō)；1931年，泡令（L.C Pauling）發(fā)現(xiàn)化學(xué)共振鍵；1932年，查德威克（j.Chadwick）發(fā)現(xiàn)中子；1932年，海森伯引進(jìn)同位旋概念。提出原子核的核子模型；1932年，安德森（C.D.Anderson）發(fā)現(xiàn)正電子。

值得指出的是，量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)者們多數(shù)雖然年輕，但都具有深厚的理論和實(shí)驗(yàn)的知識(shí)。他們了解光譜和各種物性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和狀況，對(duì)分析動(dòng)力學(xué)、電磁場(chǎng)理論、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理都有深刻的領(lǐng)會(huì)。他們還掌握了數(shù)學(xué)的最新發(fā)展，如希爾伯特（Hilben）空間這說(shuō)明，只有掌握人類(lèi)創(chuàng)造的全部知識(shí)財(cái)富，才能產(chǎn)生革命性的創(chuàng)新。

四、不同意見(jiàn)的爭(zhēng)論是發(fā)展科學(xué)的重要推動(dòng)力

盡管量子力學(xué)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，在解釋一系列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上取得了完全成功，但是從它誕生的時(shí)刻開(kāi)始，對(duì)它的物理解釋和理解就存在不同的意見(jiàn)和爭(zhēng)論。一批為量子力學(xué)的發(fā)展作出過(guò)重要貢獻(xiàn)的物理學(xué)家，如愛(ài)因斯坦、薛定諤等始終懷疑量子力學(xué)，認(rèn)為它不是最終的理論，而另一批物理學(xué)家，以玻爾、海森伯為首則持完全相反的意見(jiàn)。

五、量子力學(xué)和相對(duì)論

有人從測(cè)量過(guò)程的突變性推論相對(duì)論遭到破壞，認(rèn)為這預(yù)示量子力學(xué)和相對(duì)論存在沖突，發(fā)掘這種沖突是發(fā)展量子力學(xué)的前提。但需要指出的是，測(cè)量過(guò)程的理論可能在現(xiàn)有量子力學(xué)的能力范圍之外。其次，相對(duì)論和量子力學(xué)在量子場(chǎng)論中已得到很好的結(jié)臺(tái)，如量子電磁場(chǎng)理論已是當(dāng)今世界最精確的理論，理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度符臺(tái)。很難想象在低能區(qū)相對(duì)論和量子力學(xué)二者之間存在矛盾。當(dāng)然兩者都需要進(jìn)一步發(fā)展，他們?cè)跇O高的普朗克能區(qū)會(huì)統(tǒng)一在薪的理論之中。

六、量子力學(xué)發(fā)展的歷史帶給我們的啟示

物理學(xué)研究的是自然界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，判定物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)和理論作為客觀科學(xué)真理的唯一依據(jù)是，正確預(yù)見(jiàn)并為不同科學(xué)家在相同條件下所重復(fù)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。對(duì)量子現(xiàn)象的觀察實(shí)驗(yàn)盡管出現(xiàn)許多出乎常情的結(jié)果，但我們的認(rèn)識(shí)必須依據(jù)真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以修正，而不是相反。和其他科學(xué)理論發(fā)展的不同在于，量子力學(xué)是在激烈的爭(zhēng)論下由一批科學(xué)家共同努力而產(chǎn)生的之所以是這樣，是因?yàn)榱孔蝇F(xiàn)象十分奇特，用經(jīng)典邏輯和日常經(jīng)驗(yàn)無(wú)法理解和接受，需要豐富的想象力，需要理論和實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，需要不同觀點(diǎn)的交鋒和爭(zhēng)論。反對(duì)的意見(jiàn)，如薛定諤貓和EPR佯謬，盡管未達(dá)到原提出者的目的，但是對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用，開(kāi)辟了全新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。量子力學(xué)盡管從觀念上完全脫離了經(jīng)典理論，但它同時(shí)繼承和發(fā)展了經(jīng)典理論中最精華的部分。如拉格朗日、啥密頓和locobi的分析動(dòng)力學(xué)。對(duì)量子效應(yīng)不顯著的宏觀現(xiàn)象，量子力學(xué)的預(yù)言也自動(dòng)趨向牛頓力學(xué)。因此創(chuàng)新要在繼承的基礎(chǔ)上進(jìn)行，只有掌握人類(lèi)創(chuàng)造的全部知識(shí)財(cái)富，又不受其拘束，才能從薪的實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，產(chǎn)生革命性的創(chuàng)薪。雖然我們還未完全懂得量子力學(xué)，但是在量子力學(xué)中蘊(yùn)含著豐富的辯證思維，粒子與波動(dòng)、連續(xù)與分立、對(duì)稱(chēng)與破缺、真空與場(chǎng)等等對(duì)立統(tǒng)一的觀念到處可見(jiàn)。只有通過(guò)量子邏輯才能理解從一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)可以創(chuàng)造整個(gè)宇宙，理解單個(gè)量子可以實(shí)現(xiàn)自身的干涉。在歷史的長(zhǎng)河中，任何理論都是相對(duì)真理，都有其適用范圍，都有在薪的條件下改進(jìn)的可能。量子力學(xué)和相對(duì)論的結(jié)臺(tái)已經(jīng)創(chuàng)造了量子場(chǎng)論，得到了很大的成功，量子場(chǎng)論本身也在繼續(xù)發(fā)展。但是任何想改進(jìn)量子力學(xué)基本觀點(diǎn)的嘗試都必須建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)無(wú)疑在發(fā)展量子力學(xué)和量子場(chǎng)論中發(fā)揮了重要作用。我認(rèn)為，單純從數(shù)學(xué)和邏輯出發(fā)，有可能找到若干有用的關(guān)系，但不經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)、指導(dǎo)和修正，不可能創(chuàng)造出薪的理論。

七、不斷發(fā)展的量子理論和應(yīng)用

當(dāng)前創(chuàng)建新理論的探索在向兩個(gè)方向進(jìn)行，一個(gè)方向圍繞宇宙的起源、發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)模型的拓展和相互作用力的統(tǒng)一由于實(shí)驗(yàn)困難，耗資巨大，進(jìn)展緩慢。另一個(gè)方向圍繞量子力學(xué)測(cè)量和解釋問(wèn)題進(jìn)行，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一批薪的薛定諤貓和EPR佯謬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的成功證實(shí)了量子力學(xué)的預(yù)言，同時(shí)開(kāi)辟了量子信息的新研究領(lǐng)域。第二個(gè)方向費(fèi)錢(qián)不多，有重要的應(yīng)用背景，會(huì)有較快的發(fā)展量子力學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)㈦S著人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深入而不斷擴(kuò)大。由于人類(lèi)對(duì)單個(gè)原子操縱能力的增加，應(yīng)用量子力學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)出越來(lái)越多的按照人的要求，具有特殊功能的人造微結(jié)構(gòu)和具有新奇性質(zhì)的宏觀量子態(tài)，會(huì)在21世紀(jì)繼續(xù)對(duì)經(jīng)濟(jì)、軍事、科技和社會(huì)進(jìn)程產(chǎn)生重大的影響。物理學(xué)將在2l世紀(jì)繼續(xù)發(fā)展，并發(fā)揮重要作用。我國(guó)科學(xué)家應(yīng)當(dāng)在21世紀(jì)為物理學(xué)的新進(jìn)展做出重要的貢獻(xiàn)。