量子物理百年回顧

量子物理百年回顧（一）
       D. Kleppner & R. Jackiw全面列舉一下20世紀最有影響的科學進展應當包含廣義相對論、量子力學、宇宙大爆炸、遺傳密碼的破譯、生物進化理論和其他一些讀者喜歡的課題。在這些進展當中，量子力學深層次的根本屬性使得它處在一個最為獨特的位置。它迫使物理學家們改造他們關于實在的觀念；迫使他們重新審視事物最深層次的本性；迫使他們修正位置和速度的概念以及原因和結果的定義。盡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，但它對我們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信息時代。量子物理的杰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。量子力學既不象廣義相對論那樣來自于對引力與幾何關系的光輝洞察力，也不象DNA的破譯那樣揭開了生物學一個新的世界的神秘面紗，它的起源不是一步到位的，是歷史上少有的天才薈萃在一起共同創造了它。量子的概念如此的令人困惑以至于在引入它以后的20年中幾乎沒有什么根本性的進展，后來一小撮物理學家花了三年時間創立了量子力學。這些科學家為自己所做的事情所困擾，甚至有時對自己的所作所為感到失望。或許用下面的一段觀察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75年后的今天，一些科學界的精英們盡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。今年是Max Planck提出量子概念100周年。在他關于熱輻射的經典論文中，Planck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，Planck后來將它擱置下來。隨后，Einstein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，后來幾乎沒有根本性的進展。現代量子理論的創立則是斬新的一代物理學家花了20多年時間的結晶。您只要看一下量子理論誕生以前的物理學就能體會到量子物理的革命性影響。1890年到1900年間的物理期刊論文基本上是關于原子光譜和物質其他一些基本的可以測量的屬性的文章，如粘性、彈性、電導率、熱導率、膨脹系數、折射系數以及熱彈性系數等。由于維多利亞型的工作機制和精巧的實驗方法的發展的刺激，知識以巨大的速度累積。然而，在同時代人看來最顯著的事情是對于物質屬性的簡明描述基本上是經驗性的。成千上萬頁的光譜數據羅列了大量元素波長的精確值，但是誰都不知光譜線為何會出現，更不知道它們所傳遞的信息。對熱導率和電導率的模型解釋僅符合大約半數的事實。雖有不計其數的經驗定律，但都很難令人滿意。比如說，Dulong-Petit定律建立了比熱和物質的原子重量的簡單關系，但是它有時好使，有時不好使。在多數情況下同體積氣體的質量比滿足簡單的整數關系。元素周期表盡管為化學的繁榮提供了關鍵的組織規則，但也無任何理論基礎。在眾多的偉大的革命性進展中，量子力學提供了一種定量的物質理論。現在，我們原則上可以理解原子結構的每一個細節；周期表也能簡單自然地加以解釋；巨額的光譜排列也納入了一個優雅的理論框架。量子力學為定量的理解分子，流體和固體，導體和半導體提供了便利。它能解釋諸如超流體和超導體等怪異現象，能解釋諸如中子星和Bose-Einstein凝聚（在這種現象里氣體中所有原子的行為象一個單一的超大原子）等奇異的物質聚集形式。量子力學為所有的科學分支和每一項高技術提供了關鍵的工具。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，稍后我們再回到它上面來。 
       舊量子論 
       量子革命的導火線不是對物質的研究，而是輻射問題。具體的挑戰是理解黑體（即某種熱的物體）輻射的光譜。烤過火的人都很熟悉這樣一種現象：熱的物體發光，越熱發出的光越明亮。光譜的范圍很廣，當溫度升高時，光譜的峰值從紅線向黃線移動，然后又向藍線移動（這些不是我們能直接看見的）。 
      結合熱力學和電磁學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，Planck假定振動電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一個表達式，與實驗符合得相當完美。但是他也充分認識到，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”。Planck將他的量子假設應用到輻射體表面振子的能量上，如果沒有新秀Albert Einstein，量子物理恐怕要至此結束。 1905年，他毫不猶豫的斷定：如果振子的能量是量子化的，那么產生光的電磁場的能量也應該是量子化的。盡管Maxwell理論以及一個多世紀的權威性實驗都表明光具有波動性，Einstein的理論還是蘊含了光的粒子性行為。隨后十多年的光電效應實驗顯示僅當光的能量到達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。輻射難題促成了通往量子理論的第一步，物質悖論則促成了第二步。眾所周知，原子包含正負兩種電荷的粒子，異號電荷相互吸引。根據電磁理論，正負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。接著，又是一個新秀Niels Bohr邁出了決定性的一步。1913年，Bohr提出了一個激進的假設：原子中的電子只能處于包含基態在內的定態上，電子在兩個定態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之間的能量差。結合已知的定律和這一離奇的假設，Bohr掃清了原子穩定性的問題。Bohr的理論充滿了矛盾，但是為氫原子光譜提供了定量的描述。他認識到他的模型的成功之處和缺陷。憑借驚人的預見力，他聚集了一批物理學家創立了新的物理學。一代年輕的物理學家花了12年時間終于實現了他的夢想。 開始時，發展Bohr量子論（習慣上稱為舊量子論）的嘗試遭受了一次又一次的失敗。接著一系列的進展完全改變了思想的進程。

量子物理百年回顧（二） 
      量子力學史 
      1923年Louis de Broglie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該是對應存在的。他將粒子的波長和動量聯系起來：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構有何聯系。然而de Broglie的假設是一個重要的前湊，很多事情就要發生了。 
      1924年夏天，出現了又一個前湊。Satyendra N. Bose提出了一種全新的方法來解釋Planck輻射定律。他把光看作一種無（靜）質量的粒子（現稱為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經典的Boltzmann統計規律，而遵循一種建立在粒子不可區分的性質（即全同性）上的一種新的統計理論。Einstein立即將Bose的推理應用于實際的有質量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數關于能量的分布規律，即著名的Bose-Einstein分布。然而，在通常情況下新老理論將預測到原子氣體相同的行為。Einstein在這方面再無興趣，因此這些結果也被擱置了10多年。然而，它的關鍵思想——粒子的全同性，是極其重要的。 突然，一系列事件紛至沓來，最后導致一場科學革命。從1925年元月到1928年元月： 
? Wolfgang Pauli 提出了不相容原理，為周期表奠定了理論基礎。 

? Werner Heisenberg、Max Born 和Pascual Jordan提出了量子力學的第一個版本，矩陣力學。人們終于放棄了通過系統的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運動這一歷史目標。 
? Erwin Schr?dinger提出了量子力學的第二種形式，波動力學。在波動力學中，體系的狀態用Schr?dinger方程的解-——波函數來描述。矩陣力學和波動力學貌似矛盾，實質上是等價的。 
? 電子被證明遵循一種新的統計規律，Fermi-Dirac統計。人們進一步認識到所有的粒子要么遵循Fermi-Dirac統計，要么遵循Bose-Einstein統計，這兩類粒子的基本屬性很不相同。 
? Heisenberg闡明測不準原理。 
? Paul A. 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測了反物質。
? Dirac提出電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎。 
? Bohr提出互補原理（一個哲學原理），試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，特別是波粒二象性。 
      量子理論的主要創立者都是年輕人。1925年，Pauli 25歲，Heisenberg和Enrico Fermi 24歲，Dirac和Jordan 23歲。Schr?dinger是一個大器晚成者，36歲。Born和Bohr年齡稍大一些，值得一提的是他們的貢獻大多是闡釋性的。Einstein的反應反襯出量子力學這一智力成果深刻而激進的屬性：他拒絕自己發明的導致量子理論的許多關鍵的觀念，他關于Bose-Einstein 統計的論文是他對理論物理的最后一項貢獻，也是對物理學的最后一項重要貢獻。 
      創立量子力學需要新一代物理學家并不令人驚訝，Lord Kelvin在祝賀Bohr 1913年關于氫原子的論文的一封書信中表述了其中的原因。他說，Bohr的論文中有很多真理是他所不能理解的。Kelvin認為基本的新物理學必將出自無拘無束的頭腦。 
       1928年，革命結束，量子力學的基礎本質上已經建立好了。后來，Abraham Pais以軼事的方式記錄了這場以狂熱的節奏發生的革命。其中有一段是這樣的，1925年，Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck就提出了電子自旋的概念，Bohr對此深表懷疑。10月Bohr乘火車前往荷蘭的萊頓參加Hendrik A. Lorentz的50歲生日慶典，Pauli在德國的漢堡格碰到Bohr并探詢Bohr對電子自旋可能性的看法；Bohr用他那著名的低調評價的語言回答說，自旋這一提議是 “非常，非常有趣的”。后來，Einstein和Paul Ehrenfest在萊頓碰到了Bohr并討論了自旋。Bohr說明了自己的反對意見，但是Einstein展示了自旋的一種方式并使Bohr成為自旋的支持者。在Bohr的返程中，遇到了更多的討論者。當火車經過德國的哥挺根時，Heisenberg和Jordan接站并詢問他的意見，Pauli也特意從漢堡格趕到柏林接站。Bohr告訴他們自旋的發現是一重大進步。 
       量子力學的創建觸發了科學的淘金熱。早期的成果有：1927年Heisenberg得到了氦原子Schr?dinger方程的近似解，建立了原子結構理論的基礎；John Slater，Douglas Rayner Hartree, 和Vladimir Fock隨后又提出了原子結構的一般計算技巧；Fritz London和Walter Heitler解決了氫分子的結構，在此基礎上，Linus Pauling建立了理論化學；Arnold Sommerfeld和Pauli建立了金屬電子理論的基礎，Felix Bloch創立了能帶結構理論；Heisenberg解釋了鐵磁性的起因。1928年George Gamow解釋了α放射性衰變的隨機本性之謎，他表明α衰變是由量子力學的隧道效應引起的。隨后幾年中，Hans Bethe建立了核物理的基礎并解釋了恒星的能量來源。隨著這些進展，原子物理、分子物理、固體物理和核物理進入了現代物理的時代。 
       量子力學要點 
       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。Bohr和Heisenberg是倡導者的重要成員，他們信奉新理論，Einstein和Schr?dinger則對新理論不滿意。要理解這些混亂的原因，必須掌握量子理論的關鍵特征，總結如下。（為了簡明，我們只描述Schr?dinger的波動力學。） 
       基本描述：波函數。系統的行為用Schr?dinger方程描述，方程的解稱為波函數。系統的完整信息用它的波函數表述，通過波函數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概率正比于波函數幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函數所在的體積內。粒子的動量依賴于波函數的斜率，波函數越陡，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象，而采納一種模糊的概率圖象，這也是量子力學的核心。 
      對于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，結果分散在波函數描述的范圍內，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，波函數必須是尖峰型的，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；相反，若動量有很小的分布，波函數的斜率必很小，因而波函數分布于大范圍內，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于它們的相位，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，波函數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。氦原子的波函數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的幅值的平方，因而粒子交換后體系的波函數與原始波函數的關系只可能是下面的一種：要么與原波函數相同，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數對于電子交換變號。其結果是戲劇性的，兩個電子處于相同的量子態，其波函數相反，因此總波函數為零，也就是說兩個電子處于同一狀態的概率為0，此即Pauli不相容原理。所有半整數自旋的粒子（包括電子）都遵循這一原理，并稱為費米子。自旋為整數的粒子（包括光子）的波函數對于交換不變號，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，所以激光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Bose-Einstein凝聚，這時體系可發射超強物質束，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。 

量子物理百年回顧（三）

       爭議與混亂 
       量子力學意味著什么？波函數到底是什么？測量是什么意思？這些問題在早期都激烈爭論過。直到1930年，Bohr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Bohr的互補原理對物質和事件進行概率描述，調和物質波粒二象性的矛盾。Einstein不接受量子理論，他一直就量子力學的基本原理同Bohr爭論，直至1955年去世。 
      關于量子力學爭論的焦點是：究竟是波函數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果。60年代中期John S. Bell證明，如果存在隱變量，那么實驗觀察到的概率應該在一個特定的界限之下，此即Bell不等式。多數小組的實驗結果與Bell不等式相悖，他們的數據斷然否定了隱變量存在的可能性。這樣，大多數科學家對量子力學的正確性不再懷疑了。 
然而，由于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于所謂的糾纏態，簡單說來，量子體系（如原子）不僅能處于一系列的定態，也可以處于它們的疊加態。測量處于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。 
       但是可以構造處于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的語言才能解釋。這個效應太不可思議以至于只有少數活躍的理論和實驗機構在集中精力研究它，論題并不限于原理的研究，而是糾纏態的用途；糾纏態已經應用于量子信息系統，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里，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。盡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范例。 
       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，Einstein研究了這一過程，并稱其為自發輻射，但他無法計算自發輻射系數。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，還有后來發現的其它場。 
      1925年，Born，Heisenberg和Jordan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Dirac于1926年獨自提出的場論。Dirac的理論有很多缺陷：難以克服的計算復雜性，預測出無限大量，并且顯然和對應原理矛盾。 
40年代晚期，量子場論出現了新的進展，Richard Feynman，Julian Schwinger和Sin-Itiro Tomonaga提出了量子電動力學（縮寫為QED）。他們通過重整化的辦法回避無窮大量，其本質是通過減掉一個無窮大量來得到有限的結果。由于方程復雜，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。 
      盡管QED取得了超凡的成功，它仍然充滿謎團。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輻射的關鍵，并且，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。對于我們周圍的低能世界，量子力學已足夠精確，但對于高能世界，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。量子場論的杰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。它解釋了為什么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旋有何關系；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是一個關于輕子的理論，它不能描述被稱為強子的復雜粒子，它們崩ㄖ首印⒅兇雍痛罅康慕樽印６雜誶孔櫻岢雋艘桓霰萉ED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。盡管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。 
       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跡般的日子，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的杰作——電磁場的量子化程序對于引力場失效。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，它們對于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，因為引力相對于電力來說是如此之弱以至于其量子效應可以忽略，經典描述足夠完美；但對于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象成為現實。