量子力學(xué)的發(fā)展綜述

李嘉悅

摘 要：量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域內(nèi)的一次革命，是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)，它從根本上否定了牛頓物理學(xué)。本文帶大家再次回到那個(gè)偉大的年代，再次簡要回顧下那場(chǎng)史詩般壯麗的革命。

關(guān)鍵詞：量子力學(xué) 發(fā)展 量子 多世界解釋

中圖分類號(hào)：O413.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-9082（2018）03-0-01

量子理論的中心思想是一切東西都是由不可預(yù)言的量子構(gòu)成，但這些粒子的統(tǒng)計(jì)行為遵循一種可以預(yù)言的波動(dòng)圖樣。簡簡單單的一句話，深入研究起來確實(shí)那樣令人困惑，整個(gè)20世紀(jì)的物理學(xué)家們就是在不斷的量子的迷霧中摸索著?，F(xiàn)在我們也要沿著他們的航線領(lǐng)略一下量子理論奇。

一、量子的創(chuàng)生

19世紀(jì)末，物理學(xué)界取得了一系列舉世矚目的成就，當(dāng)人們?yōu)樗^的物理學(xué)大廈已經(jīng)根深蒂而感到皆大歡喜時(shí)，幾個(gè)懸而未決的謎題卻一直困擾著高瞻遠(yuǎn)慮的物理學(xué)家們[1]。“在物理學(xué)陽光燦爛的天空中飄浮著兩朵小烏云”這句話在幾乎每一本關(guān)于物理學(xué)史的書籍中被反復(fù)提到，具體一些的話，指的是人們?cè)谶~克爾—莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射研究中的困境。這兩朵烏云帶來的狂風(fēng)暴雨，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象：第一朵烏云，最終導(dǎo)致了相對(duì)論革命的爆發(fā);第二朵烏云，最終導(dǎo)致了量子論革命的爆發(fā)。1900年，普朗克在解決黑體輻射問題時(shí)，做了一個(gè)假定，“必須假定，能量在發(fā)射和吸收的時(shí)候，不是連續(xù)不斷，而是分成一份一份的?！逼胀ǖ囊粋€(gè)假設(shè)，卻推翻自牛頓以來200多年，曾被認(rèn)為堅(jiān)固不可摧毀的物理世界。這與有史以來的一切物理學(xué)家的觀念截然相反，自牛頓和伽利略以來，一切自然的過程都被當(dāng)成是連續(xù)不間斷的，是微積分的根本基礎(chǔ)，牛頓、麥克斯韋那龐大的體系，都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)之上，從沒有人懷疑過這個(gè)物理學(xué)的根基。1900年12月14日，量子的誕辰，這一天，量子這個(gè)幽靈從普朗克的方程中脫胎而出。這個(gè)幽靈擁有徹底的革命性和無邊的破壞力，物理學(xué)構(gòu)成的精密體系被摧毀成斷壁殘?jiān)?，甚至推?dòng)量子論的某些科學(xué)家最終也站到了它的對(duì)立面。量子論這場(chǎng)前所未有的革命，從這個(gè)叫馬克思·普朗克的男人這里開始了。

二、量子力學(xué)的建立和論戰(zhàn)

量子這個(gè)概念已經(jīng)誕生了，然而他的創(chuàng)造者普朗克卻拋棄了它，不斷地告誡人們，不到萬不得已不要使用，不要胡思亂想。不怪普朗克本人畏首畏尾，實(shí)在是量子這個(gè)概念太過驚世駭俗，但是接下來一系列的成就證明了它的價(jià)值：1.為了解釋光電效應(yīng)，1905年愛因斯坦提出光量子論，揭示了光的波粒二象性;2.玻爾結(jié)合原子的核式結(jié)構(gòu)模型和量子論，1913年提出了氫原子理論;3.德布羅意從光量子理論得到啟發(fā)，于1923年提出物質(zhì)波假說;4.海森堡拋棄了玻爾的軌道概念，建立了矩陣力學(xué)（1925年）[2]。海森堡建立矩陣力學(xué)標(biāo)志著量子力學(xué)的建立，但是剛誕生的矩陣力學(xué)立刻受到了挑戰(zhàn)：薛定諤于1926年把物質(zhì)波的思想加以發(fā)展，建立了波動(dòng)力學(xué)。矩陣力學(xué)？波動(dòng)力學(xué)？全新的量子論建立不到一年，就要面臨內(nèi)戰(zhàn)了。兩派的主將都對(duì)對(duì)方的理論表象出強(qiáng)烈的厭惡，但有趣的是，兩種力學(xué)在數(shù)學(xué)上是完全等價(jià)的，它們都是從經(jīng)典的哈密頓函數(shù)而來，但這并不能緩和兩派的關(guān)系，形式上的統(tǒng)一不能掩蓋意識(shí)形態(tài)的分歧。從矩陣方面來說，它的本意是粒子性和不連續(xù)性，而波動(dòng)方面卻始終在談?wù)摬▌?dòng)性和連續(xù)性。之后的1927年，海森堡提出不確定性原理，玻爾提出了互補(bǔ)原理，加上波恩的概率解釋，構(gòu)成了“哥本哈根解釋的核心”。這引起了一場(chǎng)更加豪華的論戰(zhàn)：玻爾與愛因斯坦的論戰(zhàn)。玻爾是哥本哈根學(xué)派的“教皇”，愛因斯坦是反對(duì)派的精神領(lǐng)袖。盡管愛因斯坦對(duì)量子論的建立做過不可磨滅的貢獻(xiàn)，但是量子論的發(fā)展仍然超出了愛因斯坦的忍受范圍，哥本哈根的概率解釋顛覆了愛因斯坦信仰的因果律，他憤怒的說“我毫無保留地相信‘老頭子是不擲骰子的”?！袄项^子”是愛因斯坦對(duì)上帝的愛稱。1927年的第五屆索維爾會(huì)議，愛因斯坦輸了，在第六次索維爾會(huì)議，他卷土重來，但仍舊失敗了，新興的量子論有著旺盛的生命力，理論物理進(jìn)入了一個(gè)前所未有的黃金時(shí)代。

三、多世界解釋

哥本哈根解釋取得了勝利，然而這個(gè)解釋在常人看來確實(shí)難以理解。根據(jù)根本哈根解釋，觀測(cè)一個(gè)系統(tǒng)會(huì)引起波函數(shù)的坍縮，使被觀測(cè)系統(tǒng)由疊加態(tài)變?yōu)橐粋€(gè)確定的結(jié)果，但是觀測(cè)前結(jié)果是什么只能預(yù)測(cè)概率而不能確定。坍縮，被形容為“一個(gè)美麗理論上的一道丑陋疤痕”，它云遮霧繞、似是而非、模糊不清。為了繞過“坍縮”這個(gè)概念，埃弗萊特創(chuàng)立了新的理論，他認(rèn)為，波函數(shù)從未坍縮，而只是世界和觀測(cè)者本身進(jìn)入了疊加狀態(tài)。簡單描述的話，那就是歷史和將來一切可能發(fā)生的事情，都已經(jīng)在實(shí)際上發(fā)生了，或者將要發(fā)生，只不過它們?cè)诹硗庖恍┯钪胬?，跟我們所在的這個(gè)沒有任何物理接觸。這些宇宙和我們的世界互相平行，沒有聯(lián)系，根據(jù)奧卡姆剃刀原理，這些宇宙對(duì)我們是沒有意義的。多世界理論有時(shí)也被稱為“平行宇宙”理論，就是因?yàn)檫@個(gè)道理。但其實(shí)這是對(duì)多世界理論的一種誤解，只有一個(gè)“宇宙”，但是有多個(gè)“世界”。描述電子這樣微小的事物時(shí)，例如雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，電子從左縫或是右縫通過這件事情會(huì)在其他世界造成投影而互相感覺，但是更加復(fù)雜的系統(tǒng)對(duì)電子的行為進(jìn)行觀測(cè)如人類本身加入這個(gè)疊加態(tài)，因?yàn)槊枋鋈祟惖男袨楦訌?fù)雜，兩個(gè)“世界”互相的投影基本垂直使人類感受不到另外的世界。

量子力學(xué)對(duì)于普通人來說可能非常難以理解，這是因?yàn)樗憩F(xiàn)出來的物理規(guī)律與宏觀世界完全不同，和普通人的常規(guī)思維有著劇烈的沖突，理解量子物理必須借助數(shù)學(xué)的抽象，而不能套用宏觀的經(jīng)驗(yàn)。量子論的奠基人之一的玻爾說過：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！?/p>

無論如何，量子力學(xué)仍在不斷的發(fā)展，20世紀(jì)半導(dǎo)體的開發(fā)與應(yīng)用就是來源于量子力學(xué)，被譽(yù)為“20世紀(jì)最偉大的發(fā)明”，給人類世界帶來了徹底的改變。量子力學(xué)的廣闊前景讓人們看到了科學(xué)發(fā)展的勃勃生機(jī)，它仿佛是一個(gè)永無窮盡的寶藏，小到微觀粒子，大到天體宇宙，都等待著我們探求和應(yīng)用[3]。

參考文獻(xiàn)

[1]孟穎，呂超，王加安，陳浩，張冠陽.量子力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用[J/OL].電子制作，2014，（17）：277.

[2]羅洋城，陳慧清.簡論量子力學(xué)的發(fā)展[J].韶關(guān)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，（04）：48-50.

[3]孟穎，呂超，王加安，陳浩，張冠陽.量子力學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用[J/OL].電子制作，2014，（17）：277.

[4]曹大元.量子物理史話[M].遼寧：遼寧教育出版社，2011.1-170.