按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
诹孔恿ρе校嵌Τ３１还娑ǔ赡承├肷⒅担庑├肷⒅档谋嚷适羌虻サ挠欣硎�
量子力学和早先的物理理论更本质的区别在于用一种可能性，即用一种基本思维来解释量子力学如何来诠释这个世界。这就很明显是在用量子力学和牛顿力学来预测未来。牛顿力学中描述的一些事物，如太阳系，如果能一次性精确测量出，那么对于太阳系未来动向的精确预测是有可能的。在量子力学的描述中，甚至对一个简单的单电子原子都能精确预测出其诸多行为的可能性。对不稳定的放射性核的描述就能说明这一点。当单个的核子衰变时，量子力学就不能进行预测，尽管如此，如果搜集了许多相同的原子核，那么能指出何时这个核子会衰变。这个量子力学的新现象被一些知名物理学家，如艾伯特？爱因斯坦所抵制。不管怎样，它的出现成为原子与亚原子水平上不可忽视的一个特征。
早期发展：普朗克的成果
历经30多年的时间，量子力学蓬勃发展，期间成功地解释了多个物理现象。第一个量子理论用来分析电磁辐射是如何产生的。1900年，马克思？普朗克（Max Planck）做到了。普朗克尝试研究在不同的频率下，热的物体辐射的分布，比如太远的表面。根据观察结果他得出结论，辐射不是持续发出的，就像早先认为的一样。相反，辐射是以一种被他称为量子的离散量发出的。对于这些量子、频率f和能量释放量E之间往往存在一种关系，即E=hf。这里的h就是被普朗克引入的普适常数，现在以他的名字命名。普朗克常数以时间乘以能源为单位，其数值接近6。63×10^（…34）焦耳秒。普朗克分析结果的独特之处在于，这个公式能够表达出任何频率下的物体的辐射量。这个联系，即黑体分布，和实验结果相一致。
在普朗克的理论中，量子的性质是十分神秘的。这个谜于1905年被爱因斯坦解开，他提出光本身就是一个由单个套件组合的能源，后来被称为光子。爱因斯坦还提到光的频率与光子合成的能量有关，这是根据普朗克公式得出的。爱因斯坦的光量子概化理论被许多与他同时代的科学家所排斥，其中包括普朗克。而后，被罗伯特？密立根（Robert Millikan）的光电效应实验证实，并且阿瑟？康普顿（Arthur pton）从康普顿现象中发现了这一理论，并且用电来进行光子散热。
另一个具有代表性的早期量子运用的想法是尼尔斯？波尔（Niels Bohr）提出来的，1913年他提出一个假设，氢原子的电子角动力只能有一个值，这个值即普朗克常数的整数倍除以2π，那么它可以派生出由原子发出的光的频率。波尔理论暗示了只有特定的能量值，电子才可能存在于原子中，即如果有一个最小值，那么在这种最小值的状态下，电子是无法放射能量的。这个结果帮我们解释了原子如何能够保持稳定，也说明了一个元素的所有原子如何有一样的化学性质。然后，他证明了波尔理论对于原子的拓展要比氢气复杂得多。而且，牛顿定理和量子理论的奇怪组合让物理学家很难取舍，到底该遵循哪一个物理原理。
量子力学形式
实际的量子力学的发展，即数学的理论，于1924年到1927年才开始。起初，有两种看起来不相同的途径：一是维尔纳？海森堡（Werner Heisenberg）发现的矩阵力学和欧文？薛定谔（Erwin Schrodinger）发现的波动力学。然而，事实表明这是一个单独理论的两个不同方面，后来被称为量子力学。这个没有被定义的现象是被保罗？狄拉克（Paul Dirac）发现的。在矩阵力学中，物理量如粒子的位置，不是用数字表示，而是用数学量来表示，如矩阵。矩阵力学对于处理相应能量水平的小数的情况有用，如在磁场中的定角动力。
波动力学对于能量水平的数目无限大的情况更有用，如原子中的电子。这个是建立在路易斯？德布洛意（Louis deBroglie）的早期理论之上的，即粒子如电子与它们的联系成波状。波的波段（h）、伽玛（γ）与质量（m）和速度（v）有联系，粒子与伽玛的联系是γ=h/mv。这可以推断出电子以十分之一光速移动，如电视显像管产生的那些，波长大约10^（…10）米，或者约为在透明固体中原子之间的距离。德布洛意的预测被克林顿？戴维斯森（Clinton Davisson）和乔治？汤姆斯（George Thomson）证实。他们让电子波穿过了金属球，随即产生了衍射图案，跟X射线产生的一样。
1925年，欧文？薛定谔发展了方程式，现在以他的名字命名。这个方程式描述了电子如何与波动联系起来或者其他亚原子粒子在各种不同作用力的影响在空间和时间中的运动情况。这个方程式有多种解答方式，而且薛定谔强调对于一个粒子系统，其解答结果必须满足任何位置。当遇到电子在氢原子中的情况时，薛定谔方程式能马上给出准确的能量值，像以前波尔算出的一样，这个方程式能适应更复杂的原子，甚至完全没有被原子束缚的粒子。在很多例子中发现薛定谔方程式能给出粒子行动的准确描述，也证实了粒子没有在接近光的速度下运动。
抛开这些不谈，波动理论并不够完善。尽管这个公式成功了，但是波动的意义还是不清楚。薛定谔认为在空间内波动的强度的一个点上，代表了电子在那个点上的总量。那么，只要释放了电子，就无法集中在一点了。然而，这个理论很快被发现是不成立的，因为，如果一个粒子最开始集中在一点，大多数例子表明粒子会迅速传递到递增的更大区域，这就与观察到的粒子的行为相矛盾。
对波动正确的解释是由马克思？伯恩（Max Born）提出的。当他在研究如何用量子力学来描述粒子间的碰撞时，意识到德布洛意…薛定谔波动有一种测量的可能性，找到空间中粒子两点之间的距离。换句话说，即度量衡常常聚焦的是一整个粒子，而不是其中一部分。但是在一些强度小的区域，粒子不常被发现，然而在强度大的区域，粒子经常被发现。
海森堡的不确定原理
1927年，海森堡对量子力学的进步做出了重要的贡献。他分析了很多“思维实验”，这些实验是为了提供一些关于粒子位置和速率而设计的。这需要显微镜来呈现电子的图像。众所周知，因为光的波动性质，一个精确的电子图像需要波段长而且频率高的光。然而，普朗克…爱因斯坦关系暗示了这样的光需要光子有巨大的能量和动力。在这样的光子和电子间的碰撞，电子动量会从碰撞时开始不受控制地变化。结果是，随着电子理论的普及，精确度的增长是不可避免的，但是在其动量领域则是精确度的损失。在这个理论和相关分析的基础上，海森堡建立了他的不确定准则，这个准则以它最简单的形式表达了未知Δx和未知Δp之间的相互关系，Δx是物体的位置，Δp是我们所知道的它的能量。根据（Δx）（Δp）给出的不确定关系，其结果小于h/4π。对于物体每天的大小，相较于普通实验的不确定性来说，同时测量的限制就无足轻重了。因为这个原因，对于那些物体来说，牛顿定理和量子力学之间几乎没有显著的区别。然而，对于一个原子中的电子，它的不确定性限制是十分明显的，以至于他们能基本确定其大小和原子能量的最小值。
根据伯恩的波动强度的可能性描述和海森堡的测不准原则，量子力学的标准元素非决定性阐释早在1930以前就已经形成了。通常被人知晓的是哥本哈根阐释，因为尼尔斯？波尔（Neils Bohr），这位使现象公式化的伟人，那段时期，在哥本哈根建立了非常有影响力的物理机构。然后，许多科学家对哥本哈根阐释表示不满并加以批判，其中包括爱因斯坦和薛定谔，他们接受的只是量子力学的数学公式。正确阐释数学公式被认为是一个普遍难题。
发现定理以后，接着就开始用量子力学解释了很多原子物理学和化学领域的问题，如许多电子原子的结构和分子的结构。根据以前的观察和预测，这些应用大部分是成功的。后期成功预测的例子是，依靠相对定向的核角动力，氢分子可以以两种形态存在。1928年，由于这些成功的例子，保罗？狄拉克称量子力学是“涵盖一切化学及大部分物理学”的领域。虽然，陈述的第二半部分还没有得到证实，但是量子力学的延伸成功解释了许多物理现象。比如，19世纪30年代和40年代，乔治？伽莫夫（George Gamow）运用量子力学解释了放射性原子核的α衰变。
为了一些原子核的应用和原子物理学计算的准确性，延伸量子力学的原始公式，使其与爱因斯坦的特殊相对论保持一致，已经变得越来越重要了。1927年，狄拉克是第一个着手实施的人，并以他的名字作为方程式名。狄拉克方程很快成功证实了其在计算电子的性质方面的巨大作用，如自旋。自旋是轴通过电子角动力自转的，有点像地球围绕着自己的轴转动。早先我们知道的是，所有电子的自旋都是h/4π，但是原因并不清楚。狄拉克方程解释了这个原因，并且正确推算出一些自旋电子的磁力，并且做出了一个新的预测，在有相反电荷的情况下，有一种自旋的粒子存在。后来被称为正电子的这些粒子，是1932年被卡尔？安德森（Carl Anderson）发现的。它们是第一个反粒子案例，它们的存在被许多理论预测到了，量子力学和特殊相对论都能对其进行解释。
量子场论
对反粒子的研究，了解它们的性质，展示出相对量子理论的新方面，即事物的产生和消亡。狄拉克预测到并且很快观察到，当高能量的光子穿过物体时，电子和正电荷可以成对一起产生。并且，一个正电荷靠近一个电子后，两者会同时迅速消失，随即转化为几个光子。为了阐述粒子变化的数量上的转化，应用量子力学新理论，即场论是非常必要的。
在牛顿物理学中，一个领域代表了一个物理数量，如电场力，根据精确的数学方程式，电场力在时间和空间里从一个点到另一个点变化。这种经典领域可以在不同的点上有不同的数值。普通的量子理论最先被狄拉克运用到电磁领域。这种自动结合暗示了普朗克和爱因斯坦提出的有属性的粒子存在。而且，他能运用量子场论的形式来描述光子如何被带电粒子放射和吸收，如原子中的电子辐射，后来被称为QED，或者量子电动力学。19世纪50年代后期，QED一个重要的实际应用是激光。
许多物理学家都认为，早先的未知领域都涉及各种类型的粒子变化的过程。比如，1933年，恩里科？费米（Enrico Fermi）利用量子场论解释了电子从核子的发射，这个过程后来被称作β衰变。从普遍的经验中能得出，量子场论能够适应量子力学的规律，而且符合相对论，自然解释粒子的产生和消亡的过程。
量子场论也有一些不可预见的后果。比如海森堡的测不准原则在某段时期内并不能严格遵守能量守恒定律。因此，像电子一样的其他粒子能稍微发射然后重新吸收其他的粒子，比如光子。这种瞬变被称作虚粒子，它影响了我们衡量电子的性质。需要强调的是，如果不存在虚粒子，它们的质量会发生改变。基于虚粒子而多余的质量叫本身质量。不幸的是，19世纪30年代，物理学家尝试计算出基于虚粒子的本身质量，然而他们得到了一个无限值。一段时间里，这个结果使得研究量子场论的进程瘫痪。然而，19世纪40年代，他们找到了一种方法来处理本身质量的无限值。这种方法叫重整化，从那时候开始它便支撑了整个量子场理论。
重整化
重整化显示，本身质量是不能被直接测量的。只有结合了本身质量和固有质量才有可能观察到电子。亨德里克？克拉默斯（Hendrik Kramers）是第一个提出把本身质量的无限值与一个固有质量的无限值结合，然后得出一个有限可观察的质量。接着，它可能表达出所有在此方面与其他观察到的数量总和，防止无穷值的问题出现。这个步骤就被称作质量重整化，是十分微妙的计算。事实上，19世纪40年代末，因为新的技术引入，这种理论才被朱利安？施温格（Julian Schwinger）和理查德？费曼（Richard Feynman）完善。这种理论在各个阶段都与相对论保持一致，而不像以前的理论，把时间和空间进行了严格的区分。费曼理论包括一些暗示图片的运用，现在被称为费曼图表，它与计算过程中的所有步骤都相关。比如，电子产生光子，被画成一根没有额定长度的固体线，一段波浪线形代表了电子，开始于电子线路中间的直线代表光子。费曼描述了一组规律，即能根据相关的图表直接算出任何时候突发情况的概率。
19世纪40年代末，为了研究氢原子的电子能量和磁性，基于虚光子的放射和吸收，科学家运用费曼定律和薛定谔定律计算出了小修正。那些计算拥有更高的准确度，并且在某些案例的观察中，其精确度达到了令人不可思议的亿分之一。这可能是目前物理科学取得的最大的成功。
量子电动力学成功之处在于，让许多物理学家认为，可以用其他重整化量子场论描述那些不符合量子电动力学的亚原子粒子的性质，如中子和质子结合成原子核的强大力量，以及核衰变的弱力。因为对重整化理论和适应这种理论的粒子了解不够，所以这样的愿望许多年来没有实现。19世纪60年代到70年代，这种状况得到了改观，因为杨振林（Chen…Ning Yang）和罗伯特？米尔斯（Robert Mills）发现了一种特别的重整化量子场论，被称为规范场论。规范场论其中一种类型叫量子色动力学，或者叫QCD，它是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论，而不是针对质子和中子的。夸克是由假想的原子和中子组成的，受到其他粒子强力相互作用的影响。第二规范场论是由谢尔顿？格拉肖、史蒂文？温伯格和阿卜杜勒？萨拉姆提出的，用来描述电磁和弱相互作用，从而统一了一个单一理论性质的两个重要方面。
尽管重整化量子场论成功了，但是有些杰出的理论物理学家，如狄拉克对此表达了疑虑。尽管这些理论得到的数值是有限的，但是它是通过无限数量的评估得到的，这些量包括数学上的怀疑和美学上的审定。
量子力学的解释：隐变量理论
量子理论已经有60年的历史，为许多物理现象提供了正确的解释。但是，有些物理学家对于理论本身和当时的哥本哈根理论还心存疑虑。这些批评大多数来自于早先量子力学理论的代表。
批评之一就是它的不稳定性。尽管稍后对其他方面进行了拓展，但是这是爱因斯坦一开始就留下的缺陷。因为，一些个别的放射性核在特定的时间会衰变，所以爱因斯坦和其他物理学家认为一个完整的物理理论应该能准确预测时间，而不是根据数据统计去判断。爱因斯坦并没有对他所提出的那些理论进行分类，来代替量子理论，而其他物理学家建议在所谓的“隐变量”理论里找到一种解决方法。在隐变量理论中，我们可以测量有关事件的物理性质，而量子力学只能大概预测。数学家约翰？冯？诺依曼（John Von Neumann）很早就提出，隐变量理论不能够完全和量子理论的预测符合。这个说法还没有被证实，然而，有可能隐变量理论能和所有已经观察到的结果进行公式化的对比。但却没有一个物理学家找到合适的方法。
量子理论所作出的解释的第二个问题是关于测量方法的，这让很多接受它的人感到困惑。薛定谔波动方程能用于描述任何系统从一刻到另一刻的变化。如果在一个时间点上，能知道空间内任何位置的波动，那么稍后就能预测其他任何地方的变化。然而，知道了波动的强度，顶多只能预测其度量衡。当度量衡确定时，观察者能够立即获得至少一个关于这个系统性质的准确信息，如它的能量。这种把预测转化为准确信息的现象称为减少的波函数。这就可以证明，即使把测量仪和被观察的系统考虑进去，还是不能用薛定谔方程来描述这种减少。许多科学家对这个结果持有不同的态度。持赞成观点的人认为观察者的主观性在波动的减少作用中起了基础作用。反对者认为，因为量子力学不能囊括这种减少现象，所以它是不完整的。也许最为广泛接受的观点是，减少的波函数往往是包涵在微观的物体中，如电子，用测量仪来测量微观的系统。当这种互动发生时，测量仪肯定会发生改变，而这种改变使电子的波函数减少。也许这个观点有一些是正确的，但是它只能解决一部分问题，因为它自身的不可逆转性还没有完全被了解。
爱因斯坦…波多尔斯基…罗森悖论和贝尔定理另一个关于量子理论的解释来自于爱因斯坦与鲍里斯？波多尔斯基（Bois Podolsky）以及弥敦道？罗森（Nathan Rosen）的共同研究。1935年他们发表了一篇文章指出，对于量子力学的预测，在某些特定地方是不确定的，有些例子中，他们想的与实际的合理标准是冲突的。这种状况被设想成，在原始的物理系统中有一个整体，然后分割成两部分，最终两部分会远远分开。有一个现实的强加条件，当测量分开的系统的其中一部分时，另一部分不能进行干扰。他们分析的一个例子是，一个包含了电子和质子的原子，每个原子有h/4π的自旋角动量，但是整个自旋却为0，因为原子分裂后，电子向一个方向运动，而质子朝另一个方向。因为保留的角动力，电子和质子整个角动力被认为是零，即使它们隔得很远。如果一个物理学家能够确定电子自旋沿着某一方向运动，那么他可以立即推断出质子沿相反的方向自旋。这个现实条件表明，在测量出电子前，质子自旋已经可以确定一个值。
1964年，约翰？贝尔给出了一个不同的意见，与爱因斯坦的理论相矛盾的重力力学。他的发现来自于大量电子和原子的统计测量数据，被称为贝尔定理。这个定理表明，任何原理都能满足爱因斯坦的现实条件，这个现象是一个局部情况，即粒子被确定了性质后，那么就一