量子力學(xué)的發(fā)展綜述

李嘉悅

摘 要：量子力學(xué)是對經(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：O413.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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。現(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，指的是人們在邁克爾—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。”普通的一個(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)踔镣苿?dòng)量子論的某些科學(xué)家最終也站到了它的對立面。量子論這場前所未有的革命，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。兩派的主將都對對方的理論表象出強(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”，愛因斯坦是反對派的精神領(lǐng)袖。盡管愛因斯坦對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”。“老頭子”是愛因斯坦對上帝的愛稱。1927年的第五屆索維爾會議，愛因斯坦輸了，在第六次索維爾會議，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，觀測一個(gè)系統(tǒng)會引起波函數(shù)的坍縮，使被觀測系統(tǒng)由疊加態(tài)變?yōu)橐粋€(gè)確定的結(jié)果，但是觀測前結(jié)果是什么只能預(yù)測概率而不能確定。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，只不過它們在另外一些宇宙里，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)對電子的行為進(jìn)行觀測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。”

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.