現代探索.理論研究

Anyone who isn"t shocked by quantum theoryhas not understood it. 　　　——尼爾斯·玻爾　　　百年量子　　　 沈建其　李敬源　　浙江大學物理系和浙江近代物理中心 　　　　　　　普朗克量子力學的誕生　　量子力學和相對論是近代物理的兩大支柱，兩者都改變了人們對物質世界的根本認識，並對20世紀的科學技術、生產實踐起了決定性的推動作用。相對論以相對時空觀取代源於常識的絕對時空觀，量子力學則以概率世界取代確定性世界。比起相對論來，量子力學對於變革傳統觀念也許具有更為深層次的意義。前者還保留了許多傳統概念如力、軌道等概念，但後者卻把這一切都拋棄了。　　1900～1926年是量子力學的醞釀時期，此時的量子力學是半經典半量子的學說，稱為舊量子論，開始於德國物理學家普朗克對黑體輻射的研究。黑體輻射是1900年經典物理（牛頓力學、麥克斯韋電動力學、熱力學與統計物理）所無法解決的幾個難題之一。舊理論導出的黑體輻射譜會產生髮散困難，與實驗不符。普朗克於是提出「能量子」概念，認為黑體由大量振子組成，每個振子的能量是振子頻率的整數倍，這樣導出的黑體輻射譜與實驗完全符合。「能量子」是新的概念，它表明微觀系統的能量有可能是間隔的、跳躍式的，這與經典物理完全不同，普朗克因此就這樣吹響了新的物理征程的號角，這成為近代物理的開端之一。　　　　　　　　　　　　　　　　玻爾和愛因斯坦　　1905年，愛因斯坦把普朗克的「能量子」概念又向前推進了一步，認為輻射能量本來就是一份一份的，非獨振子所致，每一份都有一個物質承擔者——光量子，從而成功地解釋了光電效應。愛因斯坦本人在幾年後又比較成功地把量子論用到固體比熱問題中去。1912年，丹麥青年玻爾根據普朗克的量子論、愛因斯坦的光子學說以及盧瑟福的原子行星式結構模型，成功地導出了氫原子光譜線位置所滿足的公式，從這以後掀起了研究量子論的熱潮。1924年，法國貴族青年德布洛意根據光的波粒二象性理論、相對論及玻爾理論，推斷認為一般實物粒子也應具有波動性，提出了物質波的概念，經愛因斯坦褒揚及實驗驗證，直接導致了1926年奧地利學者薛定諤發明了量子力學的波動方程。與此同時，受玻爾對應原理和並協原理影響的德國青年海森堡提出了與薛定諤波動力學等價但形式不同的矩陣力學，也能成功地解釋原子光譜問題。矩陣力學和波動力學統稱量子力學，量子力學就這樣正式誕生。　　　　　　　　　　　　　　　　　海森堡與狄拉克　　量子力學與經典力學對物質的描述有根本區別。量子力學認為「粒子軌道」概念是沒有意義的，因為我們不可能同時確定一個粒子的動量和位置，我們能知道的就是粒子在空間出現的幾率。量子力學用波函數和算符化的力學量取代過去的軌道和速度等概念，將不可對易代數引進了物理。量子力學還第一次把複數引入了進來。過去物理中引入複數只是一個為了方便的技巧，並無實質意義，但在量子力學中，虛數具有基本的物理意義，正如英國物理學家狄拉克在70年代所說的：「……這個復相位是極其重要的，因為它是所有干涉現象的根源，而它的物理意義是隱含難解的……正是由於它隱藏得如此巧妙，人們才沒有能更早地建立量子力學。」可見複數第一次在量子力學中產生了不可被替代的物理意義。這個狄拉克在20年代後半期把當時薛定諤的非相對論性波動方程推廣到相對論情形，第一次實現了量子力學和相對論的聯姻。狄拉克所建立的方程是描述電子等一大類自旋為半整數的粒子的相對論性波動方程。由於組成現實世界的物質是自旋都為 1/2 的電子、質子和中子，所以狄拉克方程顯然特別重要。狄拉克方程能自然地預言電子的自旋為1/2 ，解釋氫原子的精細結構，又預言存在正電子。不久，安德森就找到了正電子。狄拉克方程成為量子力學最有名的方程之一。這個狄拉克還將電磁場量子化，從理論上證實了1905年愛因斯坦的光子學說的最重要觀點——光是由光子組成的。　　　　　　　　　　　　薛定諤和他的貓　　作為一個體系，量子力學的建立大致在20世紀20年代末完成，此後量子力學就被應用到實際問題中去了。量子力學的基礎和應用　　對於許多人來說，也許量子力學比相對論更為有用。後者一般用於研究基本粒子的產生和相互轉化以及大尺度的時空結構，但對於20世紀人類的生產生活，原子層次的世界顯得更為重要。30年代，量子力學用於固體物理，建立了凝聚態物理學，又用於分子物理，建立了量子化學。在此之上，材料科學、激光技術、超導物理等學科蓬勃發展，為深刻影響20世紀人們生活方式的計算機技術、信息技術、能源技術的發展打下了基礎。在20世紀上半期，量子力學深入到微觀世界，發展了原子核結構與動力學理論，提出了關於原子核結構的殼層模型和集體模型，研究了原子核的主要反應如α、β、γ嬗變過程。在天體物理中，必須要用到量子力學。對於那些密度很大的天體，如白矮星、中子星，當核燃料耗盡時，恆星的引力將使它坍縮，高密度天體的的費米溫度很高，比恆星實際溫度高得多，白矮星的電子氣兼并壓和中子星的中子兼并壓抗衡了引力，此時量子力學效應對於星體的形成起了決定性的作用。對於黑洞，其附近的狄拉克真空正負能級會發生交錯，因此有些負能粒子將可能通過隧道效應穿透禁區成為正能粒子，飛向遠方。黑洞的量子力學效應很有意義，值得研究。　　儘管量子力學取得了巨大成功，但是由於相對於牛頓力學而言，量子力學與常識的決裂更為徹底，因此對於量子力學的基礎仍舊存在著許多爭論，正如玻爾所說：「誰不為量子力學震驚，誰就不懂量子力學。」愛因斯坦和玻爾在20世紀上半期關於量子力學是否自恰與完備展開了大討論，引發了一系列關於量子力學基礎的工作，如隱變數理論、貝爾定理、薛定諤貓態實驗等，這些工作使得我們看到理解量子力學的艱難。　　量子力學的應用，一方面讓我們感覺到現實世界豐富多彩的離奇特性，另一方面反過來也促進我們對量子力學基礎的理解。20世紀下半期，量子力學在基礎和應用研究上又煥發出了青春。對超導本質、真空的卡西米爾效應、分數與整數量子霍爾效應、A-B效應和幾何相因子、玻色－愛因斯坦凝聚和原子激光等的研究，極大地豐富了人們對物理世界的認識，而對這些效應和技術的研究，必將對21世紀的科學進步產生深遠意義的影響。量子力學向縱深發展　　量子力學是單粒子的運動理論，在高能情形下，粒子會產生、湮滅，涉及到多粒子，因而需把量子力學發展成為量子場論，第一個用於研究相互作用的量子場論是量子電動力學。量子電動力學研究電子與光子的量子碰撞，它是在三四十年代從研究氫原子的超精細結構-蘭姆移動及電子反常磁矩的基礎上建立起來的。由費曼等人發展起來的路徑積分量子化方法是研究相互作用場量子化的得力工具，運用它，散射矩陣和反應截面的計算成為可能。　　量子場論是個空框架，必須引入相互作用，才能描述相互作用粒子的產生和轉化、研究其本質，這就是規範場論的任務。量子場論和規範場論是量子力學向縱深發展的結果。量子電動力學具有U(1)群（一種可交換的內部對稱群）的定域規範對稱性。把帶電粒子波函數的定域相位變化一下，同時電磁勢作相應的變換，發現為了保持理論具有這種變換的不變性，必須引入帶電粒子與電磁場（一種規範場）的耦合項。當時在微觀世界，除了電磁力外，還有控制核子聚在一起的強力和控制原子核衰變的弱力，這些相互作用滿足怎樣的動力學方程，需要有一個第一性原理來解決。　　　　　　　　　　　　　　　　楊振寧　　1954年，楊振寧和米爾斯把定域規範不變的理論推廣到內部對稱的不可交換群，引入非阿貝爾規範場。楊－米爾斯的理論決定了相互作用的基本形式，成為理論物理中繼相對論羅倫茲變換之後的最重要的變換形式。洛倫茲變換是時空變換，規範變換是內部空間變換，它們分別從外部和內部決定物質運動和相互作用的形式。六七十年代的工作，包括1964年發現真空對稱性自發破缺使規範場得到質量的黑格斯機制，1967年法捷耶夫和波波夫用路徑積分量子化方法首次得到正確的規範場量子化方案，1971年特·胡夫特等人證明了規範場理論的可重整性，並提出了一種切實可計算的維數正規化方案，以上工作使得量子規範理論成為成熟的理論。　　在規範場論和粒子物理實驗、基本粒子結構（三代輕子和三代夸克）研究的基礎上，六七十年代還提出了特殊的規範場論——弱電統一理論和量子色動力學。由於在1979年找到了傳遞色（強）力作用的膠子存在的證據，在1984年發現了存在傳遞弱相互作用的中間玻色子W±和Z0 ，所以我們深信：描述弱相互作用和電磁相互作用的統一理論是SU(2)×U(1) 規範場模型， 描述強相互作用的理論是SU(3) 規範場模型。這兩個模型統稱標準模型。物理學家已在1995年找到了它們所預言的最重的夸克（頂夸克）的存在證據，所預言的最後一個基本粒子（τ 子型中微子）也已在2000年找到。特·胡夫特等的工作也被授予1999年諾貝爾物理學獎。標準模型取得的一再成功使得它成為目前公認最好的關於物質結構、物質運動和相互作用的理論。　　量子力學和量子場論使得人類對真空的性質也有了更為本質的看法。過去真空被認為是空無一物的，自從狄拉克提出真空是「負能粒子的海洋」之後，真空就被看作是粒子之源了。真空具有許多效應，如反映真空具有零點能量的卡西米爾效應、真空極化導致氫光譜蘭姆移動（氫原子的超精細結構）、激態原子與零點真空作用導致原子自發輻射等。真空作為量子場的基態，具有普適的對稱性。60年代，南部和歌德斯通發現量子場論真空會發生自發對稱破缺，70年代玻利亞可夫等發現真空的拓撲結構。目前已能對真空可以進行局域性的操作，真空上升到研究相互作用主體的地位。總　　結　　具有整整一百年歷史的量子力學對於20世紀的科學技術具有革命性的影響。正是因為其影響深遠，所以在這世紀之交，其帶給我們的懸而未決的謎也就更多更難。李政道認為20世紀末期存在如下的物理之迷：夸克幽禁、暗物質、對稱破缺、真空性質等。此外，解決諸如質量起源、電荷本質、量子引力、基本粒子世代重複之迷等也必將引發新的物理學進展。為了探索物質世界的深刻本質，大統一理論、超對稱、超引力、超弦理論等也在發展之中。它們或許就是新的革命的前奏。儘管不知道能否再發生象量子力學誕生那樣的革命，但是未來的100年絕對是讓物理學家忙碌的100年，而這些新概念、新理論、新技術對未來人類的觀念和生活的巨大影響，恐還不能處於目前我們的掌控之中。
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