世界已经进入量子时代你还在用牛顿思维模式?

作者: 科技在线  发布:2019-05-10

  原标题:世界已经进入量子时代,你还在用牛顿思维模式?十分钟搞懂量子力学,颠覆思维

  牛顿思维即传统思维,它的产生可溯源于16世纪,哥白尼提出的“日心说”替代了盛行一时的“地心说”,他的观点被开普勒、伽利略以及17世纪的牛顿等人加以发展和完善。牛顿在《自然哲学之数学原理》中,以数学公式为依据,解开了古老的天体运动之谜,形成了全新的“世界体系”,数学化、量化了自然规律,形成了一种统治西方思想的哲学世界观,我们可以称之为牛顿世界观。

  这种世界观的哲学认为整个世界是匀速、线性地运动着的,所有组成世界的各个部分都是相互分立的,并且是机械式的联系着的,它们的运动不存在任何的不确定性,也就是说“世界是测得准的”。

  这就是牛顿思维,它的思想核心是客观、精确、机械的数学模式,在笛卡尔那里甚至把全部自然知识等同于数学知识。

  这种倚仗客观的、数学的方式去了解自然现象的方法,在许多科学领域中得到采用,并且在19世纪麦克斯韦的研究理论中达到了巅峰。

  那时的科学家认为所有的物理学现象都可以通过牛顿力学和麦克斯韦电磁波理论加以描述;他们甚至觉得绝大多数自然界的极本规律都已经被发现,并且几乎所有的自然现象都遵循这些规律。

  量子思维则来源于海森堡的“测不准原理”和量子物理学。上个世纪初期,德国物理学家海森堡根据微观粒子的特征,提出了著名的“测不准原理”,即微观粒子的“成对物理量”不可能同时具有确定的数值。例如,“位置”与“动量”、“方位角”与“动量矩”,二者之中,一个越确定,则另一个越不确定——即不可能有一种方法,同时把两者都测定。包括海森堡在内的20世纪20年代的诸多科学家们,象丹麦的玻尔,德国的海森伯,英国的狄拉克,奥地利的薛定锷,法国的德布罗意等一批科学巨匠,通过对“波粒二象性”,“测不准原理”、“几率波”,“电子自旋”、“非局部作用”,以及关于“能量场”、“全息场”等方面的研究,创建了与牛顿经典物理学相对立的量子物理学,打破了牛顿经典物理学唯我独尊的地位,揭示了微观物质世界运动的本质与规律。

  由于量子物理学所涵盖的研究对象和内容,远远超出了物理学这门学科的范围,它实际上已经成为一种带有世界观性质的更普遍的理论和思维方式

  认为世界在基本结构上是相互联结的,应该从整体着眼看待世界,整体产生并决定了部分,同时部分也包含了整体的信息。

  认为世界是“复数”的,存在多样性、多种选择性,在我们决定之前,选择是无限的和变化的,直到我们最终选择了,其他所有的可能性才崩塌。同时,这个选择为我们下一次选择又提供了无穷多的选项。

  认为微观物理现象不可能在未被干扰的情况下被测量和观察到,在弄清楚任何物理过程的活动中,人作为参与者总是处于决定性的地位。

  测不准原理说,一个微观粒子,位置测量越准确动量测量就越不准确,反之亦然。也就是说,在实际测量中,如果用光子去探测粒子,由于光子本身的动量,势必会在“位置粗略”和“受到干扰”中选择一个,也就是当你观察到事物的时候,你已经在不可避免的改变着你的观察对象了。因为测量手段必定会影响它的运动。

  推而广之,就是一个人所皆知的事实,一切测量都不可能避免误差。更进一步,我们永远无法真正精确地认知事物——不仅是对事,对人亦是如此:历史是无法被完全认知的,人心是叵测的。这其实已经告诉我们,奇迹是不可预知的东西里最高级的形式了。

  然而,摆在我们面前的是:这个世界和它的历史,到底是可知的,还是不可知的?如果可知,为什么我们永远只能逼近真实,却无法达到真实?如果说事物是无限发展的,所以认识也永远无法达到认知一切;但即便真实是孤立静止地等着人去测量,人又能准确地量度它吗?

  我们可以更深入的来看这个问题:在工业文明时代,人类要征服和研究的对象,主要是自然界,特别是宏观的物质对象。在这个时期,人类运用劳动对象(土地、植物、矿产、钢铁、机器等)自身的规律来开发和改造大自然,取得了足以自豪的成就。

  相对来说,经典物理学和牛顿哲学比较适应这个时期的实践。在工业化文明的过程中,每一个人不知不觉受到牛顿物理思维的影响,在这种“牛顿思维方式”中,人们确信事物发展是一个不断积累、循序渐进的过程;发展前景是可以预测的,给定一个初始条件,就可以依据某种规律,计算出一个物体在任何一个时刻的状态,乃至世界某一刻的状态。

  信息文明时代是一个后工业文明时代,我们面临的更多的是人、人的思维,其客观化表现形式更多的是“信息”或“知识”。这完全不同于工业文明时期的对象,看不见、摸不着,物质性极弱,它的最大特征是波动、跳跃、速度变化快、不可预测。

  在物理学的研究中,对于宏观物质很强的低速运动体系用牛顿物理学,而对于微观的、物质性很弱的、具有波动性和快速变化特征的体系时,就要用量子物理学。延伸到社会生活领域,就要用量子思维方式看待和解决问题。

  在量子思维方式看来:以人为主体的信息社会中,带有波动性和跳跃性的事物是不连续的、非渐进的;事物与事物之间的因果关系是异常复杂的;事物发展的前景是不可精确预测的,也就是说是测不准的。

  在21世纪信息文明时代,人类思维方式要发生一次根本的变化,要从牛顿思维方式转为量子思维方式,才能从根本上适应新时代。

  在传统的经典物理体系下,人主要是被动的,有着根本上的宿命性,只能听命于、适应于自然界的规律;不能超越自然已经存在的规律去想事情。在信息化时代,按照测不准原理,你的测量、你的操作、你的生命活动本身,就在改变着结果。人在起主导作用,起决定作用。

  所以,在一个物质性极弱的时代,人的主观能动性的发挥,会有一个根本性的变化。

  这也就是说,如果我们从被动的角度考虑问题,我们不可能测准未来,只能消极地、被动地等待机会;但是,如果我们是从主动的角度考虑问题,用量子思维方式去思考,我们就可以事先做好一切准备,主动地寻找各种机会去实践,因为机会总是为有准备的人准备的。

  当然,我们毕竟生活在工业文明与信息文明并存的世界里,这里有纵横交错、极其复杂的情况发生。运用何种思维方式,要看对象和问题的性质。

  波尔在用他的“互补”理论解释波粒二象性悖论的时候这样说过:粒子图景和波动图景是同一实在的两个互补的描述,每一个都只是部分正确,也只能应用于受限的范围。这对我们有重要的启发。

  也许,这个世界应该建立一个能够囊括宏观、微观对象运动规律的“广义量子论”吧。

  然而,这似乎不可能,因为从根本上说,世界是测不准的,不可能用一个理论 “确切地描述”出来。可是话又说回来,“世界测不准”也是“一个理论”,这理论“准确地”说出了这个世界是“测不准”的这个“真理”。

  星际旅行、时空穿越、瞬间移动……无数的文学和影视作品为我们展现着人类科幻的未来。这些并不是创作者们脑洞大开的随意想象,创作者们都有一个基本的理论基础——量子力学。量子力学,是当今物理研究的最前沿。但对于普通群众来说,量子力学看似高深莫测。

  5月3日,世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机在中国诞生,量子力学取得现实应用的重大突破。

  怀着对科学的敬畏之心,本人希望化繁为简、以最平实易懂的语言,写下量子力学的发展以及普通人怎样能看懂量子力学,和大家一起掀开量子力学的神秘面纱。

  “光”是什么?却千百年来,人类受益于光的恩赐。却不知光到底为何物,只能做出一些猜想。

  人类对于光的无知,直到1655年开始有所改变。英国的博物学家胡克,提出了光的波动说,他认为光是一种波,与水波相似。荷兰人惠更斯发表《光论》,发扬了这一理论。

  他们的反对者,是牛顿。他提出了光微粒说,认为光是极小的微粒,遵循运动定律。

  按照牛顿的观点,光是微小的颗粒。他合理解释了光的直线传播和反射性质。对于光的折射和衍射,牛顿的解释并不令人满意。

  惠更斯等人认为,光是波。那就需要有传播的媒介,像声波通过空气、水波通过水来传播。但是真空中没有物质,光是如何进行传播的呢?

  他们说,在所有空间中都存在一种看不见的物质,叫做“以太”,光就是通过“以太”进行传播的。可是,如果“以太”真的存在,那么地球以每秒30公里的速度公转,我们应该可以感受到迎面吹来的“以太风”。大量的实验证明,并没有“以太风”吹来。

  由于牛顿无与伦比的学术地位,他的粒子理论占据了主导。在此后100多年中无人敢于挑战,而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。

  如果光是粒子,那么,实验的结果应该是背景板上投射出两条大约相同的狭窄光束。可实验结果大大出乎人们意料。

  当我们观察水波时会发现,两个水波重叠的地方,波峰遇到波峰时水波会更高,波峰遇到波谷时候,会相互抵消消失。这种常见现象叫做干涉。

  实验所使用的背景板上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波。双缝实验彻底动摇了光粒子说的统治。

  此后的50年间,光的波动说进一步发展。到十九世纪中期,开始主导科学思潮。人们认可了光是一种波,不是粒子。

  19世纪物理学大发展,科学家们认为人类对于物理学的掌握已经趋于完美,再进行研究,不过是在已知结果的小数点后加上几位而已。

  德国人普朗克的老师也这样劝导他,奉劝他不要去学纯理论物理,他没有被两位导师的建议说服。

  19世纪的最后一天,1899年12月31日,物理学家凯尔文发表迎接新世纪的演讲:“19世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰、完善这座大厦了。”

  当时的物理学家总结出的两个公式,都不能准确的计算物体发出的辐射。一个可以在辐射的长波部分计算出结果,另外一个公式可以在辐射的短波部分算对,可是一旦到相反的波段,答案就谬之千里了。

  “走投无路”的普朗克想,不然先强行的把两个公式凑成一个满足所有波段的公式吧,然后倒着推理,看看是什么结果。

  结果是,如要想让组合在一起的公式成立,那么物体发出辐射时,能量就不能是连续的,而是以一个微小数量的整数倍跳跃式的变化,也就是说能量的变化是一份一份的。

  1901年,他把计算的结果发表,在论文中,他把这一份一份的能量起名为“量子”。

  其他的科学家验证出了普朗克的正确性,量子力学自此诞生,普朗克成为了“量子之父”。

  1880年之后,爱迪生改良后的电灯泡开始大面积的推广。人类对于光的利用达到了前所未有的高度。

  德国人赫兹发现,用紫外线灯光照射金属,里边的电子会被激发出来形成电流。光生成了电。

  1905年,在物理学界被称为“爱因斯坦奇迹年”。爱因斯坦在这一年中,发表了5篇划时代的重要论文。其中一篇关于“光电效应”的论文,直接成就了爱因斯坦获得诺贝尔奖。

  爱因斯坦在论文中,重新提起光的粒子说。按照光粒子说和量子概念,光应当是由一份一份不连续的微小颗粒组成,他起名叫“光量子”,简称光子。

  当某一光子照射到灵敏的金属上时,它的能量被金属中的某个电子吸收。电子的动能增大,克服了原子核对它的引力,飞出了金属表面,成为光电子,形成光电流。

  爱因斯坦对于光电效应的解释,震动了已经普遍认可光波动说的物理学界。请加微信公众号:工业智能化(robotinfo) 马云都在关注

  一系列实验验证了爱因斯坦的正确性,人们开始意识到光同时具有波和粒子的双重性质。对于光是什么,这一持续近300年的争论,终于以一个神奇概念的产生而宣告终结——光的波粒二象性。

  科学家获得了新的思路,原来一种物质是可以同时具有两种截然不同性质的。波粒二象性就像一把钥匙,微观世界的大门被打开了。物理学家进一步发现,基本粒子都是具有波粒二象性的。

  经过几十年孜孜不倦的研究,量子力学与已经沿用近300年的经典物理理论之间的矛盾日益明显。

  之所以出现这样的局面,是因为科学家发现的量子现象,在宏观世界中都不曾出现。量子力学和经典力学的对立,实质是微观世界和宏观世界对立的缩影。

  爱因斯坦开始提出质疑。量子力学过于玄幻,提出的概念实在令人费解。爱因斯坦是量子物理的奠基人之一,但此时,他站出来对量子力学本身的一些基本概念和完备性提出深刻的否定。

  量子物理学家们却并不认同他。新兴的量子力学成绩斐然,不容置疑。在各种学术期刊中充斥着火药味,好像这些科学家万一碰面,必然会有火星撞地球般的激烈雄辩。很快,这样的会面,真的来了。

  这是物理学史上最伟大的一次聚会。如华山论剑,江湖上顶尖高手悉数到场,都是物理学各个分支的旗帜性人物。照片中与会的29人,有17人都先后获得过诺贝尔奖,被称为物理学的“全明星”盛会。

  在照片中,爱因斯坦居中而坐,可见其当时在学术界的地位。他以因果论为武器,展开对量子力学现状的分析,指出量子力学研究不尽如人意。

  所谓因果论,就是任何事物的产生和发展都有一个原因和结果。这是天衣无缝的真理。

  他的反对派人数众多,他们有个统一的名号——哥本哈根学派。掌舵人是波尔,他为量子力学奠定了重要的理论基础。特别值得一提的是,波尔曾经到访中国,他在自己的族徽中,放上了中国的太极图。波尔认为太极完美的诠释了自己的互补原理。好像光的波粒二象性,波和粒的属性是互补的。

  波尔带领着一批30岁左右才华横溢的年轻人,玻恩、海森堡、泡利、狄拉克等都是这个学派的主要成员。他们对量子力学的解释被称为量子力学的“正统解释”。

  哥本哈根学派的辩据,是基于计算的概率论。在量子世界里,结果经常不是明确的,而只是一种概率。

  在两块金属中间夹一层绝缘层,一般都认为电子不能通过绝缘层。但哥本哈根学派说,电子通过绝缘层是存在概率的。经过计算,可以得出概率的数值。这就是“量子隧穿”。如果放到宏观世界,人能不能穿墙?按照量子隧穿,宏观物体也能发生隧穿效应。人也可能穿过墙壁,但要求组成这个人的所有微观粒子都同时穿过墙壁,实际上几乎是不可能的。但从概率上说,人可以穿墙。

  爱因斯坦对于这样的概率说嗤之以鼻。概率的存在,只是量子力学理论不完整的证明。量子力学并没有找到完整描述微观和宏观世界的理论。

  在第五届索尔维会议上,爱因斯坦没有取得胜利,甚至可以说失败了。他并不甘心,三年以后的第六届会议,他卷土重来。

  爱因斯坦总结经验,放弃了对于具体案例的探讨,把矛头指向哥本哈根学派的理论基础——“测不准原理”。

  我们简单介绍下这一原理。人们为了直观理解原子内部,会画一个这样的示意图。

  像一团云雾,科学家形象的称之为“电子云”。这看上去密密麻麻的云雾,其中的电子其实只有极少的几个,甚至是1个。

  出现云雾状,是因为电子在原子狭小的空间内以接近光速运动,看到的只能是一团云雾。

  测不准原理说的是,在原子内部,电子的运动毫无规律,我们知道电子的位置时,却不可能知道它的速度。位置和速度,不能同时知道,这与描述宏观世界的经典物理学是相悖的。例如我们可以计算出任意时刻,地球围绕太阳轨道运行的速度和位置。

  爱因斯坦相信,只是我们缺乏观测的手段和合理的公式,不存在这样的测不准原理。

  每天在旅馆用早餐时,科学家们见面,爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚看出哥本哈根学派解释的矛盾。

  玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验做出了解释,他会在晚餐时分析给爱因斯坦听。

  由于第二次世界大战一触即发,爱因斯坦被德国纳粹迫害而逃亡美国,没有出席三年后的第七届索尔维会议。

  所谓量子纠缠,是量子世界中又一奇妙的现象。科学家发现,在同一特殊反应中能够生成两个且只有两个相互纠缠的量子,这两个量子如孪生一般,对其中一个发生作用,另外一个会同时做出相同的变化。比如一对相互纠缠的电子,如果他们的纠缠方式是反向纠缠,一个正向旋转,那么另外一个必然反向旋转。假设你将前边的电子改为反向旋转,那么另外一个会同时变为正向旋转。而且,这两个电子无论相聚多远,哪怕是银河系的两端,也不能阻碍他们同时发生变化。

  他们之间是如何联系的呢?这种联系速度甚至达到光速的十倍。这不科学。因为按照相对论,光速无法被超越。爱因斯坦把这种鬼魅般的联系称为“幽灵作用”。

  诚然,直到今天,我们还没有确凿证据找到能超越光速的物质。所以,哥本哈根学派告诉爱因斯坦,世界本来就是这样的。

  爱因斯坦的主要支持者薛定谔,更是提出了一个对于哥本哈根学派如同噩梦的实验——“薛定谔的猫”。

  既然量子力学的理论都是解释微观状态,那如何与宏观世界结合呢?薛定谔假设,在一个箱子里,放一个原子核,原子核是个量子级概念,它在不确定的时间内会自发的产生衰变,谁都无法预测衰变的准确时间。箱子内设计一个机关,当原子核衰变时,将联动一把锤子,打破装有可以毒死猫的毒气瓶。箱子里边放一只猫,然后把箱子盖上。请问,过一段时间后,箱子里装着的是一只活猫还是死猫?

  波尔和爱因斯坦的论战,也是量子力学和经典力学的论战。争论虽然直到今天输赢也没有定论,却促进了量子力学的发展和完善。

  科学家们并未停步,他们聪明的绕过了研究谁对谁错,而是选择忠于实验结论和计算结果。问到量子力学的原理,大多数物理学家会说“闭嘴,乖乖计算”。

  波尔说:“我们称之为真实的一切,都是由我们不能称之为真实的东西组成。”量子力学,充满许多匪夷所思的怪论,但是,一切的实验和计算,都验证出它是对的。原理如何,无人知晓;事实证明,爱因斯坦错了。

  根据量子力学的方程,人们设计了可以控制微小电流的开关,应用到激光、晶体管、集成电路等电子工业的大多领域。可以说量子力学如果不成立,那么我们的电脑、手机、相机等等电子元器件将统统失灵。没有量子力学的世界,我们只能回到蒸汽时代。

  以上就是简单的量子力学发展过程。近年,量子力学一词,出现的越来越频繁。我们普通人,怎么能够容易理解量子力学呢?如果我们能够打破几个定势思维,同样可以走进量子力学的奇妙世界。

  从量子的名字看,很多人看到叫“子”,就认为是一种微小颗粒。在理解量子时,请忽略后边的“子”字,而看前边的“量”字。量子,拉丁语本意为“有多少”,代表“一定数量的某物质”。

  量子力学,虽然研究基本粒子,但是量子化,却是宇宙的属性。大到行星、小到细胞,最终分解都是可以量子化的。甚至人类的思维,科学证明,我们的意识同样不是连续的,每隔0.042秒就有微小的断开。那么我们的意识就可以视为以0.042秒为一份的量子化意识。

  我们所处的宏观世界是由微观世界组成的,两者并无清晰的界限。哪怕我们人体,同样由微小的原子组成。按照波粒二象性,如果告诉你,人同样是由波组成的,也并不需要意外。这在德布罗意的“物质波”理论中,已经有了答案。

  另外,抽象到如空间,也可以量子化。空间的量子化,产生了虫洞。虫洞的概念,是说我们只要有足够大的能量,就可以打开单位空间之间的间隙,依靠这样的虫洞,可以进行时间旅行、空间转移。这并不是科幻,至少从数学的推算中可行。虫洞也叫“爱因斯坦-罗森桥”,由爱因斯坦及罗森在研究引力场方程时推算得出。

  如太极的玄妙,宏观和微观相互交融,并非对立。解释宏观世界的经典物理学,和解释微观世界的量子力学,现在还极不相融,没有达成一致,但已有科学家通过实验开始把彼此归于统一。由此,可能会产生更加奇妙又伟大的理论。

  苹果砸到牛顿的头时,他发现了万有引力。今天我们知道,扔一个苹果,只要有足够大的能量,甚至可以把苹果扔出地球。这对于古代人,无法想象。

  假设世界只是一个平面,我们都是二维平面人,那么我们甚至都不能理解,在一个三维世界的地上出现了两个脚印是什么原理。还好,我们本身是三维的,知道脚印的上边是一个完整的人。那量子纠缠的超远距离“幽灵作用”是什么原因呢?科学家目前的解释有分歧,有些认为光速并不是极限速度,“幽灵作用”是超光速传导产生的;而也有科学家认为,宇宙本身是11维度的空间,“幽灵作用”是由于那些被压缩在空间内的、我们看不到的维度影响产生的。

  原理虽没澄清,但利用量子纠缠现象,我国已经于去年8月发射了量子通讯卫星,领先全球。

  量子力学正在渗透到科学的各个领域。例如生物学家甚至证明,我们的嗅觉,不是由我们一般认为的,闻到物品的分子产生,而是像我们的耳朵一样,“听到”了物品中亚原子颗粒的波动来加以区分。量子生物学正在颠覆传统生物学。

  如果你在北京,对于我来说,你在北京的哪里呢?量子力学的解释是,你在北京的任意一个地方。就如我们想知道一个电子在原子中的位置,电子是以波的形式存在于整个原子空间里,直到你去观察时,才会具体的出现在一个点上。同样,我没有观察或者没有被告知时,你就如电子一般,在北京的任意一个角落都有存在的概率。

  我们都知道,现代计算机的数学基础是二进制。计算机二进制中,一个单位信息叫一个比特。一个比特可以是0,或者1。如果我输入2个比特01,通过传输后,它依然是01。量子比特则不同,我输入两个最小单位的量子比特,这两个量子比特都有可能是0,也都有可能是1,概率均等。这时,输出的结果也不再是单一信息,而是四个可能,00、01、10、11。量子计算给了我们四个概率相等的、可供选择的、不确定的答案。这可以简单认为就是量子计算的原理。

  2个量子比特信息,答案是2的2次方个;3个量子比特,就是2的3次方个;……20个量子比特,就是2的20次方个,也就是100多万个。

  量子计算,会随着量子比特增加,呈几何级数增长。比如我们想从100万个不同比特信息中找到我们想要的一个,量子计算机不会像经典计算机一样逐个检索,而是同时检索100万个答案。只要设定一下条件,计算机可以在一秒内找到这个比特信息。

  这就是在5月3日我国宣布研发成功的量子计算机的计算能力。因为我国科学家,实现了10对纠缠状态下的量子计算,10对——20个量子,在计算中就是20个量子比特。

  想要判断量子计算到底牛不牛,学术界有三个达成共识的指标性节点:计算能力超越早期经典计算机是第一步,再是超越我们使用的个人电脑,最后是超越超级计算机。

  量子力学理论从量子一词诞生,到今天有117年的历史。量子力学已让我们的生活翻天覆地。随着对于量子力学研究的深入,实用化的量子产品终将迎来井喷的一天。

  我们对于量子的无知,就像300多年前,人类对于光的无知一样。人类探索量子世界秘密的过程,智慧之花也在悄然绽放。

  也许,在未来的某一天,人类完全理解了量子的世界,才发现量子力学这门超现代科学本身,正是生命古老的事实。

  由伽利略和牛顿等人于17世纪创立的经典物理学,经过18世纪在各个基础部门的拓展,到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展,达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末,已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。

  经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿,构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

  人们也许终于可以相信,上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了,再没有遗漏的地方。

  物理学家们开始相信,这个世界所有的基本原理都已经被发现了,物理学已经尽善尽美,它走到了自己的极限和尽头,再也不可能有任何突破性的进展了。著名的科学家基尔霍夫说:“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

  19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上,英国著名物理学家汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。

  同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“在物理学的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩着。”

  这令人不安的乌云,一朵是以太漂移实验的否定结果,另一朵是黑体辐射的紫外灾难。

  从第一朵乌云中降生了相对论,紧接着从第二朵乌云中降生了量子论。经典物理学的大厦被彻底动摇。

  1897年,居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃尔·居里研究了放射性,并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。

  1897年,J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson)在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。

  就是这几朵乌云带来了一场震撼整个物理学界的革命风暴,导致了现代物理学的诞生。

  为解决黑体辐射问题,1900年12月14日,普朗克冲破经典物理机械论的束缚,提出了量子论,标志着人类对量子认识的开始。这一天也就成为了量子力学的诞辰。

  接着1905年,爱因斯坦受普朗克量子化的思想启发,引进光量子(光子)的概念,成功地解释了光电效应。1905年被称为科学史上的奇迹年,爱因斯坦在这一年发表了6篇论文,3月18日,发表了刚才提到的关于光电效应的文章,成为了量子论的奠基石之一,他也为此获得了诺贝尔奖。4月30日,发表了关于测量分子大小的论文,这位他赢得了博士学位。5月11和12月19日,两篇关于布朗运动的论文,成了分子论的里程碑。6月30日,发表题为《论运动物体的电动力学》的论文,这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称,叫做“狭义相对论”。9月27日,发表了关于物体惯性和能量的关系,这是狭义相对论的进一步说明,并且在其中提出了著名的质能方程E=MC^2。单单这一年的工作,便至少配得3个诺贝尔奖。

  1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。玻尔是个看上去沉默驽钝的人,可是重剑无锋,大巧不工,在他一生中几乎没有输过哪一场认真的辩论。可见波尔是个十分厉害的人,他于1922年获得诺贝尔奖,他的小儿子在1975年在量子力学领域获得诺贝尔奖,他的学生海森堡,泡利,狄拉克、朗道获得诺贝尔奖。

  在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波,这就是所谓的德布罗意波。德布罗意可以说是一个奇才,本来是个研究欧洲历史的,半路出家学了物理。德布罗意在他五年的研究生生涯几乎一无事成,他的博士论文也就一页多一点,他的导师朗之万拿着他的博士论文不知怎么办,就寄给了爱因斯坦,爱因斯坦拿着德布罗意的论文决定很有意思,于是德布罗意就顺利拿到了博士学位。

  薛定谔看到德布罗意的关于物质波的博士论文,从中受到启发。将电子的运动看作是波动的结果,其运动的方程应该是波动方程,方程决定着电子的波动属性。1926年薛定谔连续发表了4篇关于量子力学的论文,标志着波动力学的建立。然而薛定谔并不能指出波动方程的具体含义,而是由玻恩指出薛定谔的波函数是一种概率的振幅,它的模的平方对应于侧到的电子的概率的分布。二战是纳粹迫害犹太人,薛定谔向美国递交移民申请却没通过,作为一个诺贝尔奖得主却被美国拒之门外,大家一定感动很奇怪。这是因为薛定谔道德上有问题,他有不少情妇,还有好几个私生子。

  第一个提出完整的量子力学理论的,是德国物理学家海森堡。海森堡从粒子的角度出发,在玻恩和约尔当的帮助下,海森堡矩阵力学的相关理论。

  虽然海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学出发点不同,从不同的思想发展而来,但它们解决同一问题是得到的结果确实一样的。两种体系的等价性的。

  由于海森堡和薛定谔在量子力学建立开创性的工作,他们分别获得了1932年、1933年的诺贝尔物理学奖。

  1928年狄拉克提出相对量子力学,使量子力学和相对论结合起来。狄拉克是个沉默寡言,喜好孤独,淡泊名利的人。有一次狄拉克在某大学演讲,讲完后一个观众起来说:“狄拉克教授,我不明白你那个公式是如何推导出来的。”狄拉克看着他久久地不说话,主持人不得不提醒他,他还没有回答问题。“回答什么问题?”狄拉克奇怪地说,“他刚刚说的是一个陈述句,不是一个疑问句。”

  1927年,海森堡提出不确定性原理。量子力学到此可以说是基本的框架已经建立。

  在量子力学诞生之初著名的物理学家波尔兹曼就因为不能就是经典物理学的局限性,在1906年选择了自杀。1934年,荷兰物理学家埃伦菲斯特因感觉在量子力学里力不从心而结束了自己的生命。

  量子力学的创始人爱因斯坦,德布罗意,薛定谔因不能接受量子力学太多的概率成分和不确定因素,而站到了量子力学的对立面。于是形成了以爱因斯坦为首反对派和以波尔为首的拥护派两大阵营。他们开始了长久的论证。1935年,薛定谔提出了著名的薛定谔猫,爱因斯坦提出EPR佯谬。

本文由565.net亚洲必赢于2019-05-10日发布