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1、1第八章第八章 量子力學基礎量子力學基礎2 物理的書都充滿了復雜的數(shù)學公式?？晌锢淼臅汲錆M了復雜的數(shù)學公式?？墒撬枷爰袄砟?，而非公式，才是每一物理理是思想及理念，而非公式，才是每一物理理論的開端。論的開端。愛因斯坦愛因斯坦3引言引言光是什么？光是什么？自古以來光在人們心目中，光永遠代表著生命、自古以來光在人們心目中，光永遠代表著生命、活力和希望，更由此演繹出了數(shù)不盡的故事與傳說?；盍拖Ｍ?，更由此演繹出了數(shù)不盡的故事與傳說。讓光來吧！讓光來吧！創(chuàng)世紀創(chuàng)世紀自然及其規(guī)則隱藏在黑夜之中；自然及其規(guī)則隱藏在黑夜之中；上帝說：上帝說：“讓牛頓去吧讓牛頓去吧”于是，一切豁然開朗。于是，一切豁然開朗。蒲

2、柏為牛頓撰寫的墓志銘蒲柏為牛頓撰寫的墓志銘4 自古以來人們一直認為自古以來人們一直認為光是白色的，光速是無窮大光是白色的，光速是無窮大的。的。公元前公元前350350年，年，亞里士亞里士多德多德提出光速是無窮大的。提出光速是無窮大的?？墒强墒枪饩烤故且环N什么東西？光究竟是一種什么東西？公元前公元前384384前前322322 古希臘時代，人們傾古希臘時代，人們傾向于把光看成是一種非常向于把光看成是一種非常細小的粒子流，認為光是細小的粒子流，認為光是由一粒粒非常小的由一粒粒非常小的“光原光原子子”組成。這種理論人們組成。這種理論人們稱之為光的稱之為光的“微粒說微粒說”。5 微粒說從直觀上看來很有

3、道理，首先它可以很好微粒說從直觀上看來很有道理，首先它可以很好地解釋光為什么總是沿著直線前進，為什么會嚴格而地解釋光為什么總是沿著直線前進，為什么會嚴格而經(jīng)典地反射，甚至折射現(xiàn)象也可以由粒子流在不同介經(jīng)典地反射，甚至折射現(xiàn)象也可以由粒子流在不同介質(zhì)里的速度不同得到解釋。質(zhì)里的速度不同得到解釋。但粒子說也有一些顯而易見的困難：比如當時人但粒子說也有一些顯而易見的困難：比如當時人們很難說清為什么兩道光束相碰時不會彈開？這些細們很難說清為什么兩道光束相碰時不會彈開？這些細小的光粒子在點燈之前藏在何處？它們的數(shù)量是不是小的光粒子在點燈之前藏在何處？它們的數(shù)量是不是無限多？無限多？在黑暗的中世紀過去之后

4、，人們對自然界有了進在黑暗的中世紀過去之后，人們對自然界有了進一步的認識。波動現(xiàn)象被深入地了解和研究，聲音是一步的認識。波動現(xiàn)象被深入地了解和研究，聲音是一種波動的認識也進一步深入人心。十七世紀初，笛一種波動的認識也進一步深入人心。十七世紀初，笛卡爾率先提出，光可能是一種壓力，在媒質(zhì)里傳播?？柭氏忍岢觯饪赡苁且环N壓力，在媒質(zhì)里傳播。6 不久，意大利的一位數(shù)學教授不久，意大利的一位數(shù)學教授格里馬格里馬第做了一個實第做了一個實驗，他讓一束光穿過兩個小孔，照到暗室的屏幕上，發(fā)驗，他讓一束光穿過兩個小孔，照到暗室的屏幕上，發(fā)現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條紋的圖像。他聯(lián)想到水波現(xiàn)在投影的邊緣有一種明暗條

5、紋的圖像。他聯(lián)想到水波的衍射，提出光可能是一種類似水波的波動。這是最早的衍射，提出光可能是一種類似水波的波動。這是最早的光的光“波動說波動說”。波動說認為，光不是一種物質(zhì)粒子，而是由介質(zhì)的波動說認為，光不是一種物質(zhì)粒子，而是由介質(zhì)的振動而產(chǎn)生的一種波。但波動說有一個基本的難題：既振動而產(chǎn)生的一種波。但波動說有一個基本的難題：既然波本身是介質(zhì)的振動，那它必須在某種介質(zhì)中才能傳然波本身是介質(zhì)的振動，那它必須在某種介質(zhì)中才能傳播。比如聲音沿著空氣、水乃至固體前進，但在真空里播。比如聲音沿著空氣、水乃至固體前進，但在真空里無法傳播。無法傳播。波動說假設了一種看不見摸不著的介質(zhì)來實現(xiàn)光的波動說假設了一種

6、看不見摸不著的介質(zhì)來實現(xiàn)光的傳播，這種介質(zhì)有一個十分響亮的名字，叫做傳播，這種介質(zhì)有一個十分響亮的名字，叫做“以太以太”。7 光的波動說就是在這樣一種奇妙的氣氛中，登上光的波動說就是在這樣一種奇妙的氣氛中，登上了歷史舞臺。這個新生力量似乎與微粒說是前世冤家了歷史舞臺。這個新生力量似乎與微粒說是前世冤家，它們注定要展開一場長達數(shù)個世紀的戰(zhàn)爭。，它們注定要展開一場長達數(shù)個世紀的戰(zhàn)爭。1717世紀世紀中期，正是科學黎明將要到來之前那最后的黑暗，誰中期，正是科學黎明將要到來之前那最后的黑暗，誰也無法預見著兩朵小火花即將要引發(fā)一場熊熊大火。也無法預見著兩朵小火花即將要引發(fā)一場熊熊大火。兩支力量起初并沒有

7、什么大的沖突。導致第一次兩支力量起初并沒有什么大的沖突。導致第一次“波粒戰(zhàn)爭波粒戰(zhàn)爭”的導火索是波義爾在的導火索是波義爾在16631663年提出的一個年提出的一個理論：他認為我們看到的各種顏色，其實不是物體本理論：他認為我們看到的各種顏色，其實不是物體本身的屬性，而是光照上去才產(chǎn)生的結(jié)果。這本身不牽身的屬性，而是光照上去才產(chǎn)生的結(jié)果。這本身不牽涉到波粒問題，但卻引起了對顏色屬性的激烈爭論。涉到波粒問題，但卻引起了對顏色屬性的激烈爭論。8 波義爾的助手波義爾的助手胡克胡克重復重復了格里馬第的實驗，并仔細了格里馬第的實驗，并仔細觀察了光在肥皂泡里映射出觀察了光在肥皂泡里映射出的色彩及光通過云母片而

8、產(chǎn)的色彩及光通過云母片而產(chǎn)生的光輝。根據(jù)他的判斷，生的光輝。根據(jù)他的判斷，光是某種快速的脈沖。他在光是某種快速的脈沖。他在16651665年出版的年出版的顯微術顯微術中中明顯的支持波動說。明顯的支持波動說。顯顯微術微術是一本劃時代的偉大是一本劃時代的偉大著作，它很快為胡克贏得了著作，它很快為胡克贏得了世界性的學術聲譽。波動說世界性的學術聲譽。波動說由于他的加入，一時占了上由于他的加入，一時占了上風。風。羅伯特羅伯特胡克：胡克：1635-1703 9 但但1666年，年，牛頓牛頓用三棱用三棱鏡發(fā)現(xiàn)白光是由多種彩色光鏡發(fā)現(xiàn)白光是由多種彩色光組成的，并提出光是由類似組成的，并提出光是由類似“微粒微粒

9、”的東西所組成，的東西所組成，光的復合和分解是不同顏色光的復合和分解是不同顏色的微粒的混合與分開。的微粒的混合與分開。牛頓牛頓Sir Isaac Newton （16421727）10 胡克與牛頓之間展開了一場長達二十多年的戰(zhàn)爭，胡克與牛頓之間展開了一場長達二十多年的戰(zhàn)爭，直到直到1703年胡克逝世后年胡克逝世后 ，牛頓終于出版了他的輝煌巨，牛頓終于出版了他的輝煌巨著著光學光學。在之后的。在之后的100100年間微粒說始終占據(jù)了主導年間微粒說始終占據(jù)了主導地位。地位。1676年，丹麥天文學家年，丹麥天文學家羅默羅默發(fā)現(xiàn)光的速度為發(fā)現(xiàn)光的速度為298050 km/秒秒。（與現(xiàn)在的。（與現(xiàn)在的29

10、9792 km/秒秒 非常接近）非常接近）光是白色的，但它包含多種顏色；光是以有限速度光是白色的，但它包含多種顏色；光是以有限速度傳播的；光似乎是由粒子組成的。這些是人們在傳播的；光似乎是由粒子組成的。這些是人們在18世紀世紀初得到的共識，之后初得到的共識，之后200年間幾乎沒有多大發(fā)展。年間幾乎沒有多大發(fā)展。11 然而然而1867年英國科學家年英國科學家托托馬斯馬斯.楊楊出版了出版了自然哲學講自然哲學講義義一書，書中第一次描述了一書，書中第一次描述了他那個名揚四海的實驗：光的他那個名揚四海的實驗：光的雙縫干涉雙縫干涉當光穿過兩道平當光穿過兩道平行的狹縫時，會在后面的幕布行的狹縫時，會在后面的

11、幕布上形成一系列明暗交替的條紋上形成一系列明暗交替的條紋。這個實驗成為物理學史上最。這個實驗成為物理學史上最 楊的著作點燃了物理史上的楊的著作點燃了物理史上的“第二次波粒戰(zhàn)爭第二次波粒戰(zhàn)爭”。1821年法國科學家年法國科學家菲涅爾菲涅爾提出光的橫波理論，成功提出光的橫波理論，成功解釋了偏振現(xiàn)象。解釋了偏振現(xiàn)象。經(jīng)典的五個實驗之一。楊從波的疊加完美地解釋了波的經(jīng)典的五個實驗之一。楊從波的疊加完美地解釋了波的干涉和衍射現(xiàn)象。干涉和衍射現(xiàn)象。紅濾色片單縫雙縫S1SS2屏幕12 1856年、年、1861年和年和1865年偉大的年偉大的麥克斯韋麥克斯韋連連續(xù)發(fā)表了三篇關于電磁理續(xù)發(fā)表了三篇關于電磁理論的

12、論文，預言光實質(zhì)上論的論文，預言光實質(zhì)上是一種電磁波。是一種電磁波。1887年赫年赫茲在德國茲在德國Karlsruhe大學用大學用實驗證明了這一理論預言實驗證明了這一理論預言。一時間波動的光輝達到。一時間波動的光輝達到了頂點，而它所依賴的基了頂點，而它所依賴的基礎，就是麥克斯韋不朽的礎，就是麥克斯韋不朽的電磁理論。電磁理論。（1831-1879）13 物理學征服了世界。在物理學征服了世界。在19世紀末，它的力量控制著一世紀末，它的力量控制著一切人們所知的現(xiàn)象。經(jīng)典力學、經(jīng)典電動力學、經(jīng)典熱力切人們所知的現(xiàn)象。經(jīng)典力學、經(jīng)典電動力學、經(jīng)典熱力學加上統(tǒng)計力學形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地學加

13、上統(tǒng)計力學形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結(jié)合在一起，構筑起了一座華麗而雄偉的殿堂。這是一段結(jié)合在一起，構筑起了一座華麗而雄偉的殿堂。這是一段偉大而光榮的日子，是經(jīng)典物理的黃金時代。人們開始傾偉大而光榮的日子，是經(jīng)典物理的黃金時代。人們開始傾向于認為：物理學已經(jīng)終結(jié)，不會再有任何激動人心的發(fā)向于認為：物理學已經(jīng)終結(jié)，不會再有任何激動人心的發(fā)現(xiàn)了。有人甚至說，物理學的未來只能在小數(shù)點六位后面現(xiàn)了。有人甚至說，物理學的未來只能在小數(shù)點六位后面去尋找了。去尋找了。在在19世紀最后幾年，一連串意想不到的事情發(fā)生了：世紀最后幾年，一連串意想不到的事情發(fā)生了：1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線

14、；射線；1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾元素的放射現(xiàn)象；年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾元素的放射現(xiàn)象；1897年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了更多的放射元素：釷、釙年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了更多的放射元素：釷、釙 、鐳；、鐳；1897年，研究陰極射線時，發(fā)現(xiàn)了電子；年，研究陰極射線時，發(fā)現(xiàn)了電子；14 1900年年12月月14日德國物理學家日德國物理學家普普朗克朗克在德國物理學會上宣讀了他那篇在德國物理學會上宣讀了他那篇名留青史的論文名留青史的論文黑體光譜中的能量黑體光譜中的能量分布分布，他指出：，他指出：黑體被加熱時輻射黑體被加熱時輻射的能量是一份一份的的能量是一份一份的，為一最小能量為一最小能量 h 的整數(shù)倍的整數(shù)倍，他將這

15、一份份的東西，他將這一份份的東西稱為稱為“量子量子”。Ludwig Planck1858-1947這是量子物理的第一篇文章。其中這是量子物理的第一篇文章。其中 h 后來被稱為普后來被稱為普朗克常數(shù)，它竟是構成我們整個宇宙最為重要的朗克常數(shù)，它竟是構成我們整個宇宙最為重要的3個基本個基本物理常數(shù)之一（另兩個是引力常數(shù)物理常數(shù)之一（另兩個是引力常數(shù)g和光速和光速c）。）。15 1905年，年，愛因斯坦愛因斯坦閱讀了閱讀了普朗克的論文并研究了光電效普朗克的論文并研究了光電效應的實驗，他感到，對于光來應的實驗，他感到，對于光來說，量子化也是一種必然。他說，量子化也是一種必然。他提出了提出了“光量子光量

16、子”的概念，的概念，提出了提出了光的粒子性光的粒子性。并提出了。并提出了關于光速的關于光速的狹義相對論狹義相對論。Albert Einstein1879-195516 光電效應與電磁理論是矛盾的：電磁理論認為，光電效應與電磁理論是矛盾的：電磁理論認為，光作為一種波動，它的強度代表了它的能量，增強光光作為一種波動，它的強度代表了它的能量，增強光的強度應能打出更高能量的電子。但實驗表明，增加的強度應能打出更高能量的電子。但實驗表明，增加光的強度只能打出更多數(shù)量的電子，而不能增加電子光的強度只能打出更多數(shù)量的電子，而不能增加電子的能量。的能量。而用光量子的概念則非常容易解釋光電現(xiàn)象：頻而用光量子的概

17、念則非常容易解釋光電現(xiàn)象：頻率高的光線，它的單個量子要比頻率低的光線含有更率高的光線，它的單個量子要比頻率低的光線含有更高的能量高的能量(E=h)，因此當它的量子作用到金屬表面時，因此當它的量子作用到金屬表面時，就能夠激發(fā)出更高動能的電子來。而量子的能量和，就能夠激發(fā)出更高動能的電子來。而量子的能量和光線的強度沒有關系，強光只不過包含了更多數(shù)量的光線的強度沒有關系，強光只不過包含了更多數(shù)量的光量子而已，所以它只能夠激發(fā)出更多數(shù)量的電子。光量子而已，所以它只能夠激發(fā)出更多數(shù)量的電子。17 科學史上有兩個年份可稱為奇跡年，它們和兩個科學史上有兩個年份可稱為奇跡年，它們和兩個天才的名字緊緊相連。這兩

18、個年份分別是天才的名字緊緊相連。這兩個年份分別是1666年年和和1905年年，那兩個天才便是，那兩個天才便是牛頓牛頓和和愛因斯坦愛因斯坦。1666年年23歲的歲的牛頓牛頓為了躲避瘟疫，回到了鄉(xiāng)下的為了躲避瘟疫，回到了鄉(xiāng)下的老家度假。在那段日子里，他一個人獨立完成了幾項老家度假。在那段日子里，他一個人獨立完成了幾項開天辟地的工作：發(fā)明了開天辟地的工作：發(fā)明了微積分微積分，完成了，完成了光分解的實光分解的實驗驗分析、以及分析、以及萬有引力萬有引力的開創(chuàng)性思考。在那一年，他的開創(chuàng)性思考。在那一年，他為數(shù)學、力學和光學三大學科分別打下了基礎，而其為數(shù)學、力學和光學三大學科分別打下了基礎，而其中的任何一

19、項工作，都足以讓他名列有史以來最偉大中的任何一項工作，都足以讓他名列有史以來最偉大的科學家之列。很難想象，一個人的思維何以能夠在的科學家之列。很難想象，一個人的思維何以能夠在如此短的時間內(nèi)涌動如此多的靈感，人們只能用奇跡如此短的時間內(nèi)涌動如此多的靈感，人們只能用奇跡來表示這一年，稱之為奇跡年。來表示這一年，稱之為奇跡年。18 1905年年26歲的歲的愛因斯坦愛因斯坦也是如此。在專利局里蝸居也是如此。在專利局里蝸居的他在這一年寫出了的他在這一年寫出了6篇論文：篇論文：3月月18日是關于日是關于光電效應光電效應的文章，這成為了量子論的文章，這成為了量子論的奠基石之一；的奠基石之一；4月月30日，關

20、于日，關于測量分子大小測量分子大小的論文，的論文，這為他贏得了博士學位；這為他贏得了博士學位；5月月11日和后來的日和后來的12月月19日，日，兩篇關于兩篇關于布朗運動布朗運動的論文，成了分子論的里程碑；的論文，成了分子論的里程碑；6月月30日題為日題為論運動物體的電動力學論運動物體的電動力學的論文，后被加上的論文，后被加上了一個如雷貫耳的名稱了一個如雷貫耳的名稱狹義相對論狹義相對論；9月月27日，關日，關于于物體慣性和能量物體慣性和能量的關系，這是狹義相對論的進一步說的關系，這是狹義相對論的進一步說明，并且在其中提出了著名的質(zhì)能方程明，并且在其中提出了著名的質(zhì)能方程E=mc2。很難想象這一切

21、都是在專利局的辦公室里，一個人很難想象這一切都是在專利局的辦公室里，一個人用紙和筆完成的，這只能用奇跡來描述。用紙和筆完成的，這只能用奇跡來描述。為了紀念為了紀念1905年的光輝，人們把年的光輝，人們把100年后的年后的2005年年定為定為“國際物理年國際物理年”。19 光量子的假說引發(fā)了光量子的假說引發(fā)了“第三次波粒戰(zhàn)爭第三次波粒戰(zhàn)爭”，卷土重，卷土重來的微粒軍團裝備了最先進的武器：光電效應和康普頓來的微粒軍團裝備了最先進的武器：光電效應和康普頓效應，令波動軍團節(jié)節(jié)敗退。效應，令波動軍團節(jié)節(jié)敗退。雖然在光電問題上波動論無能為力，但波動之父雖然在光電問題上波動論無能為力，但波動之父托托馬斯馬斯

22、楊楊的精神在他身后百年之后仍然光耀著波動的戰(zhàn)的精神在他身后百年之后仍然光耀著波動的戰(zhàn)旗。在每一間中學物理實驗室中，明暗相間的干涉條紋旗。在每一間中學物理實驗室中，明暗相間的干涉條紋不容置疑地向人們表明它的波動性。麥克斯韋芳華絕代不容置疑地向人們表明它的波動性。麥克斯韋芳華絕代的方程組仍然每天給出預言，而電磁波也仍然按照那優(yōu)的方程組仍然每天給出預言，而電磁波也仍然按照那優(yōu)美的預言以美的預言以30萬公里每秒的速度行動，既沒有快一點，萬公里每秒的速度行動，既沒有快一點，也沒有慢一點。也沒有慢一點。波粒之爭陷入了僵局。波粒之爭陷入了僵局。光到底是什么？光到底是什么？20 1910年，年，盧瑟福盧瑟福和

23、他和他的學生們進行了一次名留的學生們進行了一次名留青史的實驗：用青史的實驗：用 粒子轟粒子轟擊金箔，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了擊金箔，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了原子原子核核，進而提出了被稱為，進而提出了被稱為“行星系統(tǒng)行星系統(tǒng)”的原子核模型的原子核模型。但該模型卻不能用麥克。但該模型卻不能用麥克斯韋電磁理論來解釋，因斯韋電磁理論來解釋，因按電磁理論，這樣的體系按電磁理論，這樣的體系會不可避免地釋放出輻射會不可避免地釋放出輻射能量，最終導致體系的崩能量，最終導致體系的崩潰。潰。Ernest Rutherford 1871193721 1912年年玻爾玻爾以極大的勇以極大的勇氣選擇放棄偉大的電磁理論氣選擇放棄偉大的電磁理論，他預

24、言，在原子這樣小的，他預言，在原子這樣小的層次上，經(jīng)典理論將不再成層次上，經(jīng)典理論將不再成立，新的革命性思想必須被立，新的革命性思想必須被引入，這就是普朗克的量子引入，這就是普朗克的量子以及他的以及他的h 常數(shù)。常數(shù)。玻爾研究了當時發(fā)現(xiàn)的玻爾研究了當時發(fā)現(xiàn)的許多元素的光譜線，提出了許多元素的光譜線，提出了一個大膽的假設：電子在圍一個大膽的假設：電子在圍繞原子核運動時，只能處于繞原子核運動時，只能處于一些特定的能量狀態(tài)一些特定的能量狀態(tài)(軌道軌道)，而這些能量狀態(tài)是不連續(xù)的而這些能量狀態(tài)是不連續(xù)的，因此電子在這些軌道之間，因此電子在這些軌道之間躍遷時，只能釋放出符合一躍遷時，只能釋放出符合一定規(guī)

25、律的能量來。定規(guī)律的能量來。Niels Bohr，1885-196222 玻爾的模型異常精確地說明了氦離子的光譜，并預玻爾的模型異常精確地說明了氦離子的光譜，并預測了一些新的譜線，這些譜線都很快為實驗所證明。波測了一些新的譜線，這些譜線都很快為實驗所證明。波爾為此獲得爾為此獲得1922年的諾貝爾獎。年的諾貝爾獎。誰也沒想到，如此偉大的一個理論，就像一顆耀眼誰也沒想到，如此偉大的一個理論，就像一顆耀眼的火流星，轉(zhuǎn)瞬即逝。對于解釋具有兩個核外電子的普的火流星，轉(zhuǎn)瞬即逝。對于解釋具有兩個核外電子的普通氦原子，以及氫分子的光譜，波爾的理論則無能為力通氦原子，以及氫分子的光譜，波爾的理論則無能為力，它只

26、興盛了，它只興盛了13年。但它讓人們看到了量子在物理世界年。但它讓人們看到了量子在物理世界里的偉大意義，并第一次利用它的力量去揭開原子內(nèi)部里的偉大意義，并第一次利用它的力量去揭開原子內(nèi)部的神秘面紗。它的偉大意義卻不因為其短暫的生命而有的神秘面紗。它的偉大意義卻不因為其短暫的生命而有任何的退色。它挖掘出了量子的力量，為未來的開拓者任何的退色。它挖掘出了量子的力量，為未來的開拓者鋪平了道路。鋪平了道路。當玻爾的原子還在泥潭中深陷無法自拔時，新的革當玻爾的原子還在泥潭中深陷無法自拔時，新的革命已在醞釀之中。這一次革命者來自法國的貴族德布羅命已在醞釀之中。這一次革命者來自法國的貴族德布羅意王子。意王子

27、。23 1924年年德布羅意德布羅意提提出了一個計算電子等出了一個計算電子等微微粒波長粒波長的公式：的公式：E=h ,p=h/E，p 體現(xiàn)了電子的體現(xiàn)了電子的粒性，粒性，體現(xiàn)了電子體現(xiàn)了電子的波性。的波性。Louis de Broglie,1892198724 德布羅意在他的博士論文中提出電子是一種相德布羅意在他的博士論文中提出電子是一種相波，后來人們把它稱為德布羅意波。當時人們認為波，后來人們把它稱為德布羅意波。當時人們認為，這只是一個方便的理論假設，而非物理事實。但，這只是一個方便的理論假設，而非物理事實。但愛因斯坦在點評該論文時，卻馬上給予高度評價，愛因斯坦在點評該論文時，卻馬上給予高度

28、評價，稱德布羅意稱德布羅意“揭開了大幕的一角揭開了大幕的一角”。整個物理學界。整個物理學界大吃一驚，才開始關注德布羅意的工作。大吃一驚，才開始關注德布羅意的工作。德布羅意的公式德布羅意的公式1927年得到了證實。年得到了證實。德布羅意德布羅意因成功描述量子波動力學而獲得因成功描述量子波動力學而獲得1929年的諾貝爾物年的諾貝爾物理學獎。德布羅意是有史以來第一個僅借博士論文理學獎。德布羅意是有史以來第一個僅借博士論文就直接獲得諾貝爾獎的人，他的博士學位是頒發(fā)過就直接獲得諾貝爾獎的人，他的博士學位是頒發(fā)過的含金量最高的學位。的含金量最高的學位。25 1924年年23歲的德國物理學歲的德國物理學家家

29、海森堡海森堡博士受玻爾的邀請到博士受玻爾的邀請到哥本哈根玻爾的研究所工作了哥本哈根玻爾的研究所工作了一年，感受到了哥本哈根的一年，感受到了哥本哈根的“量子氣氛量子氣氛”?；氐礁缤⒏蠛?。回到哥廷根后海森堡重新研究氫原子的譜線問森堡重新研究氫原子的譜線問題。他先采取虛振子的方法，題。他先采取虛振子的方法，但所遇到的數(shù)學困難幾乎是不但所遇到的數(shù)學困難幾乎是不可克服的。他決定換一種方法可克服的。他決定換一種方法，從電子在原子中的運動出發(fā)，從電子在原子中的運動出發(fā)，先建立基本的運動模型。事，先建立基本的運動模型。事實證明他的路走對了，新的量實證明他的路走對了，新的量子力學就要被建立起來，但那子力學就要

30、被建立起來，但那卻是人們之前連想都不敢想的卻是人們之前連想都不敢想的形式形式矩陣。矩陣。Werner Karl Heisenberg 1901-197626 1925年海森堡到英國劍年海森堡到英國劍橋講學，他對自己的發(fā)現(xiàn)心橋講學，他對自己的發(fā)現(xiàn)心中還沒有底。但劍橋年青的中還沒有底。但劍橋年青的學者學者狄拉克狄拉克很快把握住了海很快把握住了海森堡體系的精髓森堡體系的精髓奇怪的奇怪的矩陣乘法規(guī)則：矩陣乘法規(guī)則：p q q p。狄拉克狄拉克用更簡潔的方法得到用更簡潔的方法得到這一結(jié)論。這一結(jié)論。Paul Adrien Maurice Dirac，19021984 狄拉克創(chuàng)立了量子電動力學，建立狄拉克

31、創(chuàng)立了量子電動力學，建立“狄拉克方程狄拉克方程”，預言存在正電子，預言存在正電子，還預言存在反粒子，提出存在反物質(zhì)。還預言存在反粒子，提出存在反物質(zhì)。狄拉克于狄拉克于1928年建立狄拉克方程。這個貌似簡單的方程式被認為是驚天年建立狄拉克方程。這個貌似簡單的方程式被認為是驚天動地的成就，是劃時代的里程碑：它對原子結(jié)構及分子結(jié)構都給予了新的層動地的成就，是劃時代的里程碑：它對原子結(jié)構及分子結(jié)構都給予了新的層面和新的極準確的了解。沒有這個方程，就沒有今天的原子、分子物理學與面和新的極準確的了解。沒有這個方程，就沒有今天的原子、分子物理學與化學。沒有狄拉克引進的觀念就不會有今天醫(yī)院里通用的核磁共振成像

32、化學。沒有狄拉克引進的觀念就不會有今天醫(yī)院里通用的核磁共振成像（MRI）技術，不過，這項技術實際上只是狄拉克方程的一項很小的應用。）技術，不過，這項技術實際上只是狄拉克方程的一項很小的應用。27 1927年年海森堡海森堡從從p q q p出發(fā)出發(fā)提出測不準原理：提出測不準原理：不不可能同時知道亞原子可能同時知道亞原子(電子電子)的位置或速度。的位置或速度。p q q p暗示了先觀測動量暗示了先觀測動量p，再觀測位置，再觀測位置q，與先，與先觀測位置觀測位置q，再觀測動量，再觀測動量p的結(jié)果是不一樣的。的結(jié)果是不一樣的。我們測量物體的位置必須看到它：得有某個光子從我們測量物體的位置必須看到它：得

33、有某個光子從光源出發(fā)，撞到物體身上，然后反彈到你的眼睛中。但光源出發(fā)，撞到物體身上，然后反彈到你的眼睛中。但對于像電子這樣小的物體，我們派光子去執(zhí)行這一任務對于像電子這樣小的物體，我們派光子去執(zhí)行這一任務，光子回來報告說：我接觸到了這個電子，但它被我狠，光子回來報告說：我接觸到了這個電子，但它被我狠狠撞了一下后，不知飛到什么地方去了。為了測量電子狠撞了一下后，不知飛到什么地方去了。為了測量電子的位置，我們劇烈地改變了它的速度，也就是動量。所的位置，我們劇烈地改變了它的速度，也就是動量。所以我們不可能同時既準確地知道一個電子的位置，同時以我們不可能同時既準確地知道一個電子的位置，同時又準確地知道

34、它的動量。又準確地知道它的動量。28 海森堡導出了一個公式：海森堡導出了一個公式：p q h/4 如果如果p測量非常準確，即測量非常準確，即 p很小，那么相應地很小，那么相應地 q 會會變得非常大。變得非常大。海森堡海森堡1932年因測不準原理獲諾貝爾獎。年因測不準原理獲諾貝爾獎。1925在年海森堡發(fā)展了第一套完整的量子力學理論年海森堡發(fā)展了第一套完整的量子力學理論后的幾個月后，奧地利人后的幾個月后，奧地利人薛定諤薛定諤提出了另一種運用數(shù)學提出了另一種運用數(shù)學更少的方案更少的方案波動方程波動方程。之后他很快證明了他的理論。之后他很快證明了他的理論等同于海森堡的理論。等同于海森堡的理論。薛定諤薛

35、定諤的波動方程讓幾乎全世界的物理學家都松的波動方程讓幾乎全世界的物理學家都松了一口氣，他們終于解脫了，不必再費勁地學習海森了一口氣，他們終于解脫了，不必再費勁地學習海森堡那異常復雜和繁難的矩陣力學了。堡那異常復雜和繁難的矩陣力學了。29EH 薛定諤的思路是：從經(jīng)典的哈密頓方程出發(fā)，構薛定諤的思路是：從經(jīng)典的哈密頓方程出發(fā)，構造一個體系的新函數(shù)造一個體系的新函數(shù) 代入，然后再引用德布羅意關代入，然后再引用德布羅意關系式和變分法，求出方程的解。這種思路與大家印象中系式和變分法，求出方程的解。這種思路與大家印象中的物理學是迥然不同的。的物理學是迥然不同的。與時間無關的薛定諤方程，即與時間無關的薛定諤

36、方程，即定態(tài)薛定諤方程：定態(tài)薛定諤方程：由此式可解出一系列不連續(xù)的由此式可解出一系列不連續(xù)的E，以及波函數(shù)，以及波函數(shù)。例如：氫原子和類氫離子解得波函數(shù)為：例如：氫原子和類氫離子解得波函數(shù)為：),()(),(YrRr RnJ(r)見物理化學表見物理化學表(8.5.1)Yjm(,)見物理化學表見物理化學表(8.4.1)30zx,0,section cross s1zxz,0,section cross p2氫原子軌道的圖形：氫原子軌道的圖形：31 新的問題出現(xiàn)在大家面前：新的問題出現(xiàn)在大家面前：這些波是什么？這些波是什么？由于由于2 具有概率的意義，因此具有概率的意義，因此德國物理學家德國物理學

37、家波恩波恩提出了一種解釋：粒子的波是對粒子表現(xiàn)出來的某一性提出了一種解釋：粒子的波是對粒子表現(xiàn)出來的某一性質(zhì)的可能性的描述。比如質(zhì)的可能性的描述。比如粒子在某一刻出現(xiàn)在某一位置粒子在某一刻出現(xiàn)在某一位置的的可能性可能性。以往的物理學不僅能夠解釋過去，還能預言未來。這以往的物理學不僅能夠解釋過去，還能預言未來。這已成為物理學家心中深深的信仰?？墒乾F(xiàn)在物理卻不能已成為物理學家心中深深的信仰?？墒乾F(xiàn)在物理卻不能預測電子的行為，無法確定單個電子究竟會出現(xiàn)在什么預測電子的行為，無法確定單個電子究竟會出現(xiàn)在什么地方，而只能找出電子出現(xiàn)的概率。地方，而只能找出電子出現(xiàn)的概率。32 愛因斯坦愛因斯坦在在192

38、6年寫信給玻爾：年寫信給玻爾：“我絕不會相我絕不會相信上帝在擲骰子信上帝在擲骰子”為了解釋光子、電子等的波性和粒性的矛盾，為了解釋光子、電子等的波性和粒性的矛盾，玻玻爾爾1927年提出了一種連接量子物理和其它物理的途年提出了一種連接量子物理和其它物理的途徑，這就是著名的徑，這就是著名的哥本哈根解釋哥本哈根解釋：粒子具有波的性：粒子具有波的性質(zhì)，直到對粒子進行觀測為止。質(zhì)，直到對粒子進行觀測為止。觀測行為本身將使觀測行為本身將使波函數(shù)塌縮，實現(xiàn)本來具有多種可能性中的一種。波函數(shù)塌縮，實現(xiàn)本來具有多種可能性中的一種。33 薛定諤薛定諤不同意玻爾的觀點，他在不同意玻爾的觀點，他在1934年設計了一年

39、設計了一個思想實驗，試圖揭示哥本哈根解釋的荒謬。個思想實驗，試圖揭示哥本哈根解釋的荒謬。設想有一個箱子，里面有一只設想有一個箱子，里面有一只活貓活貓。一個裝有。一個裝有鐳鐳的的容器及一個裝有容器及一個裝有氰化物氰化物的小瓶也被放在箱子中。鐳原子的小瓶也被放在箱子中。鐳原子會發(fā)生衰變。在這個裝有活貓的箱子中，當鐳原子發(fā)生會發(fā)生衰變。在這個裝有活貓的箱子中，當鐳原子發(fā)生衰變放出一個中子，就會打碎小瓶，使氰化物從小瓶中衰變放出一個中子，就會打碎小瓶，使氰化物從小瓶中釋放出來，從而殺死貓；如果鐳不發(fā)生衰變，小瓶也不釋放出來，從而殺死貓；如果鐳不發(fā)生衰變，小瓶也不會被打碎，貓會活下去。會被打碎，貓會活下

40、去。按照哥本哈根解釋，在打開箱子看貓死活之前，貓按照哥本哈根解釋，在打開箱子看貓死活之前，貓既是死的，也是活的，因為兩種可能性都存在，即貓?zhí)幖仁撬赖?，也是活的，因為兩種可能性都存在，即貓?zhí)幵谝环N在一種死死/活疊加活疊加的狀態(tài)。的狀態(tài)。直到今天，直到今天，“薛定諤貓薛定諤貓”仍在深深困擾著哥本哈根的支持者。仍在深深困擾著哥本哈根的支持者。34 從量子論從量子論1925年創(chuàng)立以后，一直有許多優(yōu)秀的科年創(chuàng)立以后，一直有許多優(yōu)秀的科學家試圖解釋它，哥本哈根解釋后，又出現(xiàn)了多宇宙、學家試圖解釋它，哥本哈根解釋后，又出現(xiàn)了多宇宙、隱變量、退相干、自發(fā)定域等解釋。隱變量、退相干、自發(fā)定域等解釋。1997年，

41、在馬里蘭大學召開了一次關于量子力學的年，在馬里蘭大學召開了一次關于量子力學的研討會。有人做了一次問卷調(diào)查，統(tǒng)計與會者究竟相信研討會。有人做了一次問卷調(diào)查，統(tǒng)計與會者究竟相信哪一種關于量子論的解釋，結(jié)果相信哥本哈根解釋的哪一種關于量子論的解釋，結(jié)果相信哥本哈根解釋的13票，多宇宙票，多宇宙8票，隱變量票，隱變量4票，退相干票，退相干4票，自發(fā)定域票，自發(fā)定域1票，票，還有還有18票說沒想好，或相信上述之外的某種解釋。票說沒想好，或相信上述之外的某種解釋。直到今天，物理學家仍然對量子力學中的一些問題直到今天，物理學家仍然對量子力學中的一些問題感到困惑。感到困惑。諾貝爾物理獎獲得者、量子物理的奠基人

42、諾貝爾物理獎獲得者、量子物理的奠基人玻爾玻爾有一有一句名言：句名言：誰不常對量子物理感到困惑，他就不懂它。誰不常對量子物理感到困惑，他就不懂它。35 到到1999年，在劍橋牛頓研究所舉行的一次量子計算會年，在劍橋牛頓研究所舉行的一次量子計算會議上，又做了類似調(diào)查，結(jié)果哥本哈根議上，又做了類似調(diào)查，結(jié)果哥本哈根4票，修訂過的動票，修訂過的動力學理論（對薛定諤方程進行修正）力學理論（對薛定諤方程進行修正）4票，隱變量票，隱變量2票，多票，多世界和多歷史加起來（它們都屬于認為世界和多歷史加起來（它們都屬于認為“沒有坍縮存在沒有坍縮存在”的理論）得到了令人驚奇的的理論）得到了令人驚奇的30多票。更令人

43、驚奇的是，竟多票。更令人驚奇的是，竟有有50多票承認自己尚無法做出抉擇。多票承認自己尚無法做出抉擇。量子力學作為量子力學作為20世紀物理史上最重要的成就之一，到世紀物理史上最重要的成就之一，到今天為止，它的基本數(shù)學形式已經(jīng)被創(chuàng)立了今天為止，它的基本數(shù)學形式已經(jīng)被創(chuàng)立了80年之多，但年之多，但仍然沒有被最后完成。人們?nèi)栽跒槿绾谓忉屗鼱幊巢恍?，仍然沒有被最后完成。人們?nèi)栽跒槿绾谓忉屗鼱幊巢恍?，這在物理史上是前所未有的。這在物理史上是前所未有的。但這并不妨礙量子力學所取得的巨大成功。從它被創(chuàng)但這并不妨礙量子力學所取得的巨大成功。從它被創(chuàng)立以來它就挾著雷霆萬鈞之力，把每個角落都塑造的煥然立以來它就挾著

44、雷霆萬鈞之力，把每個角落都塑造的煥然一新。量子論的出現(xiàn)徹底改變了世界的面貌，它比史上任一新。量子論的出現(xiàn)徹底改變了世界的面貌，它比史上任何一種理論都引發(fā)了更多的技術革命。核能、計算機技術、何一種理論都引發(fā)了更多的技術革命。核能、計算機技術、新材料、能源技術、信息技術新材料、能源技術、信息技術這些都在根本上和量子這些都在根本上和量子論密切相關。論密切相關。36 量子論深入固體物理之中，使我們對固體機械和熱量子論深入固體物理之中，使我們對固體機械和熱性質(zhì)的認識產(chǎn)生了翻天覆地的變化，更打開了通向凝聚性質(zhì)的認識產(chǎn)生了翻天覆地的變化，更打開了通向凝聚態(tài)物理的大門。在它的指引下，我們才真正認識了電流態(tài)物理

45、的大門。在它的指引下，我們才真正認識了電流的傳導，最終走向微電子學的創(chuàng)立。在分子物理領域，的傳導，最終走向微電子學的創(chuàng)立。在分子物理領域，它成功地解釋了化學鍵和軌道雜化，從而開創(chuàng)了量子化它成功地解釋了化學鍵和軌道雜化，從而開創(chuàng)了量子化學學科。如今我們關于化學的幾乎一切知識，都建立在學學科。如今我們關于化學的幾乎一切知識，都建立在這個基礎之上。在量子論的指引下，我們認識了超導和這個基礎之上。在量子論的指引下，我們認識了超導和超流，我們掌握了激光技術，我們創(chuàng)造出了晶體管和集超流，我們掌握了激光技術，我們創(chuàng)造出了晶體管和集成電路，為整個新時代的來臨真正做好了準備。成電路，為整個新時代的來臨真正做好了

46、準備。量子論讓我們得以一探原子內(nèi)部最為精細的奧秘，量子論讓我們得以一探原子內(nèi)部最為精細的奧秘，我們不但更加深刻地理解了電子和原子核之間的相互作我們不但更加深刻地理解了電子和原子核之間的相互作用和關系，還進一步拆開原子核，領略到了大自然那更用和關系，還進一步拆開原子核，領略到了大自然那更為令人驚嘆的神奇。最后可能我們對宇宙終極命運的理為令人驚嘆的神奇。最后可能我們對宇宙終極命運的理解也離不開量子論。解也離不開量子論。37 如果要評選如果要評選20世紀最為深刻地影響了人類社會的事世紀最為深刻地影響了人類社會的事件，那么可以毫不夸張地說，它既不是兩次世界大戰(zhàn)，件，那么可以毫不夸張地說，它既不是兩次世

47、界大戰(zhàn)，也不是聯(lián)合國的成立，或者人類探索太空也不是聯(lián)合國的成立，或者人類探索太空，而是量，而是量子力學及其相關理論的創(chuàng)立和發(fā)展。子力學及其相關理論的創(chuàng)立和發(fā)展。但量子論的道路仍未走到盡頭，命運注定它仍要繼但量子論的道路仍未走到盡頭，命運注定它仍要繼續(xù)影響物理學的將來。續(xù)影響物理學的將來。量子論的基本形式只是一個大的框架，它描述了單量子論的基本形式只是一個大的框架，它描述了單個粒子如何運動。但要描述在高能情況下，多粒子間的個粒子如何運動。但要描述在高能情況下，多粒子間的相互作用時，我們就必須要涉及場的作用。這一工作由相互作用時，我們就必須要涉及場的作用。這一工作由狄拉克開始，經(jīng)由約爾當、海森堡、

48、泡利等的發(fā)展，很狄拉克開始，經(jīng)由約爾當、海森堡、泡利等的發(fā)展，很快人們認識到：原來所有粒子都是彌漫在空間中的某種快人們認識到：原來所有粒子都是彌漫在空間中的某種場，這些場有著不同的能量形式。當能量最低時，就是場，這些場有著不同的能量形式。當能量最低時，就是通常所說的通常所說的“真空真空”。38 真空其實是粒子的一種不同形態(tài)（基態(tài)）而已，任真空其實是粒子的一種不同形態(tài)（基態(tài)）而已，任何粒子都可以從中被創(chuàng)造出來，也可以互相湮滅。狄拉何粒子都可以從中被創(chuàng)造出來，也可以互相湮滅。狄拉克方程更預言了克方程更預言了“反物質(zhì)反物質(zhì)”的存在。的存在。1932年加州理工的年加州理工的安德森發(fā)現(xiàn)了最早的安德森發(fā)現(xiàn)

49、了最早的“反電子反電子”。它的意義如此重要，。它的意義如此重要，以至于僅過了以至于僅過了4年就獲得了諾貝爾獎。年就獲得了諾貝爾獎。今年今年9月月25日美國能源部費米國家加速器實驗室國日美國能源部費米國家加速器實驗室國際費米碰撞探測器合作組（共有際費米碰撞探測器合作組（共有13個參與國的個參與國的700名科名科學家工作在學家工作在61家研究機構中）的科學家宣布，測量到物家研究機構中）的科學家宣布，測量到物質(zhì)與反物質(zhì)以每秒質(zhì)與反物質(zhì)以每秒3萬億次的速率進行相互轉(zhuǎn)變。萬億次的速率進行相互轉(zhuǎn)變。39在我們的宇宙中總共有在我們的宇宙中總共有4種相互作用力：種相互作用力：引力、電磁引力、電磁力、強相互作用

50、力和弱相互作用力。力、強相互作用力和弱相互作用力。它們各自為政，互它們各自為政，互不干涉，遵守著不同的理論規(guī)則。人們總是希望能夠把不干涉，遵守著不同的理論規(guī)則。人們總是希望能夠把他們統(tǒng)一起來，這也是愛因斯坦晚年的夢想。他們統(tǒng)一起來，這也是愛因斯坦晚年的夢想。量子電動力學發(fā)現(xiàn)：量子電動力學發(fā)現(xiàn)：電磁力電磁力的本質(zhì)是兩個粒子間不的本質(zhì)是兩個粒子間不停地在停地在交換光子交換光子。斥力就像兩個人互相扔皮球，兩人會。斥力就像兩個人互相扔皮球，兩人會越來越遠；吸引力就像兩人背靠背，各自往墻上扔皮球，越來越遠；吸引力就像兩人背靠背，各自往墻上扔皮球，兩人會越靠越近。兩人會越靠越近。之后，日本物理學家湯川秀樹

51、預言，強相互作用力之后，日本物理學家湯川秀樹預言，強相互作用力和弱相互作用力也必定是類似的機制。只不過在強相互和弱相互作用力也必定是類似的機制。只不過在強相互作用中，交換的是作用中，交換的是“介子介子”，而在弱相互作用力中交換，而在弱相互作用力中交換的是的是“中間玻色子中間玻色子”。這些預言不久相繼得到證實。這些預言不久相繼得到證實。40 人們開始懷疑這人們開始懷疑這3種力其實本質(zhì)上是一個東西。種力其實本質(zhì)上是一個東西。20世紀世紀60年代，美國人格拉肖、溫伯格、和巴基斯坦人薩年代，美國人格拉肖、溫伯格、和巴基斯坦人薩拉姆成功地從理論上證明了弱作用力和電磁力的一致性，拉姆成功地從理論上證明了弱

52、作用力和電磁力的一致性，他們的成果被稱為他們的成果被稱為“弱電統(tǒng)一理論弱電統(tǒng)一理論”。3人為此獲得人為此獲得1979年的諾貝爾獎。年的諾貝爾獎。強相互作用中能夠感受強力的是原子核中的質(zhì)子、強相互作用中能夠感受強力的是原子核中的質(zhì)子、中子等，因此把它們也稱為中子等，因此把它們也稱為“強子強子”。1964年，蓋爾曼年，蓋爾曼提出：每一個強子都可以進一步被分割稱為提出：每一個強子都可以進一步被分割稱為“夸克夸克”的的東西，它們通過交換東西，它們通過交換“膠子膠子”來維持相互作用力。每種來維持相互作用力。每種夸克都有不同的夸克都有不同的“顏色顏色”，所以該理論取名為，所以該理論取名為“量子色量子色動力

53、學動力學”。41 人們將電磁力、強、弱相互人們將電磁力、強、弱相互作用力包含到一個框架中，提出作用力包含到一個框架中，提出了了“大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論”。不過到目前。不過到目前為止大統(tǒng)一理論預言的一些現(xiàn)象為止大統(tǒng)一理論預言的一些現(xiàn)象還沒有被證實。但無論如何，大還沒有被證實。但無論如何，大統(tǒng)一理論都是非常有前途的理論，統(tǒng)一理論都是非常有前途的理論，很多人相信，它的勝利是遲早的很多人相信，它的勝利是遲早的事情。事情。物理學發(fā)展到現(xiàn)在，只剩下最后一個分歧，但也可物理學發(fā)展到現(xiàn)在，只剩下最后一個分歧，但也可能是最難調(diào)和統(tǒng)一的分歧：廣義相對論與量子場論的矛能是最難調(diào)和統(tǒng)一的分歧：廣義相對論與量子場論的矛盾

54、。愛因斯坦晚年的戰(zhàn)略思想是從廣義相對論出發(fā)去攻盾。愛因斯坦晚年的戰(zhàn)略思想是從廣義相對論出發(fā)去攻打電磁力，這樣的進攻被證明是極為艱難而傷亡慘重的：打電磁力，這樣的進攻被證明是極為艱難而傷亡慘重的：不僅邊界上崇山峻嶺，有著無法克服的數(shù)學困難，而且不僅邊界上崇山峻嶺，有著無法克服的數(shù)學困難，而且對方居高臨下，地形易守難攻。對方居高臨下，地形易守難攻。電磁力電磁力強相互作用力強相互作用力弱相互作用力弱相互作用力引力引力廣義相對論廣義相對論量子論量子論42 雖然愛因斯坦執(zhí)著不懈地一再努力，但整整雖然愛因斯坦執(zhí)著不懈地一再努力，但整整30年，年，直到他去世，仍沒有獲得任何進展。今天看來，這個失直到他去世，

55、仍沒有獲得任何進展。今天看來，這個失敗不可避免，愛因斯坦的舊式軍隊不可能跨越廣義相對敗不可避免，愛因斯坦的舊式軍隊不可能跨越廣義相對論和量子論之間的深深的不可逾越鴻溝。論和量子論之間的深深的不可逾越鴻溝。但量子力學正在迅猛發(fā)展起來，它的力量超出了人但量子力學正在迅猛發(fā)展起來，它的力量超出了人們所能想象的極限。這一次以量子論為主導，是否能完們所能想象的極限。這一次以量子論為主導，是否能完成統(tǒng)一大業(yè)呢？成統(tǒng)一大業(yè)呢？近年來產(chǎn)生了不少量子引力的理論，其中聲名遠揚，近年來產(chǎn)生了不少量子引力的理論，其中聲名遠揚，時髦無比的為時髦無比的為“超弦理論超弦理論”。在相對論里，引力被描述為由于時空彎曲而造成的在

56、相對論里，引力被描述為由于時空彎曲而造成的幾何效應，而量子場論則把基本的力看成是交換粒子的幾何效應，而量子場論則把基本的力看成是交換粒子的作用。因此人們設想引力可能也是交換某種粒子的結(jié)果，作用。因此人們設想引力可能也是交換某種粒子的結(jié)果，人們在沒見到它前，已先為它起好了名字人們在沒見到它前，已先為它起好了名字“引力子引力子”。根據(jù)預測，它應該是一種自旋為根據(jù)預測，它應該是一種自旋為2，沒有質(zhì)量的玻色子。，沒有質(zhì)量的玻色子。43 但人們很快發(fā)現(xiàn)，不能把所謂引力子和光子等等同但人們很快發(fā)現(xiàn)，不能把所謂引力子和光子等等同處理。處理。新希望出現(xiàn)在新希望出現(xiàn)在1968年。意大利物理學家年。意大利物理學家

57、維尼基亞諾維尼基亞諾偶然發(fā)現(xiàn)，歐拉早于偶然發(fā)現(xiàn)，歐拉早于1771年出于純數(shù)學原因研究過的叫年出于純數(shù)學原因研究過的叫做做“歐拉歐拉 函數(shù)函數(shù)”的東西，竟能夠很好地描述核子中的許的東西，竟能夠很好地描述核子中的許多強相互作用效應。多強相互作用效應。維尼基亞諾模型不久后被維尼基亞諾模型不久后被3個人幾乎同時注意到，他個人幾乎同時注意到，他們是芝加哥大學的南部陽一郎，耶希華大學的薩斯金和們是芝加哥大學的南部陽一郎，耶希華大學的薩斯金和玻爾研究所的尼爾森。三人分別證明了，這個模型在描玻爾研究所的尼爾森。三人分別證明了，這個模型在描述粒子時，等效于一根一維的述粒子時，等效于一根一維的“弦弦”。加州理工的

58、加州理工的施瓦茨施瓦茨和法國物理學家和法國物理學家謝爾克謝爾克研究了該研究了該理論的一些性質(zhì)，他們把這種弦當作束縛夸克的紐帶，理論的一些性質(zhì)，他們把這種弦當作束縛夸克的紐帶，即夸克是被綁在弦的兩端，因此永遠不可能單獨從核中即夸克是被綁在弦的兩端，因此永遠不可能單獨從核中被分割出來。但后來人們發(fā)現(xiàn)該理論有些問題，尤其是被分割出來。但后來人們發(fā)現(xiàn)該理論有些問題，尤其是要想自圓其說，就必須要求我們的時空是要想自圓其說，就必須要求我們的時空是26維的。維的。44 量子色動力學的興起使超弦理論失去了吸引力。在量子色動力學的興起使超弦理論失去了吸引力。在最慘淡的日子里，只有施瓦茨和謝爾克在堅持不懈。最慘淡

59、的日子里，只有施瓦茨和謝爾克在堅持不懈。1971年施瓦茨與雷蒙等人合作，把年施瓦茨與雷蒙等人合作，把26維的弦簡化為維的弦簡化為10維。維。并初步引入了并初步引入了“超對稱超對稱”的思想。與超對稱的聯(lián)盟使得的思想。與超對稱的聯(lián)盟使得弦論獲得了前所未有的的力量，它在引力方面的光明前弦論獲得了前所未有的的力量，它在引力方面的光明前景逐漸顯現(xiàn)出來。景逐漸顯現(xiàn)出來。1980年謝爾克不幸逝世，施瓦茨與倫年謝爾克不幸逝世，施瓦茨與倫敦瑪麗皇后學院的邁克爾敦瑪麗皇后學院的邁克爾.格林合作，終于完成了超對稱格林合作，終于完成了超對稱和弦論的結(jié)合。和弦論的結(jié)合。新的理論猶如脫胎換骨，完成了一次強大的升級，新的理

60、論猶如脫胎換骨，完成了一次強大的升級，名字升級為名字升級為“超弦論超弦論”。當把他們的模型用于引力時，。當把他們的模型用于引力時，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果有限而且有意義，這令他們欣喜若狂。引發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果有限而且有意義，這令他們欣喜若狂。引力大軍整天防衛(wèi)粒子進攻，當人們不再把粒子當作一個力大軍整天防衛(wèi)粒子進攻，當人們不再把粒子當作一個點，而是看成一條弦的時候，終于深入到了引力王國的點，而是看成一條弦的時候，終于深入到了引力王國的縱深地帶?？v深地帶。1984年施瓦茨進一步解決了超弦理論的關鍵年施瓦茨進一步解決了超弦理論的關鍵問題，終于使超弦理論驚動了整個物理界。人們爆發(fā)出問題，終于使超弦理論驚動了整個物理界。

61、人們爆發(fā)出了罕見的熱情和關注，成百上千的人們投身到這一領域。了罕見的熱情和關注，成百上千的人們投身到這一領域。45 超弦論的基本觀點是：任何粒子其實都不是傳統(tǒng)意超弦論的基本觀點是：任何粒子其實都不是傳統(tǒng)意義上的點，而是開放或閉合的弦。當它們以不同的方式義上的點，而是開放或閉合的弦。當它們以不同的方式振動時，就分別對應于自然界中的不同粒子（如電子、振動時，就分別對應于自然界中的不同粒子（如電子、光子、引力子光子、引力子）。）。我們?nèi)陨钤谖覀內(nèi)陨钤?0維空間里，但有維空間里，但有6個維度是緊緊卷個維度是緊緊卷縮起來的，我們平時覺察不到它。就像一根水管，遠看縮起來的，我們平時覺察不到它。就像一根

62、水管，遠看像一條線，只有一維。但把它放大后，發(fā)現(xiàn)它還有橫截像一條線，只有一維。但把它放大后，發(fā)現(xiàn)它還有橫截面！這第面！這第2個維度被卷曲了起來，粗看之下分辨不出。個維度被卷曲了起來，粗看之下分辨不出。在超弦的圖像里，我們的世界也是如此，有在超弦的圖像里，我們的世界也是如此，有6個維個維度出于某種原因收縮的非常緊，以致粗看上去宇宙緊緊度出于某種原因收縮的非常緊，以致粗看上去宇宙緊緊是是4維的。但如果把時空放大到維的。但如果把時空放大到“普朗克空間普朗克空間”的尺度的尺度（大約（大約10-33cm），我們會發(fā)現(xiàn)，原本是時空中的一個），我們會發(fā)現(xiàn)，原本是時空中的一個“點點”的東西，竟然是一個的東西，

63、竟然是一個6維的維的“小球小球”！這！這6個卷縮個卷縮的維度不停地擾動，從而造成了全部的量子不確定性！的維度不停地擾動，從而造成了全部的量子不確定性！46 雖然超弦論聲名大振，但仍有少數(shù)物理學家對此報雖然超弦論聲名大振，但仍有少數(shù)物理學家對此報懷疑態(tài)度，霍金對此也不熱情。當?shù)谝淮胃锩^去后，懷疑態(tài)度，霍金對此也不熱情。當?shù)谝淮胃锩^去后，經(jīng)過大浪淘沙，有經(jīng)過大浪淘沙，有5種超弦理論被保留了下來。這種超弦理論被保留了下來。這5種超種超弦論都采用弦論都采用10維時空，都能自圓其說，哪種才是正確的維時空，都能自圓其說，哪種才是正確的呢？人們的熱情消退了。呢？人們的熱情消退了。20世紀世紀90年代中期

64、，超弦再次從沉睡中蘇醒，喚醒年代中期，超弦再次從沉睡中蘇醒，喚醒它的是它的是愛德華愛德華.威頓威頓。他證明了。他證明了5種超弦理論，在逐漸放種超弦理論，在逐漸放大耦合常數(shù)時，其實是一個大理論的大耦合常數(shù)時，其實是一個大理論的5個不同變種。就個不同變種。就像盲人摸象，每個人摸到象的一部分。像盲人摸象，每個人摸到象的一部分。這個統(tǒng)一的理論被稱為這個統(tǒng)一的理論被稱為“M理論理論”，發(fā)明者或許本，發(fā)明者或許本意是指意是指“母親母親”(Mother)，說明它是，說明它是5種超弦的母親。種超弦的母親。但也有人認為是但也有人認為是“神秘神秘”(Mystery)，或者是，或者是“矩矩陣陣”(Matrix)，或

65、者，或者“膜膜”(Memberane)。有些中國人。有些中國人喜歡稱其為喜歡稱其為“摸論摸論”，意指，意指“盲人摸象盲人摸象”。47不過，最近弦理論又遭遇了空前的危機，有許多人，不過，最近弦理論又遭遇了空前的危機，有許多人，包括一些諾貝爾獎得主，開始擔心這個理論已走進死胡包括一些諾貝爾獎得主，開始擔心這個理論已走進死胡同，認為試圖通過幾個簡單的方程來描繪整個宇宙結(jié)構同，認為試圖通過幾個簡單的方程來描繪整個宇宙結(jié)構的弦論走到了知識的盡頭。原因是很多年過去了，科學的弦論走到了知識的盡頭。原因是很多年過去了，科學家并未能以一種簡便易行的實驗來證實該理論，因為要家并未能以一種簡便易行的實驗來證實該理論

66、，因為要“砸開砸開”物質(zhì)及研究物質(zhì)內(nèi)的弦所需的能量太大，需要物質(zhì)及研究物質(zhì)內(nèi)的弦所需的能量太大，需要有大到足以覆蓋地球的設備來研究。有大到足以覆蓋地球的設備來研究。但正方的觀點是，一個包羅萬象的理論不可能在一但正方的觀點是，一個包羅萬象的理論不可能在一夜之間提出來。這就像抱怨一把未完工的小提琴所發(fā)出夜之間提出來。這就像抱怨一把未完工的小提琴所發(fā)出的聲音一樣。他們說，弦論走的方向是對的，但這條路的聲音一樣。他們說，弦論走的方向是對的，但這條路相當漫長，需要有新的突破。不能因為這一理論作出了相當漫長，需要有新的突破。不能因為這一理論作出了不可證實的預測，就覺得它是錯誤的。不可證實的預測，就覺得它是錯誤的。48 不管是超弦還是不管是超弦還是M理論，都還是剛剛起步，還有理論，都還是剛剛起步，還有更長的路要走。雖然異常復雜，但超弦更長的路要走。雖然異常復雜，但超弦/M理論仍取得理論仍取得了一定的成功，甚至得以解釋黑洞熵的問題。也許不了一定的成功，甚至得以解釋黑洞熵的問題。也許不久就會有第三、第四次超弦革命，從而最終完成物理久就會有第三、第四次超弦革命，從而最終完成物理學的大統(tǒng)一，我們誰也無法預見