淺談量子力學發(fā)展與展望

李武濤

摘要：從量子力學誕生的時刻開始，盡管其數(shù)學結構嚴謹，但許多科學家懷疑它并不是完整的物理理論由它產生的一系列觀念和物理學的傳統(tǒng)觀念是如此相反，以至于它的許多發(fā)現(xiàn)者都感到迷惑和不解，并為此展開了激烈的爭論，量子力學是在百家爭鳴的環(huán)境下不斷發(fā)展的。本文回顧了量子論和量子力學產生的過程和圍繞量子力學發(fā)生的爭論，論述了量子力學對人類社會的科學、哲學、技術和經(jīng)濟帶來的巨大影響對量子力學的進一步發(fā)展進行了討論。

關鍵詞：普朗克；量子論；相對論

一、前言

1900年12月14日，德國物理學家馬克思-普朗克發(fā)表了一篇重要的論文，他在分析黑體輻射的能譜時，提出了光的能量和頻率成正比并以不連續(xù)的量子狀態(tài)輻射的新概念。量子論提出后，經(jīng)過25年的時間，由許多物理學家共同努力，激烈爭辯，最終才形成了量子力學量子力學、相對論和基因雙螺旋結構是20世紀最重要的三大科學發(fā)現(xiàn)。量子力學在其中又占有特殊的位置。它打開了人類認識原子世界的大門。歷史上沒有哪一個理論的成就如此深刻地改變著人類社會的生產、生活和觀念。沒有量子力學的指導，就不會認識化學鍵，不會有高教的化學臺成和化學工業(yè)，就不會認識能帶結構，不會發(fā)現(xiàn)半導體晶體管、集成電路和激光，不會有今天的信息技術和工業(yè)，也就不會形成今天全球化的經(jīng)濟結構調整和信息革命。量子力學使我們得以了解分子、原子、核于、夸克、輕于的性質和各種物態(tài)的結構，是最有預見力和精確的理論，它不僅是微觀世界的理論，而且是宏觀相干量子態(tài)的理論。量子力學直到今天仍有豐富的生命力，基于它的發(fā)現(xiàn)始終層出不窮。在今后相當一段時間內，它仍然將居于物理學創(chuàng)新的中心。從量子力學誕生的時刻開始，盡管其數(shù)學結構嚴謹，但許多科學家懷疑它并不是完整的物理理論由它產生的一系列觀念和物理學的傳統(tǒng)觀念是如此相反，以至于它的許多發(fā)現(xiàn)者都感到迷惑和不解，并為此展開了激烈的爭論，量子力學是在百家爭鳴的環(huán)境下不斷發(fā)展的。

二、量子論發(fā)現(xiàn)的背景

到19世紀末，已建立了三大物理理論：（1）牛頓力學，確定粒子的運動；（2）麥克斯韋電動力學，確定電磁場和電磁渡的運動；（3）熱力學和統(tǒng)計物理，確定熱平衡態(tài)的物性。這三大理論都形成了完整的數(shù)學框架，特別是拉格朗日、哈密頓和Jocobi發(fā)展的分析動力學，費馬的最小作用原理給牛頓力學以嶄新的形式和深刻的內涵。

雖然三大經(jīng)典理論在解釋某些自然現(xiàn)象時取得了很大的成功，當時人們相信它們能解釋萬物運動的規(guī)律，但經(jīng)過努力，仍不能解釋上述這些物性的經(jīng)驗規(guī)律是如何由基本規(guī)律形成的。在19世紀和20世紀之交，一系列新的發(fā)現(xiàn)和經(jīng)典理論預見的結果相左，加劇了存在的問題，如光速不變（1879年邁克耳孫一莫雷）、黑體輻射（1859年基爾霍夫，1879年斯特藩，1884年玻爾茲曼，1896年維恩）、光電效應（1887年赫茲）、放射性（1896年貝克勒爾）、電子軌道的不穩(wěn)定性（1899年盧瑟福）等等，形成了傳統(tǒng)物理學的危機。

三、1923年后的10年內量子力學獲得飛速發(fā)展

1923年，德布羅意在其博士論文中提出了電子也具有波動性的建議；1924年，泡利提出了不相容原理；1924年。玻色和愛因斯坦引進了玻色一愛因斯坦（Bose-Einstein）統(tǒng)計；1925年，烏倫貝克（GE.Uhlenbeck）和古德斯密特（S A.Goudsmit）提出了電子自旋的建議；1925年，海森伯、玻思和約爾丹（E.P.Jordan）發(fā)表量子矩陣力學；1926年，薛定諤提出波動方程。發(fā)表量子波動力學；1926年，薛定諤證明量子矩陣力學和量子波動力學在數(shù)學上等價；1926年，克萊因（0.B.Klein）和戈登（W.Gordon）提出相對論波動方程；1926年，費米發(fā)現(xiàn)自旋和統(tǒng)計的聯(lián)系；1926年，狄拉克引進費米一狄拉克統(tǒng)計；1927年，戴維孫（C J.Davission）、革末（L.H.Germer）和湯姆孫（G.P.Thomson）的實驗證明電子的波動性；1927年，海森伯提出測不準關系式；1927年，玻恩提出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋；1928年，狄拉克發(fā)表電子的相對論方程；1930年，狄拉克引進電子空穴；1931年，泡利提出中微子假說；1931年，泡令（L.C Pauling）發(fā)現(xiàn)化學共振鍵；1932年，查德威克（j.Chadwick）發(fā)現(xiàn)中子；1932年，海森伯引進同位旋概念。提出原子核的核子模型；1932年，安德森（C.D.Anderson）發(fā)現(xiàn)正電子。

值得指出的是，量子力學的發(fā)現(xiàn)者們多數(shù)雖然年輕，但都具有深厚的理論和實驗的知識。他們了解光譜和各種物性的實驗進展和狀況，對分析動力學、電磁場理論、熱力學和統(tǒng)計物理都有深刻的領會。他們還掌握了數(shù)學的最新發(fā)展，如希爾伯特（Hilben）空間這說明，只有掌握人類創(chuàng)造的全部知識財富，才能產生革命性的創(chuàng)新。

四、不同意見的爭論是發(fā)展科學的重要推動力

盡管量子力學的數(shù)學結構嚴謹，在解釋一系列實驗現(xiàn)象上取得了完全成功，但是從它誕生的時刻開始，對它的物理解釋和理解就存在不同的意見和爭論。一批為量子力學的發(fā)展作出過重要貢獻的物理學家，如愛因斯坦、薛定諤等始終懷疑量子力學，認為它不是最終的理論，而另一批物理學家，以玻爾、海森伯為首則持完全相反的意見。

五、量子力學和相對論

有人從測量過程的突變性推論相對論遭到破壞，認為這預示量子力學和相對論存在沖突，發(fā)掘這種沖突是發(fā)展量子力學的前提。但需要指出的是，測量過程的理論可能在現(xiàn)有量子力學的能力范圍之外。其次，相對論和量子力學在量子場論中已得到很好的結臺，如量子電磁場理論已是當今世界最精確的理論，理論預測和實驗結果高度符臺。很難想象在低能區(qū)相對論和量子力學二者之間存在矛盾。當然兩者都需要進一步發(fā)展，他們在極高的普朗克能區(qū)會統(tǒng)一在薪的理論之中。

六、量子力學發(fā)展的歷史帶給我們的啟示

物理學研究的是自然界的運動規(guī)律和物質的結構，判定物理學的發(fā)現(xiàn)和理論作為客觀科學真理的唯一依據(jù)是，正確預見并為不同科學家在相同條件下所重復驗證的實驗事實。對量子現(xiàn)象的觀察實驗盡管出現(xiàn)許多出乎常情的結果，但我們的認識必須依據(jù)真實可靠的實驗結果加以修正，而不是相反。和其他科學理論發(fā)展的不同在于，量子力學是在激烈的爭論下由一批科學家共同努力而產生的之所以是這樣，是因為量子現(xiàn)象十分奇特，用經(jīng)典邏輯和日常經(jīng)驗無法理解和接受，需要豐富的想象力，需要理論和實驗的緊密結合，需要不同觀點的交鋒和爭論。反對的意見，如薛定諤貓和EPR佯謬，盡管未達到原提出者的目的，但是對量子力學的發(fā)展起到了重要的推動作用，開辟了全新的研究和應用領域。量子力學盡管從觀念上完全脫離了經(jīng)典理論，但它同時繼承和發(fā)展了經(jīng)典理論中最精華的部分。如拉格朗日、啥密頓和locobi的分析動力學。對量子效應不顯著的宏觀現(xiàn)象，量子力學的預言也自動趨向牛頓力學。因此創(chuàng)新要在繼承的基礎上進行，只有掌握人類創(chuàng)造的全部知識財富，又不受其拘束，才能從薪的實驗事實出發(fā)，產生革命性的創(chuàng)薪。雖然我們還未完全懂得量子力學，但是在量子力學中蘊含著豐富的辯證思維，粒子與波動、連續(xù)與分立、對稱與破缺、真空與場等等對立統(tǒng)一的觀念到處可見。只有通過量子邏輯才能理解從一個時空奇點可以創(chuàng)造整個宇宙，理解單個量子可以實現(xiàn)自身的干涉。在歷史的長河中，任何理論都是相對真理，都有其適用范圍，都有在薪的條件下改進的可能。量子力學和相對論的結臺已經(jīng)創(chuàng)造了量子場論，得到了很大的成功，量子場論本身也在繼續(xù)發(fā)展。但是任何想改進量子力學基本觀點的嘗試都必須建立在實驗的基礎上?，F(xiàn)代數(shù)學無疑在發(fā)展量子力學和量子場論中發(fā)揮了重要作用。我認為，單純從數(shù)學和邏輯出發(fā)，有可能找到若干有用的關系，但不經(jīng)過實驗的檢驗、指導和修正，不可能創(chuàng)造出薪的理論。

七、不斷發(fā)展的量子理論和應用

當前創(chuàng)建新理論的探索在向兩個方向進行，一個方向圍繞宇宙的起源、發(fā)展、標準模型的拓展和相互作用力的統(tǒng)一由于實驗困難，耗資巨大，進展緩慢。另一個方向圍繞量子力學測量和解釋問題進行，設計并進行了一批薪的薛定諤貓和EPR佯謬實驗，實驗的成功證實了量子力學的預言，同時開辟了量子信息的新研究領域。第二個方向費錢不多，有重要的應用背景，會有較快的發(fā)展量子力學應用的領域將隨著人類對物質結構認識的深入而不斷擴大。由于人類對單個原子操縱能力的增加，應用量子力學會設計出越來越多的按照人的要求，具有特殊功能的人造微結構和具有新奇性質的宏觀量子態(tài)，會在21世紀繼續(xù)對經(jīng)濟、軍事、科技和社會進程產生重大的影響。物理學將在2l世紀繼續(xù)發(fā)展，并發(fā)揮重要作用。我國科學家應當在21世紀為物理學的新進展做出重要的貢獻。