量子物理百年历程_DanielKleppner.pdf

量子物理首年厉程 D a n i e llK e pp nre 和 R o m an J ae ki w 著 侯春风译 清华 大学物理系北京 l 以 84 20 世纪 科 学 史 册 中最 有 影 响 的科学 进 展 大 概 应 当包 括 广义相 对论 量 子 力 学 大 爆 炸 宇 宙学 遗 传密码 的破 译 进 化生物 学以及 读 者 选 择 的其他一 些课题 在 这些 进 展当中 量子力 学因其 深 奥 的根 本属性 而具有 更 加 独特的地 位 它促 使 物 理 学 家 们改 变了对 客观 实 在 的 认识 促使他们重 新 思 考 事 物最深 层次 的本 性 促使他们修正 位 置和速 度的概 念以及 原因 和结 果的看法 虽然量子 力学是为描述远 离我们的日常 生活经 验 的抽 象原 子世界而 创 立 的 但 它 却对我们的日常 生 活产 生了无比 巨大 的影 响 如果 没有 量子 力学 作 为工具 就不可能 有 化 学 生物 医学以及其他 每 一 个重要 学科 的令人 瞩目的进展 没 有量 子力 学就 没 有 全球经济可言 因为作为 量 子力 学 的产 物 的电子 学的革命把我们带人了计算 机 时 代 同 样 光 子 学 的革命又把我们 带人了信息 时代 量子 物理 的产生 改变了我们的世界 为 这 个 世 界带 来了科 学 革命的 益处 也带来了科 学革命的威 胁 量 子力 学既不像来 自于对引 力与几 何关系的深 邃洞察 力 的广 义相对论 也 不 像 揭开 了 生物 学 一 个 新的世界的神秘面纱的 DNA破 译 它的起 源 不是 一 步到位 的 而 是在 一 种 历史 上 时 而 会 发生但又很 少 见的天 才云集的情 况下 产生的 量子 概念是 如 此地 令人困惑以至 于在它 被 提出以后的2 0年 中几 乎 没 有什么实质 性 的进 展 后来一 小部分物 理 学 家 花了 3年 时间创 立了量子 力学 这 些科学 家 被 自己所 做 的事情 所困扰 甚至有 时 对 自己的所作所 为感 到无 所适 从 或许用下 面的一 段短评 能最好地 概括 这 个至关 重要但又难以理解的理论的独特地位 量 子理论 是 科学史 上 能最精 确 地 被 实 验检 验 的理 论 是科学 史 上 最成功 的理论 然而 量 子 力学 不但深 深 地困扰 了它的创立者 而 且 直 到它 基 本 上 被表述 成 现 在 的 形 式 7 5年后的今天 一些科 学界 的名人大 师们 尽 管 14 卷 6期 总84期 承认它强 大 的威 力 却仍然对 它 的理论基 础和基本 解 释感 到不 满意 今年是 马克 斯 普 朗 克提出量子 概 念 10 0 周年 在他关于热辐射 的原创论文 中 普 朗克 假定振 动 系统 的总能量不能连续 地改变 而 是以分立的能 阶或 能量 子 的形 式从一个值跳变 到另一个值 能量 子 的概 念 太激进了 普 朗克后 来只好把 它 搁置 下 来 随后 爱 因斯坦 在 他 非 凡 的 19 05 年认 识 到了光 的量 子 化本 质 不 过 由于量 子的观念太离 奇了 以致后来 几乎 没 有取得 根本性的进 展 后来 崭新的一 代物理 学 家花 了 20 余年 的时间终于创立了现代量 子理论 只要看 一下量 子 理论诞生以前 的物理 学就 能 领 悟出量子物理的革命性 影 响 189 0 年 到 l驯叉 年 间的 物理学杂志上刊满了关于原子 光谱和物质 其他 一 些 基本的可以观测的 性 质的文 章 如 粘 性 弹 性 电导 率 热导率 膨胀 系数 折射率以及热 弹性 系数等 由 于受 维多利亚 时代的工作 准则的推动和精巧的实 验 方法 的发展 的刺激 知识 在以 巨大 的速 度累积着 然而 以当代人的眼光 来 看最 显著的事 情 是 对 于物质属性 的简要 描 述 基 本上是以实 验 为 基 础 的 成千上 万页的光谱数据列 出了元素波 长的精 确值 但是没 有人知道 为什么会存在 光谱线 更 不 知 道 它 们所传达的信息 用来 解释 热导率和 电导率的示意 模型仅 与大 约半数 的实际情 况相符 虽然有众多的 经验 定律 但 都很 难令人满 意 例如 杜隆 一 拍 替定 律建 立了物质 的比热 与 原 子 重 量 的 简单 关 系 它在 大多 数情 况下是 适 用 的 但有 时却不适 用 在 多 数 情况 下同体积 气体的质量比满足 简 单的整数关系 元素周期 表 尽管 为化学 的蓬勃发 展提供了关键的指 导 原则 但却无任何理论基础 的支持 在 众 多最伟大 的革命性 成 就 中 量子 力 学 提供 了一种定量的物理理论 现 在 我 们 基 本上可以理 解 原子结构的每 一 个 细 节 周 期表 也 有了简单自然 的解释 庞杂的光谱数 据 也 纳 人了一 个 精巧的 理论 DOI 10 13405 ki xdwz 2002 06 001 框架 量子理论使人们 能 定 量 地理 解分子 固体和 液体 导体和半 导 体 它 能解 释 超 导和超 流 等 奇 特 现象 能解 释诸 如 中子星物质和玻 色 一 爱因斯 坦 凝 聚 在 这种 现象里气 体 中所 有原 子的行 为像 一 个 单 一 的超 大原子 等奇特的物 质 形 态 量 子 力学 为 所 有的科 学分 支和每一项高技 术提供了重要 的工具 量子物 理实际上包 含 两个方面 一个是 原 子层 次 的物质理论 量 子 力 学 正 是 利用 它 我 们 才 能 理解和操纵 物 质世界 另一 个 是 量 子场 论 它 在 科 学 中起 到一个完 全不同的作用 我们稍 后再讨论它 量子 力学 点燃量子 革命的导火索 不 是来 自对 物 质的研 究 而是来源于辐 射问题 具体 的课题是 理 解 热 的 物体即黑体 辐射的光谱 观察过 火焰 的人都 很熟 悉 这样一种 现象 热的物体发 光 越热发 出 的 光 越 明 亮 光谱的范 围很 广 当温 度升高时 光谱的峰值从 红线向黄线 移动 然后又向蓝线 移动 虽然 我们不 能 直接 看到光谱线 的移 动 通过结 合热力 学和电磁 理论的概 念人们 似乎可 以对光谱的类型做 出解 释 但 所 有的尝试 均以失 败 告终 然而 普 朗克 假 定 振 动 电子 辐射的光的能 量 是量子化的 从而得 到一个 与实 验符合得 相 当完 美 的表达式 但是 他也 充 分 认 识 到 他 的理论从 物 理 意义上看 是很 荒谬的 就像他后 来所说的那 样 量 子化只不过 是一个不得已而为之的做法 普朗克将他 的量子 假设 应用 到辐射体内壁振 子 的能量 上 如果没 有新 秀 阿尔伯特 爱因斯坦 量 子 物理恐怕 要 到 此 终 结 爱因斯 坦1 90 5年 毫 不犹 豫 地 断言 如果 振子的能 量是量 子化 的 那么它 辐射的 光的电磁 场的能 量 也 应该是 量 子 化的 尽 管詹姆 士 克勒 克 麦 克斯 韦理论以及一个多世 纪 的权 威性 实验 都证明光 具有 波 动 性 爱因斯 坦 的理论还 是 赋 予了光 的粒 子性 行 为 随后 近1 0年 的 光电效应 实 验 表 明只有 当光的能量 实际上处于一些 离散 的量值 时才能被吸收 这些 能 量就像是被粒子携 带着 一样 光的波粒二 象性取决于人们观察 问题的 出 发点 这 是一 个在量 子 物理 中经 常出现 且令人大伤脑筋 的事 例之一 它成 为接下 来 2 0年 中 的理论难题 辐射困境 促使人们 向量 子 理论迈出了第 一 步 物质 难题则 促 成了第 二 步 众 所 周 知 原 子包 含 带 正 电荷和负 电荷 的 两种粒 子 带异 号 电荷的粒 子相 互吸引 根 据电磁理 论 正 负电荷彼此将沿 螺旋 线相 互靠近 并 辐射出光谱范 围宽广 的光 直至 原子坍缩 4 为止 接着 又是一个 新秀尼尔斯 玻尔开辟了通 向新 进展 的 道路 191 3 年 玻 尔 提 出了一 个 大 胆的假 设 原子 中的 电子只能处于包 括基态在 内的定态 上 电子通 过 在两 个定 态 之 间跃迁 而 改 变 它的能 量 同 时辐射出一定波 长 的光 光的波长取决于两 个 定态 之 间的能 量差 结合已知 定律和这 一 奇 妙 的假 设 玻 尔扫清了原 子稳 定性方面的障碍 玻 尔的理论 充 满了矛盾 但 却为 氢 原 子 光谱做出 了定 量 的描 述 他既看到了他 的模型的 成功之 处 也认识 到了缺 陷 凭借其惊人的预 见 力 他聚集 起 一批 物 理 学 家 创 立 了新的物 理学 经 过1 2年的努 力和一 代 年 轻 的 物 理 学家 的加盟 玻尔 终于实现了他 的梦 想 起初 发展 玻 尔 的量 子 理论即所 谓 的旧量 子 论 的尝试遭受了一次又一次 的失 败 接着 一 系列 的进 展 完全改 变了人们 的思想 观念 19 23年路易 德 布罗意在他的博士论文中 提 出 与光 的粒 子行 为相对应 粒子也 应该具有 波动 行 为 他还 把粒 子 的波 长和动量 联 系起来 动量 越 大 波长越短 这是 一 个 引人 人 胜 的想 法 但 没 有 人知 道粒子 的波动性 意 味 着什么 也不 知道 它 与 原 子 结 构有 什么联 系 然而 德布罗意 的假 设 是 即将发生 的事 情的前奏 很多 事情 就要 发生了 1 92 4年 夏天 又一 个 前 奏 出 现了 萨 提 扬 德 拉 N 玻色提 出了一种 用 来解 释普 朗克 辐射定 律 的 全新 方法 他把 光 看做是 一 种 由无 质 量的粒 子 现 在被 称为 光子 组成 的气体 这 种气 体不 服从 经典的 玻耳兹 曼统计规 律 而 遵 循 一种基于粒子不可区分 的性 质 的一 种新 的统计理论 爱因斯坦立 即把 玻色 的推 理应用于实际的有质 量 的气体从而 得到一种描 述气体中粒子数关于能量的分布 规 律 即著 名的玻 色 一 爱因斯 坦 分 布 然而 在一般 情 况下新老理论 对气体中的原子 预言 出相 同 的行 为 爱因斯坦 对 这 方面不 再感兴 趣 因此 这 些 结 果 也 被 搁 置了1 0余 年 但 是 它的关键思想 粒 子的全 同性 却 是极 为重要 的 突然 一 系列事件接 连发生 最终 使一 场科 学革 命达到顶 峰 从 192 5 年 1月到192 8 年 l 月这 3年 间发生的重要 事件 有 沃尔 夫 刚 泡利 提 出了不 相 容 原 理 为 元 素 周 期 表 奠定了理论基础 沃 纳 海 森伯 马克斯 玻 恩和帕斯 考 约 当提 出 了量子力 学 的第一 种形 式 矩 阵力 学 人们终于 现代物理知识 放弃了理解 原子 中 电子 运 动 的历 史目标 而采 用 量 子力 学 的系统方 法 对可观测 的光谱线进行整理 欧文 薛定 愕提 出了量子 力 学的第 二种 形 式 波动力 学 在波 动 力 学 中 体系 的状 态 用薛定 愕方 程的解 波函数 来描述 矩 阵力 学和波动 力学 貌 似矛盾 而实质上是等价 的 电子 被证明遵循一种 新 的统计规律 费 米 一 狄 拉 克统计 人们进 一步认识 到所 有的粒子 要么遵循费 米 一 狄 拉克统计 要么遵 循玻 色 一 爱因斯坦统计 这 两类粒子具有 根本 不 同的属性 海 森伯阐述了不确 定原理 保罗 A M 狄 拉 克建立 了电子 的 相 对论性 的波 动方 程 解 释了电 子 的 自旋并 且 预 言了反 物 质 的存 在 狄拉 克通 过对 电磁场 进行 量 子描述 为 量子 场论 打下了基础 玻尔提出互补原理 一 个哲学 原 理 以解 决 量 子 理论中的一 些明显 的矛盾 尤其是波 粒二象性 量子 理论的主要 创立者 都 很 年 轻 192 5 年 泡 利2 5岁 海 森伯 和恩 里科 费米 2 4岁 狄 拉 克和约 当 23岁 薛定 谬 是一个大器晚成 者 3 6岁 玻 恩 和玻尔 年龄更 大 一些 值得 注 意 的是 他们的 贡献 大 多是解 释性 的 爱 因斯坦的反应 展现 出量 子力 学这 一智力 成果深奥 而激进 的特 性 他 在 提 出 许 多 导致 量子理论 的重 要 概 念 后 却拒 绝了量 子 力 学 他关 于玻色 一 爱因斯 坦统计的论 文是他对 量子 物理的最 后一项贡献 也是对物理学 的最后 一项重要 贡 献 需 要 由新一代物理学家 创立 量子 力学 并不令人 惊讶 开尔文 爵士在祝 贺玻 尔 19 13年关于氢 原 子 的 论文 的一封 书信中表 达了个中缘 由 他说 玻 尔的 论文中有很 多真理是 他所从来都不 能理解 的 开 尔 文认 为新物理学 必将出 自无 拘无束的头脑 1 92 8年 革命完成了 量 子 力 学 的基础基 本 上 已经建立起来了 后来 亚 伯 拉 罕 派 斯 在 n I wad r o Bu n d 中以轶事 的方式记录了这场以狂 热 的节奏 发 生 的革命 其 中有 这样 一 段 192 5 年 萨默尔 古兹 米 特和乔 治 乌仑贝克提 出了电子 自旋的概念 玻 尔 对此 深表 怀 疑 当年1 2月玻 尔乘火 车前往 荷兰的 莱顿 出席亨德 里克 A洛伦 兹 的 5 0岁 生日庆 典 泡 利 在德国的汉堡车 站和玻尔会面并探询玻尔对电子 自旋可能 性 的看法 玻 尔以他 那著名 的低 调 措词回 答说 自旋这 一 提议 是 非 常 非常有 趣 的 后来 爱因斯坦和保罗 艾 伦 费斯 特 在 莱 顿 车站 迎 接 玻 尔 14卷6期 总84 期 并讨论了自旋 问题 玻尔说明了自己的 反对 意 见 但 是 爱因斯 坦 用另一 种方 式说明了自旋并使玻 尔转 变成 自旋的支持者 玻 尔在 返 程 中 遇 到了更 多的 讨论者 当火车经 过德国的哥廷根 时 海 森伯和约 当接站 并询 问他的意 见 泡 利 也 特 意从 汉 堡 赶 到柏 林接站 玻 尔告诉他 们 自旋的发 现 是 一 项 重 大 进 展 量子力 学的创立激发了一场科 学的淘金热 早 期的成 就有 1 92 7年 海 森伯 得 到了氦原 子 薛 定 愕 方 程的 近似解 奠定了原 子 结构 理论的基 础 约 翰 斯 莱 特 道格 拉斯 瑞呐 哈垂和弗拉第米 尔 福克随后 又给 出了原 子结构 的一般计算方法 弗里 兹 伦敦和 沃特 海特勒解 决了氢分子 的结构 问题 林纳 斯 泡 令在 此基础 上创 立了理论化学 阿诺德 索末 菲和泡 利奠 定了金属电子理论的基础 费莱克斯 布洛赫提 出了能 带 结 构 理论 海 森 伯 解 释了铁磁性 的起因 19 28年乔 治 伽莫夫 解释了 a 放射 性衰变 的随机性 之谜 他证明 a 衰 变 起因 于量 子 力 学 中 的隧道 效 应 在随后 几 年 中 汉斯 贝特建立了核 物理的基础 并解 释了恒星的能 量来 源 随 着这 些 进 展 原 子 物 理 分子物理 固体物理和核物理进 人了现代物理 的 时代 争 论与 迷惘 然而 伴 随着 这些 进展 在量 子力 学 的诊 释和正 确性 上发生 了剧烈 的争论 起初 争论的 主角 一 方 是玻尔和海 森伯 他们信奉新理论 另 一方 是爱因斯 坦和薛定 愕 他们 对 新 理论不 满 意 为了理 解 这 些 混乱 的原因 我们 需 要了解 一 下 量 子理论的基 本 要 点 现总 结如 下 为了简明 我们只描 述薛定愕 形式 的 量子力 学 它有 时也 被称为波 动力 学 基本 描述 波函数 系统 的行 为 用薛定 愕 方 程 描 述 方 程 的解称为波函数 系统 的全 部信息都用 它 的波函数来 描 述 利 用 波函数可以计算出任 意可 观察量的可能值 在空间中一 个给定的体积 内找到 一个电子 的概率正比于波函数 幅值的平 方 因此 粒 子 的位 置将 分散 在 波函数所 在 的体积 内 粒 子的 动 量依赖于波函数 的斜率 波函数 越 陡 动量越 大 由于斜率是 变 化 的 因此 动量 也是分散 的 这 样 就 需 要 放弃位 置和速 度可被 确 定到任 意精 度 的经典图 象 而采用 一 种模糊 的概率图象 这 正是 量子力学 的 核 心思想 对同一 系统进 行同样仔细的测量不 一定能得 到 同样的结 果 相反 结果将分 散在 波函数 描述 的范围 5 内 因此 电子 的 特 定 位 置和动 量 的概 念 将 失 去 意 义 这 可 由不确 定 原理 表 述 如 下 如 果 要使粒 子 精 确定 位 那么它 的波函数 就 必须 是尖峰型的即不 是 分布型的 然而 尖峰必然具有很陡 的斜率 因而 动 量就 会分布在很 大 的范围内 相反 如果动量 具有 很 小 的分布 那么波函数的斜率就一定 很小 因此 波函 数就会 弥散 在一个 大的体 积 内 这 样 粒 子 的位 置 就 更加 不确定了 波可以干涉 波的 幅度是相 加还 是相减取决于 它们的相对 相位 振 幅 同相时相 加 反相 时相减 当 波沿着 几条 路径 从 波源到达 接 收 器 时 将像光 的双 缝干涉一样 一 般 会 产生干 涉图样 粒子遵 循 波 动 方程 应 有类 似的行 为 如 电子 衍射 因此 类 推 似 乎是合理的 除 非 要考 察 波 的本性 波 通常可以被 认为是 介质 中的一 种 扰 动 然 而 在量 子 力学 中没 有 介质 从某 中意 义上说根本 就不存在 波 波函数本质 上只是我们 对 系统 的认识的一 种表 述 对称性和全 同性 氦 原子 由一个 原子 核和两个 围绕 着核运动 电子构成 的 氦 原子 的波函数描 述了 每一 个电子 的位置 然 而 没有 办法区分究竟 是 这 个 电子还是那 个电子 因此 电子 交换后体系看上去与 原来完 全相同 也 就 是 说 在 给定 位 置 找 到电子 的概 率保持不变 由 于概率依 赖 于 波函数的幅值的平 方 因而粒子 交换 后 体 系的波函数与 原 始波函数的 关系只可能 是下 面 两种 情 况 中的一 种 或者 与原 波 函数相 同 或 者是简单 地 改变符 号 即乘以因子 一 1 究竟是哪种情况呢 量子 力学 中的一 个非常惊人 的发现是电子 的波 函数经 常变 号 其后果 是惊人的 如 果 两个电子处 于相同 的量子态 而其 波函数符 号相反 因此 总 波函 数为零 也就 是说在 同一状态 上 发 现 两个电子 的概 率是零 这就是泡 利不 相 容 原 理 所 有具有 半整数 自旋的粒子 包括 电子 都 遵循这一 原 理 并 被 称 为 费米子 自旋为整数的粒子 包括光 子 其 波函数不 变号 被 称为 玻色 子 由于 电子是 费米 子 因而在 原 子中分层 排 布 由于光由玻 色子组 成 所以出现于单 一超强光 束中的激 光 本 质 上 处于一 个 量 子 态 最 近 气体原子 被冷却到量 子 状 态 而形 成 玻 色 一 爱因 斯 坦凝聚 这 时体系可发射超 强物 质束 形成原 子 激 光 这些 概 念只适用于全 同粒 子 因为不 同粒 子交换 后波函数显然不同 只有当粒子体系是 全同粒子时 粒 子才显示 出玻色子或 费米 子 的行 为 同类粒 子 的 6 全同性 是量 子力 学 中一 个最不 可思议的 方面 量 子 场 论 的成 就之 一就是对上 述 神秘现 象做出了解释 量子 力 学 意味着 什么 波函数 到 底 是什么 进 行一次测 量 是什么意思 这些 问题在早 期都 激 烈争论过 然 而直 到 193 0 年 玻 尔和他的同事 给出 了量子力 学的大致 标准 的诊释 即哥本 哈根 解释 其 关键 要点 是利用玻 尔的互 补原理对 物 质和事 件进 行 统计描述 调和物质波粒二象 性的矛盾 爱因斯 坦 从未 接受过 量子理论 他 一 直 就 量 子 力学 的基 本 原 理 同玻尔进行争论 直至 19 5 5年 去世 为止 关于量 子 力学争论的 中心问题是 波函数是 否 包含了体 系 的所有可能 的信息 还 是 有潜 在的因素 即隐变 量决定 着 特定 测 量的结果 2 0 世 纪6 0年 代 中期 约翰 S贝尔证明 如果 存 在隐变 量 那么实 验 观测 到 的概率应该低于一 个 特 定 的界限值 此即贝 尔不等式 很 多研 究 组开展了这方面的实 验 研 究 所得 结果 与贝尔不 等 式相反 他 们 收 集 到 的实 验 数 据 明确地否定了隐变量存在 的可能性 这些结果 消 除了大 多数科学家 对量 子力 学正 确性 的怀疑 然而 由于 量 子怪物 的神奇 魅力 量 子物理 的 本 质仍然吸引 着人 们 的注意 力 量 子 体系的怪异性 质起 源于所 谓的纠缠 态 简 言 之 一 个 量 子 体 系 例 如 原子 不仅 能处于一 系列定 态 中的任何一个态 上 而且 还可以处于它们 的 叠加 态 叠 加态即指 那 些 定 态 之和 如果 我们测量处于叠加 态的原子的某种 性 质 例如 能量 则 一般说来 结果有 时是 这 一 个值 有 时 是另一个值 至此还没 有 出现任何怪 异的事情 但 是人 们 还可以构 造 双原 子体系的纠缠态 在 纠缠 态 中每个原 子 都将分享两个 原 子 的共 同性 质 当这 两个原 子分 开 后 一 个 原 子的信息将被 共 享于 或 纠缠于 另一个 原子态中 这 一行 为只有用量子力 学的语言才能做出解 释 这种 效应 是 如此地 出人 意 料以至于 只有少 数精干的理论和实 验研 究单 位在 集 中精 力研 究它 研究 内容 并不限于原理问题 因 为纠 缠态还具有 实际的用 途 纠缠 态己经被 应用于量子 通讯 系统 成 为量子计算机的基 础 二次 革命 在 2 0世纪 2 0年代 中期量 子 力 学正在创建的 狂 热年 代里 也在 进行 着另 一场革命 量子物理 的另一 个分 支 量子 场论的基 础正 在建立 不像量 子 力 学 的创立那样如疾 风骤 雨 般 地 一 举 成 功 量子 场论 的创立 经历了一段 一直 延 续 到 今天的曲折的历 史 尽 管量 子场论存 在 着很多困难 但 它 所预言的结果 现代物理知识 却是所有物理学科中最 为精确 的 同时 它还 为一 些 最高难的理论探 索 提供了工具 激发 出量子 场论的 问题是 电子从激 发态跃迁 到 基态 时原子 如何辐射光 1 91 6年 爱因斯坦研究了 这一 过程 并称 其 为 自发 辐射过程 但他 无法计算自 发辐 射 系数 解决这个问题需 要彻 底发 展 电磁场 的 相对论量 子理论 一种关于光的量子理论 量 子 力学 是关于物 质 的理论 而量 子场论正 如其名所指 是研究场 的理论 不仅是 电磁场 还 包括后来 发现的 其他 场 192 5 年 玻 恩 海 森伯和约 当发表了关于光 的 理论的初 步想法 但重 要 的一 步 是 当时 尚默 默 无闻 的青 年物 理学家狄拉 克迈 出 的 他于1 92 6年独 立 地 提出了他的场论 狄拉克的理论存在很多 缺 陷 棘 手 的计算复杂 性 出现无 穷大 量即结果 发散 并且 明 显和对应 原理相矛 盾 2 0 世纪4 0 年 代 后 期 量 子 场论出现了新 的 进 展 理查 德 费恩曼 朱利安 施温 格尔和朝永振一 郎 为量 子场论开辟了新 的道路 他们提 出了量 子电动 力学 简称QED 他 们 通 过 重整化 的办 法 避 开 了无穷 大量即发散问题 实 质 上 就是通 过减 掉 一个 无穷大 量来 得到有限的结果 由于无 法找 到该理论 的方程 的精确解 所以通常用 级数来 给出近似解 不 过级数项 越来越 难算 虽 然级数项 逐 次减小 但在 某项后却开始增 大 致使近 似 过 程失 败 尽 管存在 这一危险 QED仍被列 为 物理学 史 上 最 成 功 的理论 之一 实验 表 明 用它 预测 电子和磁场的作用强 度精 度可 达 2 1 0 0 0 X 0 0 0 00 0 尽管 QE D取得了惊人的 成功 但 它 背后却隐藏 着谜团 对 于虚空 空间 即真空 理论给 出了近乎荒 谬的结果 它表 明真空不空 而是到处 充斥 着小 的电 磁涨 落 这些 小 的电磁涨落是 解释 自发 辐射 的关键 所 在 并且 它们还可使原 子能 量和诸如 电子 等粒 子 的性 质 发生小 的但却可观测到 的变化 虽然 这些 效 应看上 去很奇怪 但他们已经 被许多已有 的最 精 确 的实验 所证实 对 于 我们周围的低 能 世界 量 子 力 学是 相 当精 确的 但对于高能 世 界 相 对论效 应 开 始起作用 需 要更 全面 的处 理 办法 量 子场论的 创立调 和 了量 子 力学和狭义 相对论的矛 盾 量 子场论的杰出贡献在于它提供了一些关于物 质本性 的深奥 问题的答案 它解 释了为什么存在玻 色子和费米 子这 两类基 本 粒 子 它们的 性 质 与 内察 14卷6期 总84期 自旋有 什么关系 它描 述了粒子 包 括光 子 电子 正 电子即反 电子 是 如何产生和湮 灭 的 它解 释了量子 力学 中神秘 的全 同性 全同粒子之所以是 绝 对相 同 的是因为它们来自于相 同的基本场 它不 仅解 释了 电子 还 解 释了 产 子 轻子等被 称为轻子 的粒子 及其反粒子 由于QE D是 一个关于轻子的理论 所以它不 能 描述 被 称为强子 的 更 为 复杂 的粒 子 这 些粒子包 括 质 子 中子和大量 的介 子 对于强子 人们 提 出了一 个比QE D更 一般的理论 称 为 量 子色 动力 学 或 简称 为 Qc D QED和QcD之间存在非 常多 的类 似 电子 是 原 子 的 组 成 要 素 夸 克 是 强 子的组 成 要 素 在 QED中 带电粒子 之 间 的作 用 力 是 由 光 子 来传递 的 而 在 Qc D 中 夸 克 之 间的作用力 由 胶 子传递 尽 管 QE D和QCD之 间存在 很 多类似 之 处 但它们 之 间仍存在巨大 的差别 与轻子和光 子不 同 夸克 和胶 子永远被幽禁 在强 子 内部 它 们 不 能 被 解放 出 来而独立存在 QE D和QCD是大 统一 理论的标准模型的 基石 标 准模型成 功地 解 释了 至今所有的粒 子 实验 然而 许 多物理学 家认为 它 是 不 完善的 因为基 本粒子的 质量 电荷以及其他 属性的数 据还 要来自实验 一 个 理想 的理论应该能预言 出这一 切 今天 寻求对 物质 终 极本性 的理 解成 为严 肃 的 科学研 究 的焦点 它使人们不 自觉 地回想起量 子 力 学创立 时期 的那 段 狂 热 的 奇 迹般 的日子 其成 果 的 意义 将更 加深 远 人们必须努 力 寻求 引力的量子 描 述 虽 然 经 过 了半个世纪的努 力 但在 QE D中大显 身手 的电磁 场 的 量 子 化 过 程 对于引 力 场却无 能 为 力 这 一 问题是严重 的 因为 如 果 广 义相 对 论和量 子力学 都成立 的话 那么它们 最 终 对 同一 事 件 一 定 能 提供实质 上一致 的描 述 在我们周 围 的常规 世界 里不 存在任何矛盾 因为 与 电磁 力 相比引 力是 如 此 之弱以至 于其量 子效 应可以忽 略 经典描 述已足够 完美 但对于黑洞这种 引力 非 常强的体系 我们尚 无可靠的办 法预 知其量 子 行为 一 个世 纪以前 人们对 物理世界 的理解是经验性 的 量 子物理为我 们提供了一 个物质 和场 的理论 它 改变了我们的世 界 展望新世 纪 量子 力学将继续 为 所有 的科学 提供基本 原 理和重要 的工具 我们 之 所 以敢作这样 自信的预 言是因为 量子 力学 为我 们 周 围 的世界提供了精确而完整的理论 然而 今日的物 理 学与 19 X 年 的物 理 学仍 有 很 大 的共 同之处 它仍旧 保 留了最基本 的经验性 我们 不能彻底 预知组 成物质 的基本要素的属性 而仍然需 要测量它们 也 许 超 弦理论或某种目前尚处于设 想 中 的理 论将 能揭 开 这 一 谜团 超 弦 理论是 量 子 场论的 推 广 它 用有空间尺度的物体取代诸 如 电子 的点 状 物 体消除了所有 的 无穷 大 量 无论结 果 如何 对 自然 的终 极理 解之梦 将一 如科学萌 芽时期 一样继续成 为 新知识的推动 力 在 从 现在 开始的一个 世 纪 里 对 这个梦想 的不断追求 终将使我们梦 想成真 附 t子物理 大事 年表 1 89 7年 彼 德 塞 曼证明光 是 由 原 子 中带电粒 子运 动辐射出来 的 同年 约 瑟 夫 约 翰 汤姆 逊 发 现电子 1 90 0年 马克 思 普朗 克 用 量 子化 能 量 辐射观 点解 释了黑体辐 射 量 子理论诞生 19 05年 阿尔伯 特 爱因斯 坦 提 出 具有 波 动 特 性 的光也 是 由分立 的 量 子化 的能量 子组成 的 构 成 光 的这种能量子后来 被称 为光 子 1 91 1年 欧 内 斯 特 卢瑟福 提 出了原 子 的 核 式 模型 1 91 3年 尼尔 斯 玻尔提出了原 子 的行星模型 以及定态 概念 解释了氢原子光谱 1 9 1 4年 詹姆士 夫兰克和古斯 塔 夫 赫 兹 通 过 电子 散射 实验证 实了定态 的存在 19 23年 阿瑟 康普顿 观测到 x 一 射 线与 电子相 互作 用 的行 为类似于弹性 小 球 进一步证实了光 的 粒子性 1 92 3年 路 易 德 布罗意 提出实 物粒子 也 具 有 波动 性 进而推 广了波 粒二 象性 1 92 4 年 萨提 扬 德 拉 纳 什 玻 色和爱因斯 坦 发现了一种后来 被称 为玻色 一 爱因斯坦 统计的计算 量子粒 子行 为的