1.量子力学革命的冲击.docx

量子力学革命的冲击1.

量子力学诞生至今一百年.经过一百年的发展，它由原子层次的动力学理论，已经向物理学和其他学科以及高新技术延伸.而事实上，它已超出物理学范围；它不仅是现代物质科学的主心骨，又是现代科技文明建设的主要理论基础之一.所以说量子力学不仅适用于原子层次，而且还适用于亚原子-亚核的物质层次，从而延拓成量子场论体系；量子力学又可用于分子和大分子等物质层次，包括介观和宏观尺度的物质系统，从而致使凝聚态物理兴旺发达以至量子物理学不断地扩展，并使量子化学、生物学、医学等交叉学科日趋成熟.也正是因为现代物质科学的这些学科有了显著进步，才导致技术水准和社会生产力的大幅度提升.建立在量子概念的量子力学及其物理诠释，促使人类的思想观念产生根本性转变；虽然这新概念很抽象，但就目前文明的空前繁荣而言，量子力学所产生的影响是相当广泛的.而看看量子力学的前沿性进展新貌，则会感到心驰神往.量子力学可谓是量子理论的第二次发展层次，第一次常称作早期量子论，第三次就是量子场论.本文除了论述这三个层次以外，又说了它在现代物理乃至现代物质科学中的地位，阐述了它应用的状况.

2005年6月，南京大学林德宏教授发表了题为“20世纪下半叶的两大科学思潮”的文章，开篇即说，从1895年X射线的发现到1926年量子力学的建立，这是一次物理学革命，它使物理学对统一性的追求进入了一个新阶段.20世纪中叶出现了一系列系统科学，这次新科学革命开创了系统科学探索复杂性的道路.物理学对统一性的追求和系统科学对复杂性的探索，这是两种不同的科学思潮，这两种思潮的互斥与互补，决定着20世纪下半叶并可能决定21世纪上半叶科学思想发展的历程.在科学史上，追求统一性一直是科学发展的不竭动力.从牛顿到爱因斯坦，从原子论到超弦理论，都是在追求统一的理念下取得的丰硕成果.爱因斯坦是20世纪物理学追求统一性的杰出代表，他建立相对论之后就把主要目标与精力放在追求统一场论上，力图把引力与电磁力统一起来.然而由于时代的局限性，他未能取得成功.1954年杨振宁和米尔斯提出的规范场理论为四种基本力的统一开拓了新的思路.在此基础上，温伯格、萨拉姆等人于60年代末成功统一了电磁相互作用和弱相互作用，在追求统一的道路上迈出了重要的一步.此后，超弦理论的提出为超大统一理论指明了一个新的方向，使得追求统一性走向极致.20世纪中叶是科学发展的转折点，许多新的学科横空出世.系统科学就是在这个时侯出现的，从此科学对自然界的认识有了新的变化：自然界不再是简单的而是复杂的.从贝塔朗菲“被迫处理复杂性”到普利高津“探索复杂性”口号的提出，再到美国圣菲研究所要建立“复杂系统的一元理论”，都把复杂性问题作为明确的研究目标和主要任务.全息论、协同学、突变论等自组织理论的提出，80—90年代分形、孤子、混沌理论的出现，表明探索复杂性的系统科学来势凶猛，方兴未艾.然而，两大思潮在蓬勃发展的同时又存在许多矛盾与冲突.爱因斯坦是追求统一性的集大成者.他曾说：“从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中，不断有人力图把表面上复杂的自然现象归结为一些简单的基本观念和关系，这就是一切自然哲学的基本原理.”他认为科学的目标是追求简明与统一.而布鲁塞尔学派的普利高津，他曾是探索复杂性的杰出代表.在他同斯坦格尔斯合著的《对科学的挑战》一文中，表明对寻求“包罗万象的图式，宇宙的统一框架”的否定.他强调自然界的复杂性，认为追求统一性是“注定要破灭的梦想”.与此相应，两大科学思潮描绘的世界图景也是截然不同的：一个是简单、对称、线性与确定；另一个则是复杂、非对称、非线性与非确定.对同一个自然界有两种不同的描述，这是科学界值得深入探讨的事情爱因斯坦说过：“一个物体的质量就是其所含能量的度量单位，我用比相对论还多的脑力在量子论上.物理学家们说我是数学家，数学家们又把我归为物理工作者.”量子力学是研究微观粒子运动规律的一种基本理论，它是上个世纪二十年代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建立起来的.它不仅在进到物理学中占有及其重要的位置，而且还被广泛地应用到化学、电子学、计算机、天体物理等其他资料.

“量子”是在其“本身体积”内有一定的“质量(=结合能)、动量、能量(包括动能、位能、化学能、生物能等)”的“粒子”.一切物体(包括从各种原子、分子到星体、黑洞)都有一定的“质量、动量、能量”，与其它物体的作用都可看作其质量集中于其质量中心“点”，有一定时空或空间长度(位置、距离)，的“量子”.一切带(正或负)电的物体都有相应的电荷量(可按量纲分析表达为相应的质量)、动量、能量，与其它带电物体的作用都可看作其电荷量集中于其电荷量，中心“点”，有一定时空或空间长度(位置、距离)，的“量子”.一切电中性物体都是由等量的正、负电荷彼此中和的结果.它们内还可包含各种“微观量子”(包括各基本粒子、原子、分子等等).特别是随着各种情况、条件的不同和变化，还会产生各种“不同特性”和相应“不同”的“量子”，均需具体分析、论证、区分.

20世纪量子科学的发展，可分为三个不同性质的时期.1、旧量子论时期（1900-1923年）.旧量子论是一种依附于经典物理学理论的大框架，加上一些与经典科学基本理念难以相容的量子化假设，结合而成的一种“另类”性质的知识.旧量子论可以解释原来无法解释的四个问题：黑体辐射问题、光电效应问题、原子的线状光谱和原子结构问题、固体在低温下的比热问题.2、现行量子力学理论的创建时期（1923-1930年）.1923年玻恩最早提出了要建立一种他称之为量子力学的理论体系来取代旧量子论，1925年7月他的助手海森伯以一篇题为《关于运动学和动力学量子论的重新解释》的论文，首先取得了成功.玻恩-海森伯的量子力学理论，当时被称为矩阵力学.半年后薛定谔又独立创建了另一种称之为波动力学的量子力学理论.玻恩-海森伯和薛定谔的理论，引起了物理学界的极大关注，质疑和争论纷起，一时间在学术界出现了一个百花齐放、百家争鸣的局面.经过1927年和1930年两次索尔维会议，学术界取得了基本共识.以狄拉克著的《量子力学原理》出版为标志，现行量子力学有了自己独立的理论体系.3、后量子力学时期：爱因斯坦和玻尔都不认为狄拉克所整合的理论体系是自己科学理念的完全胜利.1935年爱因斯坦针对玻尔的量子力学理念，提出了EPR争议.这以后到上世纪末，量子力学的一切争论，都是围绕EPR争议展开的，但并无实质性的结论.

按量子力学的观点，在各个物理量中也不承认有无限，所有的量，包括能量、质量、位移都是量子化的，一份一份的，只不过当量化很小时，从宏观看来，才是连续的.实际的物理世界中也不存在着无穷大，能量和质量都是有限的，当然也不存在无穷小，比如电流的积分是电荷，而电荷在微观世界来看也是一个一个的电子.一个物体的长度实际上是它的所有的原子排列的长度，一到非常小的时候性质就变了，更不用说无穷小了.但是无穷的概念，极限的概念对于解决科学问题和工程问题也还是非常有用的抽象，这抽象实际上是将非常小抽象成无穷小，将非常大抽象成无穷大,经过这样的抽象后得到的一些数学模型有简洁的形式.

线性是指量与量之间按比例成直线的关系，体现为一阶导数是常数的函数.换句话说，线性代数是处理线性关系问题；线性关系是数学对象之间的关系是以一次形式来表达的.例如在解析几何里，平面上直线的方程是二元一次方程.空间平面的方程是三元一次方程；而空间直线视为两个平面相交，由两个三元一次方程所组成的方程组来表示.总之，含有n个未知量的一次方程就称为线性方程；而关于变量是一次的函数就称为线性函数.所谓线性，其数学关系是：+,其中表达线性算子（线性映射）.值得注意的是，代数是指用符号代替元素及运算；而方程中的x，y，可能是实数或函数；f可能是多项式或微分等，都可抽象成一个记号（一类矩阵）.每一个线性空间都有一个基.对一个n行n列的非零矩阵（A），如果存在一个矩阵（B），有，AB=BA=E，（其中，E是单位矩阵）；则A为非奇异矩阵（或可逆矩阵），则矩阵（B）是矩阵（A）的逆阵.从量子力学来看，根据量子三维常数理论，（物理学量）与（物理学量）的量纲必须完全相同，而（物理学量）的相位与（物理学量）的相位可以不同.则可表达为：+,其中表达线性算子（线性映射）.总之，量纲完全相同（相位可以不同）的物理学量之间的运算可用线性代数方程表达.换句话说，线性代数方程可揭示量纲完全相同（相位可以不同）的物理学量之间的联系.

线性理论是研究线性系统的理论，主要包括：牛顿经典力学、爱因斯坦的相对论和量子力学理论等，它有成熟的数学工具，如线性方程、曲线以及微积分等数学方法.所谓线性，是指量与量之间的关系用直角坐标系形象地表示出来时是一条直线.在数学上，主要通过对算子的描述来讨论系统的线性与否.如果算子Y满足：

其中，α为常数，u、v为任意函数，则称算子为线性算子，否则称为非线性算子.线性系统中部分之和等于整体，描述线性系统的方程遵从叠加原理，即方程的不同解加起来仍然是方程的解.

量子力学的建立和发展是继相对论之后对古典物理学的又一次严重的打击，它对物理学乃至整个自然科学所产生的冲击比相对论更为猛烈，它使得人类对自然界的认识由宏观领域深入到微观领域.相对论提供了新的时空观，而量子力学则向人们提供了一种新的关于自然界的表达方法和思考方法.量子力学的一系列基本概念，如波粒二象性、物理量的不可对易性、测不准关系以及互补性等等，都同传统的概念框架格格不入，这在哲学思想领域也引起了一次巨大的振动.由于量子力学成功的揭示了微观物质世界的基本规律，它的创立极大的加速了原子物理学和固态物理学的发展，为核物理学和（基本）粒子物理学准备了理论基础，而且通过化学键理论（1927）为众多化学规律提供了物理理论基础；同时，对分子生物学的产生也具有启迪作用，使生物学逐渐出现新的面貌.因此量子物理学可以说是20世纪最多产的科学理论.量子力学建立的前后十年（1923－1932）是物理学的黄金时代，它是历时30年的物理学革命的第三个也是最引人注目的高潮.每一个群元都对应一个线性变换；每一个线性变换也可表达一个好的矩阵；这意味着，一个抽象群可用一组矩阵对应起来，并且这类对应是同态的（可运算）.也就是说，群的结构可通过矩阵结构表达出来；体现了量子力学与线性代数的等价性.

量子力学的创立揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学和半导体物理学的发展奠定了理论基础.量子能带理论的建立，使人们对半导体的性能有了认识，导致了晶体管和大规模集成电路的产生，引导了20世纪微电子技术、激光技术、通信技术等现代高新技术的空前发展.同时，也为超导电性的研究、液晶研究和介观物理研究打开了一扇大门.相对论和量子论，不仅是现代物理学而且也是整个自然科学的两大基石.玻尔、爱因斯坦、普朗克被称为量子论的三大教父之一，是量子论最主要的奠基人.量子科技是现代社会的基石，量子理论已有100多年的历史，它的发展触发了“第一次量子革命”.当前，“第二次量子革命”正在蓬勃兴起，量子信息技术成为全世界瞩目的新兴战略技术焦点.未来十年将是量子计算等量子信息核心技术发展的关键时期.近年来，我国在量子科技领域战略布局和优势培育等方面取得了一系列重要进展，期待我们能在量子信息领域进一步面向国家战略急需和国际科技前沿，加强引导，推动全国量子领域科技力量的协同，紧密合作、集智攻关，促进我国量子信息领域基础研究和应用研发不断取得新突破.

目前科技界主要的分歧有三：1、量子是微观世界物质的实体，还是科学家对自然界某一类物理性质理解的表述用词，属于意识领域的范畴.这二者是有区别的.例如氢原子中的电子，大家都认为它是一个粒子形式的实物.但也有人认为氢原子中有两种不同性质的电子，一种其行为服从经典力学的运动规律，另一种则是具有“定态跃迁”秉性的也称之为电子的量子.2、由于对量子概念认识上存在分歧，随之而来的就出现了“量子化”是谁“化”谁的观点分歧.有些人认为量子化就是将尚未充分认识其性质的“量子客体”用已有的科学理论去“化一化”，使之其行为可纳入已知科学知识的范畴之内.有些人则认为这种观点极为不当，是把物质与意识的关系颠倒了.3、量子力学的研究对象是什么？许多人想当然认为量子力学的研究对象当然是“量子”.但如果量子和量子化的概念模糊不清，争论不息，那么量子力学的研究对象也必然难以清晰.这是许多人感到量子力学奥秘多多的一个主要原因.所以，“量子”、“量子化”究竟是什么？本身也是一个奥秘，但它不是自然界的奥秘，而是人的因素，是人们科学认识论中的模糊.量子、量子化和量子力学三者关系是：1、量子并不是一种像电子、光子那样的实物粒子，而是物理学家理解原子领域自然现象的一种理念；这种理念因人而异，爱因斯坦称之为“物理实在”，玻尔称之为“量子客体”.他们都不喜欢用“物质”这个名词.2、“量子化”是对已经深信不疑的经典科学的某些理论观念进行适当修正，使之能适用于描述量子领域的问题，即量子化的对象是经典力学理论.3、量子力学就是如何引入某些“量子假设”对经典力学理论进行“量子化”改造，使之能适用于“量子”领域的力学问题的一门学科.

米利坎（Millikan）在1935年撰写有关电子的文章时说：“我们知道，有最小的物质参与了化学反应，我们将该物质命名为原子，将原子的内部完全留给未来.同样地，电子被定义为电解中发现的最小电量，因此没有说或现在没有关于其必要的终极性的信息，但是我们的实验表明，该电量能够隔离，并且所有svhich能够调查的各种费用都是其确切倍数.”密立根提出了一个问题：“电子本身可以被整除吗？”讨论了主要由埃伦哈夫特（Ehrenhaft）从1914年开始提出的肯定支持，只是从对实验证据的分析得出的结论是：“到现在为止，还没有证据表明亚电子的存在”.

著名物理学家卢鹤绂(1914—1997)先生说：“物理学就是为概括和贯穿在自然界实践中观察测量得到的巨量经验事实，而发明创造出来的合乎逻辑的科学语言，其中包括数学语言.人们利用这种语言能够把初看起来很复杂，并好像是互无关联的自然现象贯穿起来，表达出其间的内在联系.”爱因斯坦说：“人们不止一次地提出过这样的意见，认为自然规律未必能用微分方程来描述.事实上，从量子论的观点来看，是否容许体系有这种状态呢？为了有可能回答这个问题，我们应当认为，体系运动的周期，全都只能按照量子规则形成.为了真正证明［按：即从公理出发演绎推导出］量子关系，显然需要——新的数学语言.无论如何，用微分方程组和积分条件来记录自然规律，正如我们今天所做的那样，是同合理的想法矛盾的.理论物理学的基础重新受到震撼.实验要求我们能够在新的更高的水平上找到描述自然规律的方法.新思想要到什么时候才会出现呢？谁要是能够活到那个时候并且能够看到这一点，那该是多么幸福啊.”

大家知道，当今微积分理论的基础是实数理论.实数是有理数和无理数的总称.19世纪戴德金利用他提出的分割理论，从对有理数集的分割给出了实数的定义.实数定义为与数轴上的点一一对应的数，其要求所有的实数（点）的集合构成直线或数轴，这就偷换了点与线的概念，由此定义的实数以及连续统假设不成立.罗素悖论就是因为把元素（线段）之间的分界（点）当作元素造成的.实数与欧几里得几何学的《原本》中的公设ⅰ——“从任一点到［另］任一点作直线［是可能的］”也是同出一辙.所以，实数不是从实验观察得来的，而是纯思辨得来的（俗称空想得来的，《辞海》：“思辨哲学　——试图从概念中推出实在，使客观宇宙的发展服从于人的思维构造出来的一般法则的哲学.”）.这显然是同爱因斯坦所谓“我们在寻求一个能把观察到的事实联结在一起的思想体系”的想法矛盾的，当然致使理论物理学的基础重新受到震撼.我们观察到的事实是：点为线之界，点可以依附于线运动.

著名数学家华罗庚在《数学的用场与发展》一文中说：“对宇宙的认识还将有多么大的进展，我不知道，但可以说，每一步都是离不开数学这个［形式语言］工具的.”又：“是否有一个统一的处理方法，把宏观世界和微观世界统一在一个理论之中，把四种作用力统一在一个理论之中，这是物理学家当前的重大问题之一.不管将来他们怎样解决这个问题，但是在处理这些问题的数学方法必须统一.必须有一套既可以解释宏观世界又可以解释微观世界的数学工具.数学一定和物理学刚开始的时候一样，是物理学的助手和工具.在这样的大问题的解决过程中，也可能同牛顿同时发展天体力学和发明微积分那样促进数学的新分支的创造和形成.”

物理学的研究对象是实在物体的结构、状态和变化规律，数学的研究对象是抽象事物的数量、结构和相互关系.物理学的公理化需要数学，但数学不是物理学.物理学公理化不仅需要满足相容性、独立性和完备性这些数学条件，还必须满足客观性这个物理学条件.公理化理论中的结论是前提的同义反复，物理理论的适用范围受到基本公设的严重限制.例如物质的质点假设束缚了经典物理学，波粒二象性假设困扰了现代物理学，它们的局限性不是凭借复杂的数学工具能够突破的.弹性粒子是符合客观性条件的经典概念，基于该公设采用的数学工具简单直观、精准实用.

科学研究中的物理直觉往往是新数学的向导.例如量子论诠释的困惑与物理测量这个基础问题密切相关，能够意识到测量单位的主观本性是一种物理直觉.进一步将测量单位视为可变因子，就引导到真实量数学这个关键概念.真实量是标度因子和数字因子的乘积，引进真实量的目的是将测量单位纳入数学运算体系，从而建立一个全面量子化的物理理论.从另一个角度看，每个物理量都伴随着一个标度（能量有三个独立的标度），相当于在抽象的高维数学空间描述现实的低维物理问题，这就大大扩展了理论研究的自由度.例如，真实量数学中的线段是1+1维，标度维是rs；面积是2+1维，标度维是(rs)2；体积是3+1维，标度维是(rs)3.由于标度维相互并不独立，真实量数学空间具有非线性特征.在标度协变性条件约束下，标度维的引入为物理学理论提供了一种非线性分析方法和研究范式.