1.量子力学基础的困难.docx

量子力学基础的困难

量子力学在当代科学发展中既是成功的、也是神秘的.其成功之处在于，它以独特的形式体系与特有的算法规则，对原子物理学、化学、固体物理学等学科中的许多物理效应和物理现象作出了说明与预言，已经成为科学家认识与描述微观现象的一种普遍有效的概念与语言工具，同时也是日新月异的信息技术革命的理论基础；其神秘之处在于，与其形式体系的这种普遍应用的有效性恰好相反，量子物理学家在表述、传播和交流他们对量子理论的基本概念的意义的理解时，至今仍未达成共识（特别是出现了不少诡异性解释）.量子物理学家在理解和解释量子力学的基本概念的过程中所存在的分歧，不是关于原子世界是否具有本体论地位的分歧，而是能否仍然像经典物理学理论那样，把量子理论理解成是对客观存在的原子世界的正确描述之间的分歧.李政道教授:“二十一世纪物理学的挑战是：夸克禁闭，对称和对称破缺”.量子力学的创立者之一薛定谔（E.Schrodinger，1932年诺贝尔奖)就说过：“我们从来没有做过单个原子或者粒子的实验，尽管我们在理论和实验中有时假设能够这么做，可结果总是荒谬的.”几乎没有一位物理学家真正对量子理论完全满意，但经过1个多世纪的时间，他们已经可以高效地利用该理论进行科学研究.物理学家现在例行公事地使用数学方法研究量子行为并给出准确度惊人的推算，包括分子结构、高能粒子碰撞、半导体行为、发射光谱分析等.

1.海森伯不确定原理及其困难

旅美华裔物理学家沈志远提出海森伯不确定原理是普遍适用的吗？海森伯不确定原理：一对共轭物理量（如位移x和相应之动量px）必须遵从不等式ΔxΔpx≥h/4π，其中h是普朗克常量，π是圆周率，Δ表示增量.空间尺度Δx缩小，动量Δpx相应增大，能量也随之增大.Δx缩小到原子尺度（10-10米），相应的能量是化学能；Δx缩小到原子核尺度（10-15米），相应的能量是核能.但是再往下推，空间尺度缩小到普朗克长度（10-35米），相应的能量比核能还要大一万亿亿（10²⁰）倍！极言之，当Δx趋向零，Δpx趋向无穷大，相应的能量趋向无穷大.在无穷小的空间中蕴藏着无穷大的能量！这是海森伯不确定原理的必然结果，海森伯不确定原理是普遍适用的吗？量子力学中的“能量不守恒”是指根据“不确定关系”，delta(t)>>*delta(E)大于等于h/2*pi，即两个相关的（表现为其算符不对易）的不确定程度的乘积必须不小于某个常数，那么在一个足够小的时间内，能量E的不确定程度可能比较大.但从长时间看来，能量是守恒的.从上述不确定关系也可以看出来，当时间稍微长以后，能量的不确定度~0，所以能量是守恒的.量子力学指出，即便是在绝对零度，微观粒子也还具有0.5hν的零点能，在作零点振动，达不到绝对静止.从量子场论的观点来看，可以认为真空是最低的能态，是没有任何场粒子被激发的状态，真空中的electriccharge为零.如果有足够的能量作用在真空上，就能激发出各种粒子.从负电子的理论得出，电子除了在原子中运动的量子态以外，应该有无限多个属于纯粹真空的“负量子态”.当俄勒冈州波特兰大学物理学家MaximilianSchlosshauer提到不确定性原理时，他说：“我们可以依靠这种抽象的存在来追寻这个世界，波动函数描述了概率在系统中的不同状态；有关量子理论的所有其他数学工具都能在教科书中被找到.”

2.量子电动力学及其量子场论的困难

原子物理学的最终目标是得到合适的初始方程，由此推演出整个原子物理学.我们距此还很远，向这个目标迈进的第一步是完成低能物理学理论，这就是量子电动力学，然后推广到越来越高的能量.但是目前的量子电动力学不能适应数学美的高标准，我们期望基本物理理论有这种数学美.目前的量子电动力学还使人觉得，仍然需要在基本思想上有激烈的变革.^【1】这说明Dirac已经认识到原子物理学目前的基础存在着重大的问题.参与弱相互作用的W+、W-和Z粒子，都是有质量的玻色子.因为有质量的玻色子，都是短程力的媒介粒子，不需要很稳定.粒子的稳定性当然是有弱相互作用控制的.但根本是由微观本性所决定的.粒子质量平均值附近的分布宽度Г越大．粒子的平均寿命越短，越不稳定.已发现的粒子中绝大多数的宽度小于400MeV．最宽的粒子是Z粒子，其宽度为2.490GeV．实验到了人体触及不到的微观领域（或宇观世界），更多地受到理论指导，带有许多猜测和想象成份，众多实验数据是间接测量的和某些公式结合计算得到的.表面上看实验似乎是实验设备测量的结果，其实不然，其中包含许多先入之见和想象因素，而且还受到实验设计能动性所支配，不一定真正反映客观的主观成份相当大.设计本身就带有巨大能动性，不少花了巨大投资的庞大实验设备，能够做的实验又寥寥无几，远不如在应用中验证理论，应用至少具有为人类需要服务的功能，还具有理论验证功能.许多应用项目也是在理论指导下充分发挥人的能动性来设计的.

在分子领域场论是失败的，各方面都认为，现在唯一可作量子理论基础的原理应是一种能把场论翻译成统计学形式的原理.但这种理论是否实际上能以一种满意的方式得出来，没人敢下结论.粒子物理，天体物理和宇宙学目前正处于一个交叉融合的发展时期.目前有很多相关实验正在进行或准备之中，特别是阿尔法磁谱仪（AMS）.已有实验结果提出了很多具有挑战性的问题，包括：超高能宇宙线的起源、伽玛射线爆发的机制、暗物质问题、宇宙常数和暗能量问题.对这些问题研究的进展和突破，都是对基本粒子和宇宙学的进一步认识，很可能会与更深层次的新物理相联系，甚至导致新的物理理论的出现.在量子场论中，每一种基本粒子用一种场来描写，粒子间的相互作用就可以看作是场的运动和相互作用，可是目前已经发现的基本粒子不计入激发态也已达几十种，它们之间的相互作用又是形形色色，因此量子场论不是一个统一的基本粒子理论，它不能反映出基本粒子间的相互作用和转化所说明的物质统一性.

1947年，英国物理学家罗彻斯特和巴特勒，发现的“V粒子”，后被归入K(K子)介子一类，共有4种：带正电的K子、带负电的反K子、中性的K子，以及中性的反K子；后又被称为超子、重子，数量已超过百种，被称为“共振粒子”；它们类似以族的形式存在.1961年，美国物理学家盖尔曼和以色列的尼曼各自独立地提出了彼此极其相似的方案，来构成这些粒子族.为了建立一种粒子族的配置方案，盖尔曼需要与8种不同的性质打交道，他把自己的体系称为“八重法”，创造了一个由10个粒子组成的粒子族.他设想有一个三角形，其底部有4个物体，在它上面是3个物体，再上面是２个物体，在顶端是唯一的1个物体.底部的4个物体是相互有关的Δ粒子，每一个都比质子重30%左右，它们之间的主要差异在于电荷.这4种Δ粒子所具有的电荷分别为-1、0、+1和+2；在它们之上的3个∑粒子，它们比Δ粒子更重，带有电荷-1、0以及+1；再上面是两个Ξ粒子，它们比∑粒子更重，所带的电荷是-1和0；最后，在这个三角形的顶端是一个最重电荷为-1的粒子，盖尔曼称最后这一种粒子为负Ω粒子，并且这种粒子又带一个负电荷.盖尔曼发现在这个图形中规律性很强：质量越来越大，粒子数则越来越少；电荷的排列方式同样也很有规律：底层是-1、0、+1、+２，然后是-1、0、+1，再上面一层是-1、0，最后是顶部的-1.

物质的结构问题：对于原子核结构的研究，提出了球壳式结构、液滴结构、嵌套结构、多层结构、点阵结构等多种模型；对于质子、中子、电子结构的研究，提出了夸克结构、实体结构、螺旋形结构等；对于质子、中子、电场的结构研究还提出了统一的电子论或光子论.在高能领域中，已经不能严格区分场和粒子.当粒子能量的改变接近或超过它的静止能量时，粒子间的相互转化也就产生了.爱因斯坦认为：实物与场的区别不是定性问题，而是定量问题.在量子场论中，代表真空的状态就是能量最低的状态，存在一个真空能量密度ρν，所以真空能量是一种量子效应.因此能量可以称为世界上一切变化的基本原因.在量子理论中，根据不确定性原理粒子可以从粒子/反粒子对的形式由能量中创生出来，因此量子真空完全不同于“真空”，场的值必须有一定的最小不准确量或量子起伏.人们可以将这些起伏理解为光或引力的粒子对，它们在某一时刻同时出现、互相离开，然后又互相靠近而且互相湮灭.这些粒子正如同携带太阳引力的中微子.因为能量不能无中生有，所以粒子反粒子对中的一个参与者有正的能量，而另一个有负的能量.由于在正常情况下实粒子总是具有正能量，所以具有负能量的粒子注定是短命的虚粒子，它必须找到伴侣并与之湮灭.

参考文献

【1】Dirac著，曹南燕译.《自然科学哲学问题》—理论物理学的方法.1982年第4期.