量子物理学的发展及其特点 [复制链接]

第5版()
专栏：

量子物理学的发展及其特点
周奇
量子物理学是在二十世纪初叶形成和发展起来的。它所研究的对象是微观世界客体（电子、原子、分子等）的运动规律及其性质，是我们目前认识物质微观结构的理论基础。
在十九世纪末以前，通过总结有关研究宏观物体的性质、它们的相互作用以及在空间内的位置移动等的大量实验资料，建立了一套理论，称为经典物理学。经典物理学在当时已经达到了比较高的程度，应用它的概念能够说明自然界的大量现象。因此在当时一部分物理学家中曾经形成一种印象，认为物理学已发展到了最完善的阶段，今后的工作只不过是根据经典物理学的概念去解释新发现的各种现象而已。牛顿力学在当时被抬高到了绝对真理的地位。但是在十九世纪末和二十世纪初，由于实验技术的发展，物理学的研究领域开始从宏观世界逐渐深入到微观世界，在实验上发现了许多新的现象，例如光电效应、电子、X射线和放射性等等，利用经典物理学的概念完全无法解释，由此暴露了经典物理学基本原理的严重局限性。这些局限性表现在：第一，对热物体电磁辐射（光辐射、热辐射）进行的实验和理论研究，证明了经典物理学不能解释实验上所观察到的辐射谱，甚至在最简单的绝对黑体辐射的情况下，也是如此。第二，按照经典理论，电子围绕原子核转动时应放射出电磁波，电子由于辐射而损失能量，最后应落到原子核内，但这和原子的稳定性相矛盾。第三，应用经典物理学理论说明原子和分子的性质，也都得到和实验不符合的结果。经典理论也不能解释原子的辐射谱和吸收谱的分立性质。第四，曾经有人企图发现以太的运动或物体相对以太的运动，但都得到否定结果。于是，爱因斯坦在一九○五年创立了狭义相对论。
这些事实证明，经典物理学只能描述低速的宏观物理现象，而不能描述低速或高速的微观物理现象。经典物理学包含有相对真理的内容，但是有很大的局限性。因此有必要建立新的理论来解释实验上所发现的新事实。
一九○○年德国物理学家普朗克为了克服应用经典理论解释黑体辐射所遇到的困难，曾提出了一个大胆的假设。他认为，辐射过程是量子性质的，即能量的辐射和吸收是一份一份的，这一份一份的能量称为能量子，而并不象经典的电动力学和电子论所假定的那样，辐射的发射和吸收是连续的过程。普朗克根据这个假设得到的绝对黑体辐射公式和实验结果很好地符合。现在这个关系式已成为近代物理学的基础之一。这就是最初的量子论，它标志着量子物理学的开端。
后来爱因斯坦把普朗克的概念进一步加以发展，指出能量的不连续性反映着电磁辐射的粒子结构，提出了光量子即光子的概念。他认为不但辐射的发射和吸收是通过一个个量子进行的，而且辐射的传播也保持着量子性质，即辐射波场可以分成一个个元波场，它们彼此独立地与物质相互作用。爱因斯坦曾利用这一量子概念成功地解释了光电现象、固体的热容量、光化学作用等。以后还解释了其他一些现象。
量子论虽取得了这些成就，但是，它在解释许多实验事实时仍然遇到了严重困难。它仍然不能解释物理学发展过程中所提出的许多原则性问题、实验上所发现的越来越多的新现象。实验工作的发展，要求提出更完善的理论。
一九一一年英国物理学家卢瑟福发现了原子的有核结构，原子是由一个带正电荷的小而重的核和一个或几个绕核运动的核外电子组成的。一九一三年丹麦物理学家玻尔曾用经典物理学规律，加上普朗克提出的量子概念来阐明这种原子结构，创立了关于原子结构的初步量子理论，这是量子论的进一步发展。
玻尔理论在某种程度上反映了微观粒子运动的个别重要规律，但它毕竟不是描述原子结构的彻底理论。首先，这一理论本身仍以经典概念为基础，只不过加上了一些反映微观粒子运动具有量子特性的量子条件。其次，这一理论只能解释只有一个电子的最简单原子——氢原子或类氢原子的谱线频率，而不能说明谱线的强度和偏振。应用到说明具有两个电子的氦原子光谱时，理论结果和实验事实也是完全不相符合的。所有这些都说明，玻尔理论只是从经典理论过渡到物质结构量子理论的过渡阶段。当前玻尔理论已被量子力学所取代，但它的部分成就在历史上起过重大作用，促进了量子物理学的向前发展。
一九二六年至一九二七年间，通过玻尔、海森堡、薛定谔、德布罗衣、狄拉克和其他人的研究，建立了一种严格的关于原子过程的理论，称为量子力学。量子力学的创立是科学史上最卓越的新成就之一。目前，它已成为研究原子过程的性质和掌握这些性质的重要武器。实验证明，在原子过程的广大范围内，量子力学的结论正确地反映了微观世界的客观规律。现代的量子力学理论，是了解低速微观物理现象的理论，它能说明经典物理学无法解释的许多微观物理现象，而经典物理不过是它的一个特殊情况。
在微观世界中，由于空间和时间的尺度缩小了几万万倍，这一量变显示出了深刻的质变，因此，微观世界的物理现象和我们日常所习惯了的宏观世界的物理现象有本质的不同。我们不能搬用从宏观世界得来的概念和规律去理解和描述微观世界的物理现象，这是十分自然的事情。微观世界的根本特点，归纳起来有以下各点：
第一，微观客体具有粒子一波动二象性。实验上发现，微观客体，不论是电子、光子、原子核、原子或分子等都既具有粒子性，又具有波动性。微观粒子具有粒子一波动二象性，从经典物理学的观点是无法理解的，因为经典物理理论不能反映微观客体的二象性。只有应用量子力学的概念，才能把微观客体的粒子性和波动性统一起来描述。这说明了量子物理学是比经典物理学更深入的理论。
第二，微观世界是不连续和突变的。我们知道，宏观世界的一切物理量或物理过程都是连续变化的。例如，能量、动量、质量、电流、电荷、电场强度、磁场强度和力等等，都可以取连续变化的任何数值，并且只能连续地变化，而不能作不连续的突变。经典物理学从来所处理的也都是连续变化的物理量和物理过程。因此，在经典物理学中不存在不连续的概念，不存在突变的概念。但是，微观世界的情况截然不同，在微观世界中，不连续性代替了连续性。微观世界的物理量常常可以取不连续的数值，而且这点表现得最为普遍和突出。例如，原子光谱是由许多分立的谱线组成。原子的能级也是分立性质的，只能取不连续的数值。微观世界的电荷只能以电子的电荷为单位作不连续的变化，没有半个电子的电荷。角动量在任何方向的分量只能不连续地变化。电子、光子、质子、原子……，也都是一个一个的，没有半个电子、半个光子、半个质子，半个原子……等。与此相应，微观物理系统的状态也是分立性质的，许多物理状态只能作不连续的变化。所有这些现象，从经典物理学的观点，也是无法解释的。量子力学考虑了微观世界的这种不连续性和突变性，因此只有利用量子力学中引入的概念，才能够很好地解释这些奇异现象。
第三，微观世界的物理规律是统计性的。微观客体具有波动性，并不是说微观客体能够象实际的波一样无限扩展。所谓波动性指的是这种统计性表现的一个方面。我们知道，经典物理学的运动规律是机械决定论的规律。只要知道了一个物理系统的初始状态，就可以完全确定它以后的状态；初始状态相同的物理系统，其发展的过程也完全相同。但微观世界不存在这种机械决定论的物理规律，即使知道了微观客体的初始状态，也无法确定它以后的状态。我们不能把微观客体看成是沿一定轨道运动的质点，轨道的概念已完全失去意义；也不能把宏观领域的运动规律机械地搬用到微观领域。微观客体的运动遵从一种统计性规律，即是处于相同起始状态的微观物理系统，往往有不同的发展过程，但是取不同发展过程的几率分布则是完全确定的。在量子力学中，采用波函数来描述微观粒子的运动状态，它反映微观粒子运动规律的统计性质，它给出微观物理系统处于不同状态的几率分布。各微观物理系统的发展过程虽然不同，但波函数随时间变化的规律则是决定论性的，它满足一个称为薛定谔方程的数学方程。这个方程类似于确定宏观物体运动的牛顿方程，能够完全确定微观物理系统的运动过程。其他物理量的数值都可以通过对波函数进行一定的运算而得出来。
第四，测不准关系。与宏观世界中物体在任何时刻都可以同时具有完全确定的坐标和动量不同，在微观世界中，任何微观客体都不能同时具有完全确定的坐标和完全确定的动量。这种不确定性是微观客体所固有的，无论我们怎样改进技术，提高测量的精确度，都不能改变。把这种不确定性的本质包括在内，是量子物理学最突出的特点之一。根据理论，粒子坐标的不确定量和粒子动量的不确定量两者的乘积，必须大于一个物理常数h，这种关系称为测不准关系，它是量子力学的重要原理之一。根据这个关系，绝对静止就是不存在的，因为如果粒子的坐标是完全确定的，则坐标的不确定量等于零，粒子是完全静止的，但这时粒子动量的不确定量变成无穷大，也即是粒子的动量是完全不确定的，可以取无穷大的数值。一面说粒子是完全静止的，但它又在迅速运动，这显然是矛盾的。因此，在微观世界中一切微观客体都是在不息地运动，甚至在绝对零度下，物体内的分子也仍在平衡位置附近不息地作着零点振动，电子、中子、质子等等也在不息地运动，绝对静止是不存在的。
第五，粒子的全同性。微观世界的另一特点是同一种粒子是全同的，亦即同一种粒子之间是不可区分的，它们的相互交换不会造成任何可观察到的变化。粒子的全同性，指的是同一种粒子的电荷、质量和自旋等在任何情况下都是相同的，利用这种特性，可以解释某些物体的物理性质。但这并不是说粒子一般是不能改变的，例如电子与正电子相互作用时两粒子消失，产生两个光子，这时粒子的电荷、质量和自旋都发生了改变，但是这种改变一般是跳跃式的，也即是只能取分立的数值，而不能连续地变化。目前把基本粒子的全同性看成是一种经验事实。因为同一种粒子是全同的，所以对于任何相互作用的结果，其几率都应该完全均等，也即是说，某一相互作用结果的几率，对系统内的同一种粒子都是相同的。上面说过，在量子力学中采用波函数描述微观物理系统的状态，粒子的全同性给波函数带来一定的特性，即对全同粒子参加的一切过程，波函数都导致这些过程有相等的几率。
现有的基本粒子可以分成两大类，对其中一类粒子，例如电子、正电子、质子、中子、μ介子等，波函数总是反对称的；另一类粒子，例如光子、π介子等，波函数总是对称的，波函数的这种根本差别反映了这些粒子性质的差别。例如反对称粒子遵从所谓泡利原理，即不能同时有二个或二个以上的粒子处于同一状态内，因而原子内的电子分布于不同的轨道上。而对称粒子则不存在这样的限制。这也是微观世界的重要特征之一，只有量子力学才能描述它。
量子物理学和经典物理学理论一样，是随着实验研究的发展而形成的。从本世纪初研究黑体辐射问题开始，以后推广到光电现象，最后推广到原子系统。目前，量子力学已成为研究和掌握微观世界运动规律的强有力武器，并大大地推动了许多学科的向前发展。许多学科采用了量子力学的工具，才有了进一步发展，才取得了重大成就，例如，原子物理学、分子物理学、固体物理学、半导体理论、原子核理论、超导电理论等等。量子力学在化学、电子学和其他许多近代科学技术中也得到日益广泛的应用。它也是目前飞跃发展的光量子放大器的理论基础。
量子力学虽有了上述的许多重大成就，但随着实验研究深入到微观高速现象领域，也逐渐地暴露了它的局限性。量子力学不能用来处理速度接近于光速的物理现象，也不能用来处理基本粒子的产生、消失和相互转化的问题。这说明了，我们的认识是相对的，是逐步深入的。量子力学一般只能用来描述低速的微观物理现象，对于描述高速的微观物理现象，必须把它推广到满足相对论的要求，由此逐渐建立了现代的量子场论。有关这方面的研究，目前正在深入进行中。
以上我们扼要地介绍了微观世界的特点，也就是量子物理学中的一些基本概念。这些概念，能够说明原子、分子范围内的广大现象，分析物质结构与其物理性质的关系。因此，量子物理学是我们目前认识物质微观结构的理论基础。