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量子物理

量子物理
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別名	量子力學
知名於	與相對論一起構成現代物理學的理論基礎
知名作品	《上帝擲盒子嗎》

量子物理（量子力學 Quantum Physics），是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論它與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是現代物理學的基礎理論之一，而且在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用 [1] 。

20世紀，量子力學給我們提供了一個物質和場的理論，它改變了我們的世界；展望21世紀，量子力學將繼續為所有的科學提供基本的觀念和重要的工具。

基本信息

中文名	量子物理	學   科	數理科學
外文名	Quantum Physics	領   域	物理
別名	量子力學	地   位	現代物理學的基礎理論之一	提出時間	1900年	代表作品	《上帝擲盒子嗎》

量子論

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舊量子論

量子革命的導火線不是對物質的研究，而是輻射問題。具體的挑戰是理解黑體（即某種熱的物體）輻射的光譜。烤過火的人都很熟悉這樣一種現象：熱的物體發光，越熱發出的光越明亮。光譜的範圍很廣，當溫度升高時，光譜的峰值從紅線向黃線移動，然後又向藍線移動（這些不是我們能直接看見的）。

結合熱力學和電磁學的概念似乎可以對光譜的形狀作出解釋，不過所有的嘗試均以失敗告終。然而，普朗克假定振動電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一個表達式，與實驗符合得相當完美。但是他也充分認識到，理論本身是很荒唐的，就像他後來所說的那樣：「量子化只不過是一個走投無路的做法」。

普朗克將他的量子假設應用到輻射體表面振子的能量上，如果沒有新秀阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein），量子物理恐怕要至此結束。1905年，他毫不猶豫的斷定：如果振子的能量是量子化的，那麼產生光的電磁場的能量也應該是量子化的。儘管麥克斯韋理論以及一個多世紀的權威性實驗都表明光具有波動性，愛因斯坦的理論還是 蘊含了光的粒子性行為。隨後十多年的光電效應實驗顯示僅當光的能量到達一些離散的量值時才能被吸收，這些能量就像是被一個個粒子攜帶着一樣。

光的波粒二象性取決於你觀察問題的着眼點，這是始終貫穿於量子物理且令人頭痛的實例之一，它成為接下來20年中理論上的難題。輻射難題促成了通往量子理論的第一步，物質悖論則促成了第二步。接着，又是一個新秀尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）邁出了決定性的一步。

1913年，玻爾提出了一個激進的假設：原子中的電子只能處於包含基態在內的定態上，電子在兩個定態之間躍遷而改變它的能量，同時輻射出一定波長的光，光的波長取決於定態之間的能量差。結合已知的定律和這一離奇的假設，玻爾掃清了原子穩定性的問題。玻爾的理論充滿了矛盾，但是為氫原子光譜提供了定量的描述。他認識到他的模型的成功之處和缺陷。憑藉驚人的預見力，他聚集了一批物理學家創立了新的物理學。一代年輕的物理學家花了12年時間終於實現了他的夢想。

開始時，發展玻爾量子論（習慣上稱為舊量子論）的嘗試遭受了 一次又一次的失敗。接着一系列的進展完全改變了思想的進程。

新量子論

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1918年諾貝爾物理學獎得主馬克斯·普朗克（Max Planck）在1900年提出了普朗克輻射定律，量子論由此誕生。在他關於熱輻射的經典論文中，普朗克假定振動系統的總能量不能連續改變，而是以不連續的能量子形式從一個值跳到另一個值。能量子的概念太激進了，普朗克後來將它擱置下來。隨後，愛因斯坦在1905年（這一年對他來說是非凡的一年）認識到光量子化的潛在意義。不過 量子的觀念太離奇了，後來幾乎沒有根本性的進展。現代量子理論的創立則是嶄新的一代物理學家花了20多年時間的結晶。

在眾多的偉大的革命性進展中，量子力學提供了一種定量的物質理論。我們原則上可以理解原子結構的每一個細節；周期表也能簡單自然地加以解釋；巨額的光譜排列也納入了一個優雅的理論框架。量子力學為定量的理解分子，流體和固體，導體和半導體提供了便利。它能解釋諸如超流體和超導體等怪異現象，能解釋諸如中子星和玻色-愛因斯坦凝聚（在這種現象里氣體中所有原子的行為象一個單一的超大原子）等奇異的物質聚集形式。量子力學為所有的科學分支和每一項高技術提供了關鍵的工具。

量子物理實際上包含兩個方面。一個是原子層次的物質理論：量子力學；正是它我們才能理解和操縱物質世界。另一個是量子場論，它在科學中起到一個完全不同的作用，稍後我們再回到它上面來。

量子力學史

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1923年路易·德布羅意（Louis de Broglie）在他的博士論文中提出光的粒子行為與粒子的波動行為應該是對應存在的。他將粒子的波長和動量聯繫起來：動量越大，波長越短。這是一個引人入勝的想法，但沒有人知道粒子的波動性意味着什麼，也不知道它與原子結構有何聯繫。然而德布羅意的假設是一個重要的前奏，很多事情就要發生了。

1924年夏天，出現了又一個前湊。薩地揚德拉·N·玻色（Satyendra N. Bose）提出了一種全新的方法來解釋普朗克輻射定律。他把光看作一種無（靜）質量的粒子（現稱為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經典的玻耳茲曼統計規律，而遵循一種建立在粒子不可區分的性質（即全同性）上的一種新的統計理論。

愛因斯坦立即將玻色的推理應用於實際的有質量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數關於能量的分布規律，即著名的玻色-愛因斯坦分布 [3] 。然而，在通常情況下新老理論將預測到原子氣體相同的行為。愛因斯坦在這方面再無興趣，因此這些結果也被擱置了10多年。然而，它的關鍵思想——粒子的全同性，是極其重要的。突然，一系列事件紛至沓來，最後導致一場科學革命。從1925年元月到1928年元月：

沃爾夫剛·泡利（Wolfgang Pauli）提出了不相容原理，為周期表奠定了理論基礎。

韋納·海森堡（Werner Heisenberg）、馬克斯·玻恩（Max Born）和帕斯庫爾·約當（Pascual Jordan）提出了量子力學的第一個版本，矩陣力學。人們終於放棄了通過系統的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運動這一歷史目標。

埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）提出了量子力學的第二種形式，波動力學。在波動力學中，體系的狀態用薛定諤方程的解——波函數來描述。矩陣力學和波動力學貌似矛盾，實質上是等價的。

電子被證明遵循一種新的統計規律，費米-狄拉克統計。人們進一步認識到所有的粒子要麼遵循費米-狄拉克統計，要麼遵循玻色-愛因斯坦統計，這兩類粒子的基本屬性很不相同。 海森堡闡明測不準原理。

保爾·A·M·狄拉克（Paul A. M. Dirac）提出了相對論性的波動方程用來描述電子，解釋了電子的自旋並且預測了反物質。狄拉克提出電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎。玻爾提出互補原理（一個哲學原理），試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，特別是波粒二象性。

量子理論的創立人

量子理論的主要創立者都是年輕人。1925年，泡利25歲，海森堡和恩里克·費米（Enrico Fermi）24歲，狄拉克和約當23歲。薛定諤是一個大器晚成者，36歲。玻恩和玻爾年齡稍大一些，值得一提的是他們的貢獻大多是闡釋性的。愛因斯坦的反應反襯出量子力學這一智力成果深刻而激進的屬性：他拒絕自己發明的導致量子理論的許多關鍵的觀念，他關於玻色-愛因斯坦統計的論文是他對理論物理的最後一項貢獻，也是對物理學的最後一項重要貢獻。

創立量子力學需要新一代物理學家並不令人驚訝，開爾文爵士在祝賀玻爾1913年關於氫原子的論文的一封書信中表述了其中的原因。他說，玻爾的論文中有很多真理是他所不能理解的。開爾文認為基本的新物理學必將出自無拘無束的頭腦。1928年，革命結束，量子力學的基礎本質上已經建立好了。

Abraham Pais以軼事的方式記錄了這場以狂熱的節奏發生的革命。

1925年，Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck就提出了電子自旋的概念，玻爾對此深表懷疑。10月玻爾乘火車前往荷蘭的萊頓參加亨德里克·A·洛倫茲（Hendrik A. Lorentz）的50歲生日慶典，泡利在德國的漢堡碰到玻爾並探詢玻爾對電子自旋可能性的看法； 玻爾用他那著名的低調評價的語言回答說，自旋這一提議是「非常，非常有趣的」。

後來，愛因斯坦和Paul Ehrenfest在萊頓碰到了玻爾並討論了自旋。玻爾說明了自己的反對意見，但是愛因斯坦展示了自旋的一種方式並使玻爾成為自旋的支持者。在玻爾的返程中，遇到了更多的討論者。當火車經過德國的哥挺根時，海森堡和約當接站並詢問他的意見，泡利也特意從漢堡格趕到柏林接站。玻爾告訴他們自旋的發現是一重大進步。

量子力學要點

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波函數

系統的行為用薛定諤方程描述，方程的解稱為波函數。系統的完整信息用它的波函數表述，通過波函數可以計算任意可觀察量的可能值。在空間給定體積內找到一個電子的概率正比于波函數幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函數所在的體積內。粒子的動量依賴于波函數的斜率，波函數越陡，動量越大。斜率是變化的，因此動量也是分布的。這樣，有必要放棄位移和速度能確定到任意精度的經典圖象，而採納一種模糊的概率圖象，這也是量子力學的核心。

對於同樣一些系統進行同樣精心的測量不一定產生同一結果，相反，結果分散在波函數描述的範圍內，因此，電子特定的位置和動量沒有意義。這可由測不準原理表述如下：要使粒子位置測得精確，波函數必須是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此動量就分布在很大的範圍內；相反，若動量有很小的分布，波函數的斜率必很小，因而波函數分布於大範圍內，這樣粒子的位置就更加不確定了。

波的干涉

波相加還是相減取決於它們的相位，振幅同相時相加，反相時相減。當波沿着幾條路徑從波源到達接收器，比如光的雙縫干涉，一般會產生干涉圖樣。粒子遵循波動方程，必有類似的行為，如電子衍射。至此，類推似乎是合理的，除非要考察波的本性。波通常認為是媒質中的一種擾動，然而量子力學中沒有媒質，從某中意義上說根本就沒有波，波函數本質上只是我們對系統信息的一種陳述。

對稱性和全同性

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氦原子由兩個電子圍繞一個核運動而構成。氦原子的波函數描述了每一個電子的位置，然而沒有辦法區分哪個電子究竟是哪個電子，因此，電子交換後看不出體系有何變化，也就是說在給定位置找到電子的概率不變。由於概率依賴于波函數的幅值的平方，因而粒子交換後體系的波函數與原始波函數的關係只可能是下面的一種：要麼與原波函數相同，要麼改變符號，即乘以-1。到底取誰呢？

量子力學令人驚詫的一個發現是電子的波函數對於電子交換變號。其結果是戲劇性的，兩個電子處於相同的量子態，其波函數相反，因此總波函數為零，也就是說兩個電子處於同一狀態的概率為0，此即泡利不相容原理。所有半整數自旋的粒子（包括電子）都遵循這一原理，並稱為費米子。自旋為整數的粒子（包括光子）的波函數對於交換不變號，稱為玻色子。電子是費米子，因而在原子中分層排列；光由玻色子組成，所以激光光線呈現超強度的光束（本質上是一個量子態）。最近，氣體原子被冷卻到量子狀態而形成玻色-愛因斯坦凝聚，這時體系可發射超強物質束，形成原子激光。

這一觀念僅對全同粒子適用，因為不同粒子交換後波函數顯然不同。因此僅當粒子體系是全同粒子時才顯示出玻色子或費米子的行為。同樣的粒子是絕對相同的，這是量子力學最神秘的側面之一，量子場論的成就將對此作出解釋。

二次革命

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在20年代中期創立量子力學的狂熱年代裡，也在進行着另一場革命，量子物理的另一個分支——量子場論的基礎正在建立。不像量子力學的創立那樣如暴風疾雨般一揮而就，量子場論的創立經歷了一段曲折的歷史，一直延續到今天。儘管量子場論是困難的，但它的預測精度是所有物理學科中最為精確的，同時，它也為一些重要的理論領域的探索提供了範例。

激發提出量子場論的問題是電子從激發態躍遷到基態時原子怎樣輻射光。1916年，愛因斯坦研究了這一過程，並稱其為自發輻射，但他無法計算自發輻射係數。解決這個問題需要發展電磁場（即光）的相對論量子理論。量子力學是解釋物質的理論，而量子場論正如其名，是研究場的理論，不僅是電磁場，還有後來發現的其它場。

1925年，玻恩，海森堡和約當發表了光的量子場論的初步想法，但關鍵的一步是年輕且本不知名的物理學家狄拉克於1926年獨自提出的場論。狄拉克的理論有很多缺陷：難以克服的計算複雜性，預測出無限大量，並且顯然和對應原理矛盾。

40年代晚期，量子場論出現了新的進展，理查德·費曼（Richard Feynman），朱利安·施溫格（Julian Schwinger）和朝永振一郎（Sinitiro Tomonaga)提出了量子電動力學（縮寫為QED）。他們通過重整化的辦法迴避無窮大量，其本質是通過減掉一個無窮大量來得到有限的結果。由於方程複雜，無法找到精確解，所以通常用級數來得到近似解，不過級數項越來越難算。雖然級數項依次減小，但是總結果在某項後開始增大，以至於近似過程失敗。儘管存在這一危險，QED仍被列入物理學史上最成功的理論之一，用它預測電子和磁場的作用強度與實驗可靠值僅差/1,000,000,000,000。

儘管QED取得了超凡的成功，它仍然充滿謎團。對於虛空空間（真空），理論似乎提供了荒謬的看法，它表明真空不空，它到處充 斥着小的電磁漲落。這些小的漲落是解釋自發輻射的關鍵，並且，它們使原子能量和諸如電子等粒子的性質產生可測量的變化。雖然QED是古怪的，但其有效性是為許多已有的最精確的實驗所證實的。

對於我們周圍的低能世界，量子力學已足夠精確，但對於高能世界，相對論效應作用顯著，需要更全面的處理辦法，量子場論的創立調和了量子力學和狹義相對論的矛盾。

一個世紀以前，我們所理解的物理世界是經驗性的；我們作這樣自信的預測是因為量子力學為我們周圍的世界提供了精確的完整的理論；然而，今日物理學與1900年的物理學有很大的共同點：它仍舊保留了基本的經驗性，我們不能徹底預測組成物質的基本要素的屬性，仍然需要測量它們。或許，超弦理論是唯一被認為可以解釋這一謎團的理論，它是量子場論的推廣，通過有長度的物體取代諸如電子的點狀物體來消除所有的無窮大量。無論結果何如，從科學的黎明時期就開始的對自然的終極理解之夢將繼續成為新知識的推動力。從現在開始的一個世紀，不斷地追尋這個夢，其結果將使我們所有的想象成為現實。

量子物理學典型實例

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薛定諤的貓

是由奧地利物理學家薛定諤於1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗，是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。這裡必須要認識量子行為的一個現象：觀測。微觀物質有不同的存在形式，即粒子和波。通常，微觀物質以波的疊加混沌態存在；一旦人的意識參與到觀測行為中，它們立刻選擇成為粒子（意識在實驗中扮演着什麼角色？意識的參與是怎麼作用到實驗中的量子的？是什麼性質的作用？是一種力嗎？是什麼過程？不知道…）。實驗是這樣的：在一個盒子裡有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。

根據經典物理學，在盒子裡必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。在量子的世界裡，當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後，外部觀測者觀測時，物質以粒子形式表現後才能確定。這項實驗旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。

薛定諤的貓本身是一個假設的概念，隨着技術的發展，人們在光子、原子、分子中實現了薛定諤貓態，甚至已經開始嘗試用病毒來製備薛定諤貓態，如劉慈欣《球狀閃電》中變成量子態的人，人們已經越來越接近實現生命體的薛定諤貓。可是另外一方面，人們發現薛定諤貓態（量子疊加態）本身就在生命過程中存在着，且是生物生存不可缺少的 。

鴿子籠

據物理學家組織網報道，傳統的鴿子理論描述為：如果你把三隻鴿子放進兩個鴿洞裡，每次至少要有兩隻鴿子在一個洞裡。這一法則反映了計算的本質。而研究小組提出，在量子世界裡這一法則是錯的。「你可以在兩個鴿洞裡放無數多隻鴿子，而不會有兩隻鴿子在同一鴿洞裡。」查普曼大學量子研究院主管傑夫·托勒克森說。

研究人員解釋說，如果把三個粒子放在兩個盒子裡，觀察者在制定檢測順序時，可能出現這種效應。首先，你對粒子位置做一個最初的「預先選擇」檢測；然後做中間檢測，看看有沒有兩個粒子在同一個盒子裡；最後，對粒子位置做一個「後選擇」。你可以做出後選擇和後選擇檢測，它們完全相互獨立。在中間步驟，你可以做所謂的弱檢測同時查看三個粒子。如果你這麼做了，結果就是沒有兩個粒子會在同一個盒子裡。

意識與量子理論

兩位世界著名的科學家斯圖爾特·哈默羅夫博士和羅傑·彭羅斯爵士強強聯手提出了意識的量子理論，認為我們的靈魂是寄宿於腦細胞中的微管結構內。他們的理論源於大腦是生物計算機的概念，大腦具有1000億個神經元及其軸突激發和作為信息網絡的突觸連接。

哈默羅夫博士是亞利桑那大學的麻醉學和心理學系榮譽教授、意識研究中心主任；而著名物理學家羅傑爵士自1996年以來一直在研究該理論。兩位科學家認為，我們的意識經驗是這些微管內的量子引力效應的結果，科學家把這個過程稱為協調目標約化。在瀕臨死亡時，微管失去它們的量子狀態，但是其中所含的信息不會被破壞。或者用外行人的話來說，靈魂不會死，而是回歸宇宙之中。

哈默羅夫博士在美國科學頻道播出的紀錄片《穿越蟲洞》中解釋了這一理論，量子靈魂理論也引發了很多人的熱議。哈默羅夫博士表示，當心臟停止跳動，血液停止流動，微管就會失去其量子態。微管內的量子信息不會被破壞，也無法被破壞，它只是消散到宇宙之中。如果此時這個瀕臨死亡的人又恢復過來，那這個量子信息可以回到微管之中。而如果當人死亡，這種量子信息（即靈魂）可能就永遠地存在於身體之外。

哈默羅夫博士認為，關於量子效應的新發現還在生物過程中起作用，如嗅覺、鳥類導航和光合作用，這給該理論增加了說服力。