虛幻與真實―――走近量子世界

1、.罿膃蚅袆肂荿薁裊膄膂蕆羄襖莇莃羃羆膀螞羂肈蒞蚈羂芁膈薄羈羀蒄蒀薇肅芇莆薆膅蒂蚄薆襖芅薀蚅羇蒀蒆蚄聿芃莂蚃膁肆螁螞羈芁蚇蟻肅膄薃蝕膆莀葿蝕裊膃蒞蠆羈莈蚄螈肀膁薀螇膂莆蒆螆袂腿蒁螅肄蒅莇螄膇芇蚆螄袆蒃薂螃羈芆蒈螂肁蒁莄袁膃芄蚃袀袃肇蕿衿羅節(jié)薅袈膇肅蒁袈袇莁莇袇罿膃蚅袆肂荿薁裊膄膂蕆羄襖莇莃羃羆膀螞羂肈蒞蚈羂芁膈薄羈羀蒄蒀薇肅芇莆薆膅蒂蚄薆襖芅薀蚅羇蒀蒆蚄聿芃莂蚃膁肆螁螞羈芁蚇蟻肅膄薃蝕膆莀葿蝕裊膃蒞蠆羈莈蚄螈肀膁薀螇膂莆蒆螆袂腿蒁螅肄蒅莇螄膇芇蚆螄袆蒃薂螃羈芆蒈螂肁蒁莄袁膃芄蚃袀袃肇蕿衿羅節(jié)薅袈膇肅蒁袈袇莁莇袇罿膃蚅袆肂荿薁裊膄膂蕆羄襖莇莃羃羆膀螞羂肈蒞蚈羂芁膈薄羈羀蒄蒀薇肅芇莆薆膅蒂蚄薆襖芅薀

2、蚅羇蒀蒆蚄聿芃莂蚃膁肆螁螞羈芁蚇蟻肅膄薃蝕膆莀葿蝕裊膃蒞蠆羈莈蚄螈肀膁薀螇膂莆蒆螆袂腿蒁螅肄蒅莇螄膇芇蚆螄袆蒃薂螃羈芆蒈螂肁蒁莄袁膃芄蚃袀袃肇蕿衿羅節(jié)薅袈膇肅蒁袈袇莁莇袇罿膃蚅袆肂荿薁裊膄膂蕆羄襖莇莃羃羆膀螞羂肈蒞蚈羂芁膈薄羈羀蒄蒀薇肅芇莆薆膅蒂蚄薆襖芅薀蚅羇蒀蒆蚄聿芃莂蚃膁肆螁螞羈芁蚇蟻肅膄薃蝕膆 虛幻與真實走近量子世界同學們，下午好。很高興本學期的講座由我第一個開始。本來我的主講題目是“高速公路”。那是因為去年夏天我參加了市教委主辦的關于“研究性學習”資料包的培訓，我被分配到的培訓主題就是“高速公路”。我覺得這個主題不太適合我，后來我征得教管部的同意，換了個我比較感興趣的主題，它就是“虛幻

3、與真實：走進量子世界”。PP可以把它當做是量子物理的科普講座，我認為講好這個主題難度很大，可能最終會令大家不能滿意，不過我原意做這個嘗試，把物理學奇異多彩的一面介紹給同學們，“努力言說不可言說之事”。下面就開始今天的話題。量子理論發(fā)端于上個世紀初期，到今天也有百年歷史了。這一理論是生活中很多“高科技”設備工作的基礎。如隨處可見的集成電路、電腦芯片、還有激光器等。它能讓我們解釋絕大多數(shù)自然現(xiàn)象的成因，比如解釋原子、原子核的結構，解釋各種元素的化學性質，還能解釋天上的恒星的結構，解釋太陽巨大能量產(chǎn)生的原因。它幾乎是無所不能?？梢哉f，量子理論是迄今為止被各種實驗證實的最精確的理論，但是在它的基本原理

4、層面上，量子理論卻非常奇怪，很難理解，PP愛因斯坦，這位量子理論的奠基人，直到去世之前那一刻仍然不相信量子力學理論，另一位創(chuàng)始人尼爾斯 玻爾說：誰看了量子力學后如果不覺得奇怪，那它根本就不懂量子力學。量子理論的超級大師費曼教授甚至警告我們：盡可能相信并接受實驗事實，先不要問為什么。所以說，這么多年來量子理論除了更廣泛的應用以外，它的基礎理論方面似乎并沒有新的發(fā)現(xiàn)。到底什么是量子理論？現(xiàn)在就跟大家介紹它的幾條最基本的觀點。不連續(xù)性自從伽利略和牛頓用數(shù)學馴服了大自然之后，一切自然過程都被當做連續(xù)不間斷的，比如：小汽車的運動。PP。天氣預報說今天的溫度是（ ）PP。這種連續(xù)性的觀念是如此直接的植入我

5、們的內(nèi)心深處，一切顯得天經(jīng)地義一般。古希臘的哲學家芝諾就曾利用連續(xù)性的觀念提出一個著名的悖論“阿喀琉斯和烏龜”，PP 這個悖論就是以人們對時空可以無限分割的觀念為基礎，但時空真的是可以無限分割嗎？第一個提出不連續(xù)觀念的是量子力學的創(chuàng)始人之一普朗克PP。當時他在研究所謂的“黑體輻射”問題，“黑體”這個詞我們可能沒聽說過，大家可以把它想像成是一塊黑黑的焦炭。這種黑色的東西容易吸收外界照射到它身上到光線，或者說吸收能量。同時它也會向外輻射能量，我們一般用肉眼看不到它向外輻射能量（發(fā)光），那是因為它溫度比較低，它只能向外輻射紅外線，當把它放到火爐中加熱，它當溫度升高后，我們就會看到它發(fā)紅了，它這時候就

6、能向外輻射可見光了，隨著它的溫度越來越高，它發(fā)出的光的顏色也會發(fā)生變化，如果當它的溫度足夠高還沒有被汽化，它甚至可以發(fā)出藍色的光。天上很多恒星看起來呈藍色，就是因為它的溫度比較高的緣故。當時人們就希望找到一個公式，能描述黑體的溫度跟它輻射出的各種顏色光的能量多少之間的關系。但是，很長時間過去了，一直都沒有滿意都結果。普朗克為此努力了六年的時間后，終于有一天，他幸運的“猜”出了一個公式，公式與實驗結果吻合的很好，但普朗克卻給不出這個公式的物理意義，說來也好笑，理論的創(chuàng)造者卻不能提供自己所創(chuàng)造的理論的意義。最后，普朗克“絕望的”、“不惜任何代價的”提出了能量量子化的假設。只有認為電磁波的能量是不連

7、續(xù)的，普朗克的公式才具有物理上的意義。也就是說，以前我們認為電磁波連續(xù)不斷的傳播的自然圖景被推翻了，同時也摧毀了自牛頓以來人們建立起來的經(jīng)典世界。這個新觀念給普朗克帶來了痛苦，在之后的十幾年里，它被它的創(chuàng)造者拋棄，普朗克不斷的告誡人們，引用這個觀念的時候一定要慎重。不到萬不得已，千萬不要胡思亂想。后來，能量子的概念被愛因斯坦引用，成功的用來解釋光電效應現(xiàn)象，此后，越來越多的不連續(xù)性被發(fā)現(xiàn)了，如，在原子里，核外電子的軌道就是不連續(xù)的，原子的能量狀態(tài)也是不連續(xù)的。一些電壓的變化，磁場強度的變化都是不連續(xù)的。那么我們所處的時空呢？時間的流逝是不連續(xù)的嗎？空間是不連續(xù)的嗎？如果是這樣，那它的最小單位是

8、多少呢？不確定性PP自從牛頓力學體系創(chuàng)立以來，科學家在牛頓力學的指引下取得了輝煌的成就，它可以讓我們成功預測一個臺球碰撞后反彈的路徑，也能預測幾百年后日蝕、月食發(fā)生的準確時間。它的成功曾一度使人們得意忘形，甚至認為整個宇宙只不過是一臺精密的機器，它的每個零件都按照定律一絲不茍地運行，這種想法就是古典的，嚴格的決定論（determinism）。宇宙從出生的那一剎那起，就有一個確定的命運。我們現(xiàn)在無法了解它，只是因為我們所知道的信息太少而已。這種觀點被我們稱為“決定論”。同學們在高中階段做的絕大多數(shù)物理題，都是遵循決定論的軌跡求解。如甲車跟乙車什么時候相遇，小球運動到斜面的多高處停止等等。一切都是

9、可以完全預測的?，F(xiàn)在“決定論”將受到量子力學強有力的挑戰(zhàn)。量子力學認為，物體的運動具有不可預測性。德國物理學家海森堡給出了兩個公式來表達這個不確定性：我們先看看其中一個。PP由于這個公式至少形式上看起來比較簡單，所以我把它放在這里，希望不要給大家?guī)聿挥淇?。介紹公式的含義：普朗克常數(shù)、動量、誤差。拋硬幣的粒子。對不確定性的解釋。既然我們無法同時精確測量物體的速度和位置，自然也就無法預測它下一個時刻將出現(xiàn)在哪里。例如一個電子從電子槍里射過來了，它此時在何處，我們永遠不得而知。我們只能說，它在這個位置的可能性有多大，在那個位置的可能性有多大。這也許是二十世紀發(fā)生的最令人不愉快的事情，我們曾經(jīng)能夠預

10、測彗星回歸的日子，能夠預測未來幾百年內(nèi)每一次日蝕、月蝕，但現(xiàn)在卻不能預測電子的位置，而只能代之以預測它出現(xiàn)的可能性，這簡直是對物理學歷史的挑釁、對物理學尊嚴的侮辱。不管你多么不喜歡它，可這是事實。1986年，著名的流體力學權威，詹姆士.萊特希爾爵士（Sir James Lighthill，他于1969年從狄拉克手里接過劍橋盧卡薩教授的席位，也就是牛頓曾擔任過的那個）于皇家學會紀念牛頓原理發(fā)表300周年的集會上發(fā)表了轟動一時的道歉： “現(xiàn)在我們都深深意識到，我們的前輩對牛頓力學的驚人成就是那樣崇拜，這使他們把它總結成一種可預言的系統(tǒng)。而且說實話，我們在1960年以前也大都傾向于相信這個說法，但現(xiàn)

11、在我們知道這是錯誤的。我們以前曾經(jīng)誤導了公眾，向他們宣傳說滿足牛頓運動定律的系統(tǒng)是決定論的，但是這在1960年后已被證明不是真的。我們都愿意在此向公眾表示道歉。”同學們，如果從另一個角度來看待曾經(jīng)輝煌的決定論，也許，你更原意以不確定性取代它。那就是當你把決定論同生命聯(lián)系在一起的時候。如果宇宙真是一部精密的機械裝置，那么我們?nèi)祟惖漠a(chǎn)生，也是從宇宙誕生之初就設計好的程序嗎？我們今天坐在這里聽講座，難道是幾百億年前就已經(jīng)注定要發(fā)生的事件嗎？這樣想的確顯得很可笑。在我們?nèi)祟惖男袨橹?，就存在太多的不確定性。所以，有人把量子力學的不確定性跟人類自由的意志聯(lián)系在一起，似乎有些道理，畢竟，構成我們大腦的，也是

12、由不確定性原理控制的一大堆分子、原子。現(xiàn)在跟大家談談由不確定性引出的一些推論，以及在宏觀現(xiàn)象中的一些體現(xiàn)。零點運動PP物體不可能處于絕對的靜止狀態(tài)，因為。所以，即使在超低的溫度下，物體總會處于輕微的運動之中。這種運動就足以阻止氦元素凝聚成固體。PP PP超導的理論解釋：PP量子隧道效應PP大家看，這里有輛過山車。同學們，如果有人告訴你，有個物體不再遵守上述能量守恒定律，你會怎么想？在宏觀世界里，這種現(xiàn)象是看不到的，但是在微觀世界里，能量守恒已經(jīng)不再是牢固不破的法則。海森堡的不確定性原理還有一種表達形式，就是：PP我們無法在某個精確的時刻準確知道物體的能量?；蛘哒f，隨著測量時間的精確度越來越高，

13、物體的能量就變得越來越不確定。這聽起來雖然不可思議，但這確實是這個世界存在的基礎。下面舉幾個具體的例子：放射性核衰變PP？年，天然的放射現(xiàn)象被法國的貝克勒耳發(fā)現(xiàn)。人們發(fā)現(xiàn)，從鈾元素的原子核中，不斷的向外發(fā)出三種射線，其中一種被成為阿爾法射線，它們是由兩個質子和兩個中子構成的小東西，人們稱它為阿爾法粒子。早期的核物理研究中，最大的難題之一，就是如何理解阿爾法衰變。困難是這樣的，人們測量了飛出來的阿爾法粒子的能量，發(fā)現(xiàn)它們大約具有4兆電子伏的能量，當阿爾法粒子還在鈾元素的大原子核中的時候，差不多也只有4兆電子伏左右的能量，它們在原子核中，受到原子核中其它中子的強大的吸引力，被牢牢的束縛住。PP如果

14、把你想像成困在原子核中的阿爾法粒子，其它中子的引力就像豎在你四周的幾堵高墻，把你困在里面，如果你想從里面跳出來，那就需要足夠的能量?，F(xiàn)在你只有跳4m高的能量，而墻有多高呢？大約30m。你顯然覺得很灰心，墻太高了。不過不用著急，因為你現(xiàn)在只有阿爾法粒子的大小，可以不去理睬什么能量守恒定律。你只要在原子核里耐心的呆上幾億年，也許是幾萬年，還是太久是嗎？也許是幾秒鐘，夠短了吧，你就會突然發(fā)現(xiàn)自己居然在墻的外面。你是怎么出來的，沒人知道，因為連你自己也不知道?；蛘呤怯捎谶\氣比較好吧，如果你不相信運氣，那就叫它概率，不確定性。大科學家們這樣解釋，在極短的時間內(nèi)，阿爾法粒子會突然從旁邊（也可以說是不知從什

15、么地方）“借”來一點能量，穿過了原子核的勢壘（勢壘，也就是被我們剛才比喻成墻壁的東西）。然后它又在極短的時間內(nèi)，把借來的能量還了回去。這種現(xiàn)象被人們稱為“量子隧道效應”或“量子勢壘貫穿”。雖然你覺得不可思議，但這種效應時時刻刻發(fā)生在宇宙的每個角落。它是生活中所有半導體器件工作的理論基礎。也是恒星釋放巨大能量的理論基礎。PP太陽的能源看看我們的太陽。幾個世紀以來，天文學家和物理學家都在思索恒星為什么會發(fā)光。通過簡單計算可以發(fā)現(xiàn)，通常的化學燃燒毫無希望。化學反應不可能為恒星數(shù)十億年的生命提供足夠的能源。能量只有可能來自核反應?，F(xiàn)在我們常說太陽就像億萬個氫彈同時爆炸，這個說法有一定的道理，太陽同氫彈

16、一樣，能量來自于熱核反應，或叫做“核聚變”。兩個氫原子核結合成一個氦原子核，同時釋放出巨大的能量。不過這是件不容易做到的事情。兩個氫原子核都帶正電，當他們彼此靠近時，會由于“同種電荷互相排斥”的道理，產(chǎn)生強大的排斥力。要克服這種排斥力，需要把它們加熱到極高的溫度。所以氫彈爆炸時，需要一個小小的原子彈做引爆器，用來產(chǎn)生高達2億度的高溫。太陽也是這樣嗎？著名英國天文學家，亞瑟 愛丁頓爵士，PP非常不幸的發(fā)現(xiàn)恒星內(nèi)部的溫度太低。質子不能克服它們之間的排斥勢壘。不過他還是確信，核能是恒星唯一可能的能量來源。他向他的懷疑者們挑戰(zhàn)說：“我不會跟你們爭論恒星內(nèi)部是不是還不夠熱，我會讓他們?nèi)フ乙粋€更熱的地方。

17、”結果愛丁頓是正確的，只不過需要用量子力學來回答。：相互靠近的質子就是通過量子隧道效應穿過它們之間的排斥勢壘結合到了一起。溫度不夠照樣可以發(fā)生核聚變。只不過如果溫度差的越多，質子穿過排斥勢壘的可能性就大大降低。太陽上每個質子平均碰撞十億年，才有機會發(fā)生一次核聚變反應，所以說，太陽能量生產(chǎn)的速度非常低。打個比方，太陽中一個人身體大小的體積內(nèi)能量生產(chǎn)的速度，還不如人體將食物轉化為熱量的速度。說到這里，我想起小時候看過的一部動畫片，叫嶗山道士。得道的神仙都會一種法術，叫“穿墻術”。量子隧道貫穿效應可以做為古老的穿墻術的理論依據(jù)。要么我們的身材足夠小，或者普朗克常數(shù)足夠大。加莫夫以量子現(xiàn)象為題材，寫過

18、一本科幻小說，名字大概是湯浦金絲先生奇遇。PP小說里的主人公湯浦金絲先生生活在一個普朗克常數(shù)非常大的世界里。他像千年老妖似的，開著汽車，穿墻而過。這里還有兩張圖。PP PP你怎麼能肯定不存在這樣的世界呢？量子幾率，薛定諤之貓當大家了解到量子力學的上述特點之后，心中肯定早已把費曼教授的警告拋到腦后，想問：但為什么會是那樣子但呢？如果談到，量子力學究竟意味著什么的時候，意見分歧就很大了。甚至有可能陷入純粹的哲學泥潭。讓我們看一個實驗。稱為雙縫干涉實驗。PP高一的同學，水波高二的同學，光波子彈？ 電子？我們說電子具有波動性，但它的波動性到底意味著什么？馬克思波恩給出了一個解釋，意味著概率。電子的波可

19、以理解成是概率波。當一個電子射向雙峰是，它的概率波在空間中擴散開來。我們不知道它具體在哪里，它可能在空間的任何一個地方，只是不同的地方，它在這里的概率不一樣。我們同樣事先也不知道它會打在熒光屏上的哪個位置上，只有當它最后打到熒光屏上，形成一個亮點，亮點被我們觀察到的時候，我們才能說，哦，它在這里，它現(xiàn)在已經(jīng)不可能在其它地方了。原來電子彌漫在整個空間中的幾率波現(xiàn)在坍縮成了一個點。或者說電子從各個可能的位置上坍縮到了一個點上。PP PP這種用概率波描述運動的方法令愛因斯坦極為不滿，他開始了與持這種觀點的尼爾斯 玻爾的長期論戰(zhàn)。愛因斯坦氣憤地說：上帝怎么可能是擲色子的呢？玻爾也毫不客氣的回敬愛因斯坦：你不能規(guī)定上帝該怎樣做。另一位物理學家薛定諤，PP幸運的猜出了描述物體幾率波