虛幻與真實(shí)―――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(shí)走近量子世界同學(xué)們，下午好。很高興本學(xué)期的講座由我第一個(gè)開始。本來我的主講題目是“高速公路”。那是因?yàn)槿ツ晗奶煳覅⒓恿耸薪涛鬓k的關(guān)于“研究性學(xué)習(xí)”資料包的培訓(xùn)，我被分配到的培訓(xùn)主題就是“高速公路”。我覺得這個(gè)主題不太適合我，后來我征得教管部的同意，換了個(gè)我比較感興趣的主題，它就是“虛幻

3、與真實(shí)：走進(jìn)量子世界”。PP可以把它當(dāng)做是量子物理的科普講座，我認(rèn)為講好這個(gè)主題難度很大，可能最終會(huì)令大家不能滿意，不過我原意做這個(gè)嘗試，把物理學(xué)奇異多彩的一面介紹給同學(xué)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(gè)世紀(jì)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(shè)備工作的基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)，解釋各種元素的化學(xué)性質(zhì)，還能解釋天上的恒星的結(jié)構(gòu)，解釋太陽巨大能量產(chǎn)生的原因。它幾乎是無所不能。可以說，量子理論是迄今為止被各種實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(xué)理論，另一位創(chuàng)始人尼爾斯 玻爾說：誰看了量子力學(xué)后如果不覺得奇怪，那它根本就不懂量子力學(xué)。量子理論的超級(jí)大師費(fèi)曼教授甚至警告我們：盡可能相信并接受實(shí)驗(yàn)事實(shí)，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(yīng)用以外，它的基礎(chǔ)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(diǎn)。不連續(xù)性自從伽利略和牛頓用數(shù)學(xué)馴服了大自然之后，一切自然過程都被當(dāng)做連續(xù)不間斷的，比如：小汽車的運(yùn)動(dòng)。PP。天氣預(yù)報(bào)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(xué)家芝諾就曾利用連續(xù)性的觀念提出一個(gè)著名的悖論“阿喀琉斯和烏龜”，PP 這個(gè)悖論就是以人們對(duì)時(shí)空可以無限分割的觀念為基礎(chǔ)，但時(shí)空真的是可以無限分割嗎？第一個(gè)提出不連續(xù)觀念的是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一普朗克PP。當(dāng)時(shí)他在研究所謂的“黑體輻射”問題，“黑體”這個(gè)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(shí)它也會(huì)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?yàn)樗鼫囟缺容^低，它只能向外輻射紅外線，當(dāng)把它放到火爐中加熱，它當(dāng)溫度升高后，我們就會(huì)看到它發(fā)紅了，它這時(shí)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(huì)發(fā)生變化，如果當(dāng)它的溫度足夠高還沒有被汽化，它甚至可以發(fā)出藍(lán)色的光。天上很多恒星看起來呈藍(lán)色，就是因?yàn)樗臏囟缺容^高的緣故。當(dāng)時(shí)人們就希望找到一個(gè)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(guān)系。但是，很長(zhǎng)時(shí)間過去了，一直都沒有滿意都結(jié)果。普朗克為此努力了六年的時(shí)間后，終于有一天，他幸運(yùn)的“猜”出了一個(gè)公式，公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好，但普朗克卻給不出這個(gè)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(jià)的”提出了能量量子化的假設(shè)。只有認(rèn)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(rèn)為電磁波連續(xù)不斷的傳播的自然圖景被推翻了，同時(shí)也摧毀了自牛頓以來人們建立起來的經(jīng)典世界。這個(gè)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(gè)觀念的時(shí)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(yīng)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(chǎng)強(qiáng)度的變化都是不連續(xù)的。那么我們所處的時(shí)空呢？時(shí)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(xué)體系創(chuàng)立以來，科學(xué)家在牛頓力學(xué)的指引下取得了輝煌的成就，它可以讓我們成功預(yù)測(cè)一個(gè)臺(tái)球碰撞后反彈的路徑，也能預(yù)測(cè)幾百年后日蝕、月食發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間。它的成功曾一度使人們得意忘形，甚至認(rèn)為整個(gè)宇宙只不過是一臺(tái)精密的機(jī)器，它的每個(gè)零件都按照定律一絲不茍地運(yùn)行，這種想法就是古典的，嚴(yán)格的決定論（determinism）。宇宙從出生的那一剎那起，就有一個(gè)確定的命運(yùn)。我們現(xiàn)在無法了解它，只是因?yàn)槲覀兯赖男畔⑻俣?。這種觀點(diǎn)被我們稱為“決定論”。同學(xué)們?cè)诟咧须A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(shí)候相遇，小球運(yùn)動(dòng)到斜面的多高處停止等等。一切都是

9、可以完全預(yù)測(cè)的?，F(xiàn)在“決定論”將受到量子力學(xué)強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。量子力學(xué)認(rèn)為，物體的運(yùn)動(dòng)具有不可預(yù)測(cè)性。德國(guó)物理學(xué)家海森堡給出了兩個(gè)公式來表達(dá)這個(gè)不確定性：我們先看看其中一個(gè)。PP由于這個(gè)公式至少形式上看起來比較簡(jiǎn)單，所以我把它放在這里，希望不要給大家?guī)聿挥淇臁＝榻B公式的含義：普朗克常數(shù)、動(dòng)量、誤差。拋硬幣的粒子。對(duì)不確定性的解釋。既然我們無法同時(shí)精確測(cè)量物體的速度和位置，自然也就無法預(yù)測(cè)它下一個(gè)時(shí)刻將出現(xiàn)在哪里。例如一個(gè)電子從電子槍里射過來了，它此時(shí)在何處，我們永遠(yuǎn)不得而知。我們只能說，它在這個(gè)位置的可能性有多大，在那個(gè)位置的可能性有多大。這也許是二十世紀(jì)發(fā)生的最令人不愉快的事情，我們?cè)?jīng)能夠預(yù)

10、測(cè)彗星回歸的日子，能夠預(yù)測(cè)未來幾百年內(nèi)每一次日蝕、月蝕，但現(xiàn)在卻不能預(yù)測(cè)電子的位置，而只能代之以預(yù)測(cè)它出現(xiàn)的可能性，這簡(jiǎn)直是對(duì)物理學(xué)歷史的挑釁、對(duì)物理學(xué)尊嚴(yán)的侮辱。不管你多么不喜歡它，可這是事實(shí)。1986年，著名的流體力學(xué)權(quán)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(dān)任過的那個(gè)）于皇家學(xué)會(huì)紀(jì)念牛頓原理發(fā)表300周年的集會(huì)上發(fā)表了轟動(dòng)一時(shí)的道歉： “現(xiàn)在我們都深深意識(shí)到，我們的前輩對(duì)牛頓力學(xué)的驚人成就是那樣崇拜，這使他們把它總結(jié)成一種可預(yù)言的系統(tǒng)。而且說實(shí)話，我們?cè)?960年以前也大都傾向于相信這個(gè)說法，但現(xiàn)

11、在我們知道這是錯(cuò)誤的。我們以前曾經(jīng)誤導(dǎo)了公眾，向他們宣傳說滿足牛頓運(yùn)動(dòng)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(xué)們，如果從另一個(gè)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(dāng)你把決定論同生命聯(lián)系在一起的時(shí)候。如果宇宙真是一部精密的機(jī)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(shè)計(jì)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)祟惖男袨橹校痛嬖谔嗟牟淮_定性。所以，有人把量子力學(xué)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(gòu)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?，F(xiàn)在跟大家談?wù)動(dòng)刹淮_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(diǎn)運(yùn)動(dòng)PP物體不可能處于絕對(duì)的靜止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)?。所以，即使在超低的溫度下，物體總會(huì)處于輕微的運(yùn)動(dòng)之中。這種運(yùn)動(dòng)就足以阻止氦元素凝聚成固體。PP PP超導(dǎo)的理論解釋：PP量子隧道效應(yīng)PP大家看，這里有輛過山車。同學(xué)們，如果有人告訴你，有個(gè)物體不再遵守上述能量守恒定律，你會(huì)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(dá)形式，就是：PP我們無法在某個(gè)精確的時(shí)刻準(zhǔn)確知道物體的能量?；蛘哒f，隨著測(cè)量時(shí)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(shí)是這個(gè)世界存在的基礎(chǔ)。下面舉幾個(gè)具體的例子：放射性核衰變PP？年，天然的放射現(xiàn)象被法國(guó)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(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)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(cè)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(dāng)阿爾法粒子還在鈾元素的大原子核中的時(shí)候，差不多也只有4兆電子伏左右的能量，它們?cè)谠雍酥校艿皆雍酥衅渌凶拥膹?qiáng)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?yàn)槟悻F(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(huì)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?yàn)檫B你自己也不知道?；蛘呤怯捎谶\(yùn)氣比較好吧，如果你不相信運(yùn)氣，那就叫它概率，不確定性。大科學(xué)家們這樣解釋，在極短的時(shí)間內(nèi)，阿爾法粒子會(huì)突然從旁邊（也可以說是不知從什

15、么地方）“借”來一點(diǎn)能量，穿過了原子核的勢(shì)壘（勢(shì)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(shí)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(yīng)”或“量子勢(shì)壘貫穿”。雖然你覺得不可思議，但這種效應(yīng)時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生在宇宙的每個(gè)角落。它是生活中所有半導(dǎo)體器件工作的理論基礎(chǔ)。也是恒星釋放巨大能量的理論基礎(chǔ)。PP太陽的能源看看我們的太陽。幾個(gè)世紀(jì)以來，天文學(xué)家和物理學(xué)家都在思索恒星為什么會(huì)發(fā)光。通過簡(jiǎn)單計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，通常的化學(xué)燃燒毫無希望?；瘜W(xué)反應(yīng)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(yīng)?，F(xiàn)在我們常說太陽就像億萬個(gè)氫彈同時(shí)爆炸，這個(gè)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(yīng)，或叫做“核聚變”。兩個(gè)氫原子核結(jié)合成一個(gè)氦原子核，同時(shí)釋放出巨大的能量。不過這是件不容易做到的事情。兩個(gè)氫原子核都帶正電，當(dāng)他們彼此靠近時(shí)，會(huì)由于“同種電荷互相排斥”的道理，產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)，需要一個(gè)小小的原子彈做引爆器，用來產(chǎn)生高達(dá)2億度的高溫。太陽也是這樣嗎？著名英國(guó)天文學(xué)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(zhì)子不能克服它們之間的排斥勢(shì)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(huì)跟你們爭(zhēng)論恒星內(nèi)部是不是還不夠熱，我會(huì)讓他們?nèi)フ乙粋€(gè)更熱的地方。

17、”結(jié)果愛丁頓是正確的，只不過需要用量子力學(xué)來回答。：相互靠近的質(zhì)子就是通過量子隧道效應(yīng)穿過它們之間的排斥勢(shì)壘結(jié)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(zhì)子穿過排斥勢(shì)壘的可能性就大大降低。太陽上每個(gè)質(zhì)子平均碰撞十億年，才有機(jī)會(huì)發(fā)生一次核聚變反應(yīng)，所以說，太陽能量生產(chǎn)的速度非常低。打個(gè)比方，太陽中一個(gè)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(zhuǎn)化為熱量的速度。說到這里，我想起小時(shí)候看過的一部動(dòng)畫片，叫嶗山道士。得道的神仙都會(huì)一種法術(shù)，叫“穿墻術(shù)”。量子隧道貫穿效應(yīng)可以做為古老的穿墻術(shù)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(gè)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(dāng)大家了解到量子力學(xué)的上述特點(diǎn)之后，心中肯定早已把費(fèi)曼教授的警告拋到腦后，想問：但為什么會(huì)是那樣子但呢？如果談到，量子力學(xué)究竟意味著什么的時(shí)候，意見分歧就很大了。甚至有可能陷入純粹的哲學(xué)泥潭。讓我們看一個(gè)實(shí)驗(yàn)。稱為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。PP高一的同學(xué)，水波高二的同學(xué)，光波子彈？ 電子？我們說電子具有波動(dòng)性，但它的波動(dòng)性到底意味著什么？馬克思波恩給出了一個(gè)解釋，意味著概率。電子的波可

19、以理解成是概率波。當(dāng)一個(gè)電子射向雙峰是，它的概率波在空間中擴(kuò)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(gè)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(huì)打在熒光屏上的哪個(gè)位置上，只有當(dāng)它最后打到熒光屏上，形成一個(gè)亮點(diǎn)，亮點(diǎn)被我們觀察到的時(shí)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(gè)空間中的幾率波現(xiàn)在坍縮成了一個(gè)點(diǎn)?；蛘哒f電子從各個(gè)可能的位置上坍縮到了一個(gè)點(diǎn)上。PP PP這種用概率波描述運(yùn)動(dòng)的方法令愛因斯坦極為不滿，他開始了與持這種觀點(diǎn)的尼爾斯 玻爾的長(zhǎng)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(xué)家薛定諤，PP幸運(yùn)的猜出了描述物體幾率波