張永德《近代量子力學及疑難問題》專題講座lecture5

1、 科學、物理學、量子力學 張永德西方近代科學科學中的物理學物理學中的量子力學1 前 言 科研教學之余，偶或自問并思索：現(xiàn)在的眾多自然和工程學科，習慣統(tǒng)稱之為近代科學技術，它們有沒有共同的本質特征？特別是近代科學，它如何界定？最基本的特征是怎樣的？它為什么只發(fā)源于西方而未能發(fā)源于中國？它有局限性嗎？ 從近代科學問題上將眼光收攏，轉向物理學，關于它也可以提出許多傻問題。將眼光再收攏，聚焦在量子力學上，同樣也可以發(fā)問不少傻問題。 思索之后，再返回去，就可以用更高、更廣泛的視角再一次來凝視一番我們?yōu)橹畤I心瀝血的量子力學。這樣就能更清楚地看到它們的本質、相互間的關聯(lián)、將來可能發(fā)展的趨向。 所談的個人思索

2、結果，當然說不上是什么結論。事實上，其中就可能有片面的，甚至是錯誤的東西。作為不成熟的“一得之見”提出來，是為了交流參考，活躍思想。 2 （一）西方近代科學3I）近代科學范圍的界定（1） “實驗驗證” 從實踐出發(fā) 實踐檢驗?！斑壿嬻w系” 理智、自洽、普適、可量度。 “西方近代科學” 的五要素：因果性：有因果關聯(lián)、有實驗響應的。 無任何相互作用、不受任何影響的事物不屬于科學研究范疇。 “人世界” “鬼世界”；“黑洞” “白洞”世界。普適性：滿足前提下，結論普適，與觀察人無關。 “規(guī)范變換不變原理”。自洽性：體系內部所有結論是自洽的。4近代科學范圍的界定（續(xù)2）可重復性、可檢驗性：所有結論都可以接

3、受檢驗。不能重復、不可檢驗的事，不屬于科學的范疇?？闪慷刃裕翰豢闪慷鹊氖挛锊荒芩憬茖W的范疇。 愛情 不屬于科學。那是“糊里又糊涂的”、缺乏理智的、不可度量的。 作曲家的激情。沒有理性基礎、無因果關聯(lián)、不可重復、無法檢驗、不可量度的命題屬于文學、藝術和宗教等的范疇。如來佛頭上有多少根頭發(fā)？孫悟空體重是多少？梁山伯與祝英臺的愛情、人類各種情感各種“笑”; 宗教信仰; 音樂靈感；5 II）近代科學的本質現(xiàn)象和經驗+ 邏輯演繹 + 實驗驗證 = “邏輯實驗主義”從經驗和現(xiàn)象出發(fā)，運用邏輯演繹建立一個邏輯自洽體系。再返回實踐，經受檢驗，得到進一步修正和發(fā)展 。近代科學的本質是否可以歸納為：唯物的邏輯

4、實驗主義？ 不是只承認經驗、不是概念復合、符號主義。而是：承認物質的客觀存在性、承認客觀規(guī)律的物質性。 例如：桌子、月亮。物質與精神對立統(tǒng)一體。人腦思維過程既是精神過程也是物質過程，是同一過程兩個不可分割的側面。 大致像計算機的硬件與軟件。近來牛津：信息是物理的。哲學上的對立統(tǒng)一，人們應當著重于 “對立”為斗爭哲學尋找理論依據(jù)呢？！還是應當著重于“統(tǒng)一”強調統(tǒng)一、強調共性、強調團結呢？！ 不管哲學家如何， 腦科學家感興趣的是：兩者之間的關聯(lián)、對應和統(tǒng)一。6 III）近代科學發(fā)源于西方（1） 西方近代科學的搖籃是歐幾里德的 “幾何學原本” 其思維的模式為： 從實踐中抽出公設 + 邏輯演繹 =構成

5、理論 用于實踐。這種“邏輯 + 實證”的傳統(tǒng)有曲折的發(fā)展： 15-16世紀，科學曾經淪為神學的奴仆（“天使博士”托馬斯阿奎那主張：“科學是神學的奴仆”）。 經過哥白尼、布魯洛、加里略的斗爭，使科學掙脫了侍奉上帝的束縛。對自然現(xiàn)象進行觀察、測量、實驗和分析的近代科學的理性思維模式逐漸形成。7近代科學發(fā)源于西方（續(xù)2）中國有雄厚的技術史，但確實沒有雄厚的科學史。四大技術發(fā)明（指南針、造紙術、火藥、活字印刷）。當然，在中國3千年文明史中有不少科學成果的亮點。中國古代對自然界研究的基本特征：總體而言，中國古代研究者常常是： “天人合一”的、直覺的“綜合” 邏輯的、理性的“分析”；中國古代學者一般缺乏大

6、塊邏輯思維模式的訓練。所以未能生長出“幾何學原本”西方近代科學的胚芽。例證：中醫(yī)和西醫(yī)的基本特征東西方文化和思維模式的對照。8IV）近代科學的局限性(1) 西方科學總體思維模式的局限性：1）人類實踐有局限性認識局限性公設局限性。 歐氏幾何羅氏幾何。 中醫(yī)，特別是針灸和肋絡學說。2）人類認知能力有局限性。3）邏輯演繹能力有局限性。 牛頓力學的創(chuàng)立、量子力學的創(chuàng)立、基本規(guī)律本身， 都是邏輯推理無能為力的地方。朗道：理論物理中追求 數(shù)學嚴格性往往是自欺欺人其真意也正在此處。4）科學只能解決物質文明問題， 并不能夠解決道德文明問題。9近代科學的局限性(續(xù)2)科學本身是雙刃劍。既可以造福人類，也可以危害

7、人類。 戰(zhàn)爭、環(huán)境污染、高科技犯罪。科學是振興中國所必須的、重要的，但不是萬能的、包容一切的。 走向極端科學主義。 科學與信仰、科學與宗教 本應并行不悖：不能說“信仰科學”：實質上，科學不是個“信仰”問題，而是一個“信服”問題。 科學解決物質文明； 信仰解決精神文明。 公共汽車車門踏腳板變心板問題。 紐約報紙載文：“我們已經可以把人送上月球，卻無法讓人從車門口向車中間挪動一步。”10近代科學的局限性(續(xù)3)孫中山： 佛教有救世之仁， 佛學是哲學之母， 研究佛學可補科學之偏。 愛因斯坦： 沒有宗教的科學是瘸子； 沒有科學的宗教是瞎子； 楊振寧在五臺山寺廟的題詞： 科學與宗教是一家。 （注：未經核

8、實） 只有科學，沒有信仰的社會是自私、放縱的社會； 只有信仰，沒有科學的社會是貧窮、愚昧的社會。 世界上，信仰是多種多樣的。 學會尊重別人的信仰。11V）科學 + 技術 = 科技？！ 科學與技術兩者之間的差別：科學：對原理問題的研究，是發(fā)現(xiàn)。為滿足人類求知欲望，不帶（或基本不帶）功利目的。 只有第一。技術：只涉及原理的應用，是發(fā)明。有明確的功利目的。不是“只有第一”。英、日、俄各國文字中，這兩個詞都是分開的！ 吳大猷先生90高齡時著文近數(shù)百年我國科學落后于西方的原因中說：“很不幸的，我們在現(xiàn)代創(chuàng)用了科技這個名詞，代表科學與技術兩個（而不是一個）觀念。但我們目前所注重的問題，二者的分別是重要的點

9、?！?現(xiàn)在的關鍵問題是：通過“科技”一詞， “科學”被“技術”所取代！ 李約瑟巨著“中國的科學與文明（Science and Civilization in China）”竟被譯成為 。 12（二）科學中的物理學13I）甚么是物理學？它是研究物質世界最基本、最深層次規(guī)律的科學分枝，是在最基礎層面上研究物資運動規(guī)律的科學。杜甫：公元758年唐肅宗乾元元年曲江二首之一： 物理學是西方邏輯實證主義科學的典型體現(xiàn)。一片飛花減卻春 風飄萬點正愁人且看欲盡花經眼 莫厭傷多酒入唇江上小堂巢翡翠 花邊高冢臥麒麟細推物理須行樂 何用浮名絆此身錄全唐詩上四函三冊分目杜甫第五四七頁14II）物理學與人類文明之一物理

10、學是自然科學的領袖：重大進展都與它密切相關：原子能、計算機、電子技術 。本身分流眾多：近代力學、近代熱機學和燃燒學、電子工程、半導體工程、光機科學、材料科學向其他科學滲透巨大：近代化學、近代生物學、醫(yī)學、計算機科學（24對遺傳基因、DNA雙螺旋結構、經典通訊 量子通訊 ）15物理學與人類文明之二物理學是人類文明的第一推動力。1687年，牛頓自然哲學的數(shù)學原理發(fā)表，標志經典物理學的誕生。經典物理學一誕生便推動了其后的第一次工業(yè)革命，帶給人類第一次物質文明的飛躍。19世紀末到20世紀末，以量子力學和相對論（以及電磁理論）為支柱的近代物理學推動了第二次科學和技術的大發(fā)展。為人類帶來第二次物質文明的大

11、飛躍20世紀物質文明的大飛躍。16物理學與人類文明之三“經典物理學”和“近代物理學”已經分別為人類帶來了兩次物質文明的大飛躍。 下一次第三次物質文明的大飛躍又由誰來發(fā)動呢？將由量子力學，量子力學向生命科學、材料科學、信息科學等各門學科的應用所發(fā)動。17（三）物理學中的 量子力學18I）量子理論的誕生 量子論的生日1900年12月14日。 M. Planck： 在柏林物理學會上報告他的公式（普朗克公式）的量子說明輻射能量在吸收或發(fā)射時以整個量子進行，頻率為 的輻射振子的能量為 。 這就宣告了量子論的誕生。 M. Planck, , 4(1901)553.19 II）量子力學是甚么？量子力學是什么

12、？ 量子力學，更廣泛地說量子理論，是研究微觀世界物質運動和變化的基本規(guī)律的科學。 由于我們宏觀物質全是由微觀物質組成的，宏觀世界全部建立在微觀世界上面。因此，量子力學便無處不在、普遍適用。20III）自誕生起至今，它的勢頭（1） 自從量子理論誕生以來，它的發(fā)展和應用一直廣泛深刻地影響、促進和觸發(fā)人類物質文明的大飛躍。近80年的人類全部歷史可以作證。 如果還不信，舉例，可以把所有學科名稱前面冠以“量子”二字，就會發(fā)現(xiàn)：已經形成或將要形成一門新的理論、一門新的學問。物理學內部就有很多這種情況。不必說物理學中以量子力學為主要理論支柱的學科；單是直接添加這兩個字就形成新學問的就有：光學量子光學電子學量

13、子電子學電動力學量子電動力學統(tǒng)計力學量子統(tǒng)計力學經典場論量子場論在物理學之外也是大量的：化學量子化學生物學量子生物學宇宙學量子宇宙學網(wǎng)絡量子網(wǎng)絡信息論量子信息論計算機量子計算機就連投機家所羅斯的基金會也時髦的冠以“量子”二字：“量子基金會”21自誕生起至今，它的勢頭（續(xù)2）百年（19012002）來總共頒發(fā) Nobel Prize 96 次（其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未頒獎） 單就物理獎而言：直接由量子理論得獎 或與量子理論密切相關而得獎的次數(shù)有 57 次 （直接由量子理論得獎25次）22自誕生起至今，它的勢頭（續(xù)3）Nature雜志2000年總結10

14、0年來在它上面發(fā)表的文章。從登載的數(shù)千篇文章中精選出21篇具有里程碑性的文章。其中與量子力學有關的竟占14篇。量子理論自20世紀20年代創(chuàng)立以來，直到現(xiàn)在，已逐步成為核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理、超流和超導物理、半導體物理、激光物理等眾多物理分支學科的共同理論基礎。而且在量子理論的框架內建立了弱電統(tǒng)一的標準模型；量子理論進入了宇宙起源和黑洞理論?？傊?，量子理論誕生后這80年來的發(fā)展，使得： 量子理論成為整個近代物理學的共同理論基礎。23IV）自20世紀80年代以來，量子力學又有很大發(fā)展（除BEC及其應用這一大塊之外）量子信息論和量子計算機：位(bit)量子位(qubit)既是Yes又是No：

15、|Yes+|No存貯器量子存貯器各個位不一定有確定的狀態(tài)邏輯門量子邏輯門網(wǎng)絡量子網(wǎng)絡算法量子算法DeutschDFTShorGrover并行計算、超高速、超大容量通訊量子通訊超大容量、天然保密編碼量子編碼密碼量子密碼密鑰量子密鑰經典可克隆量子不可克隆經典克隆是硬件克??；量子克隆是軟硬件全部克隆，原理上不可能經典通訊的定域傳播量子通訊的非定域傳播24 例如：Lov K. Grover“Quantum Mechanics Helps in Searchingfor a Needle in a Haystack”Physical Review Letters, Vol. 79, No. 2, 199

16、7“量子力學幫助在干草堆里找一根針”物理評論快報，第79卷，第2期，1997年25V）當前量子力學的重要應用量子生物學量子生命科學量子神經網(wǎng)絡量子化學量子材料科學量子信息科學量子計算機科學BEC器件、原子器件目前，它正在向材料科學、化學、生物學、信息科學、計算機科學大規(guī)模滲透。預計不久的將來它將會成為整個近代科學共同的理論基礎26VI）量子力學的基礎和邏輯框架（1）量子力學的主要線索： 2兩組基本實驗：波性、粒子性實驗 1一個基本圖象：波粒二象性 3三大基本特征：或然、分立、不確定性 5五大基本公設：波函數(shù)、算符、測量、 動力學方程、全同性原理 另有： 3測量過程的3階段：糾纏分解、波包塌縮、

17、 初態(tài)演化 2兩種因果律：決定論的、或然的 1一個中心任務：幾率幅計算27量子力學的基礎和邏輯框架（續(xù)2）兩類實驗基礎微觀粒子具有波粒二象性光原是“波”現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它又具有粒子性電子原是“粒子”現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它又具有波動性實驗給出微觀粒子一個基本圖象波粒二象性（對波動的）Einstein 關系：（對粒子的）de Broglie 關系：量子力學的總結：（派生出的）三大基本特征：幾率幅描述量子化現(xiàn)象不確定性關系28量子力學的基礎和邏輯框架（續(xù)3）（歸納成）邏輯結構 五大公設：第一公設波函數(shù)公設第二公設算符公設第三公設測量公設第四公設動力學演化公設: Schrdinger 方程公設第五公設微觀粒子全同性原理公設量子測量的三個過程：糾纏分解波包塌縮（隨機、不可逆、破壞相干性、非定域）初態(tài)演化兩種因果律的交織第一類態(tài)變化：狀態(tài)演化 運動方程初條件。決定論的、可逆的、保持相干性。第二類態(tài)變化：狀態(tài)測量 這是一次隨機的、不可逆的、破壞相干性的、非定域的 “選擇”。一個中心任務的改變：“ 非對易代數(shù)運動方程 算符方程求解 ” 到“ 幾率幅約束條件 路 徑積分計算 ”。29假如一個人不為量子論感到困惑，那他就是沒有明白量子論。 尼爾斯