“現(xiàn)代物理學(xué)”資料匯編

“現(xiàn)代物理學(xué)”資料匯編目錄普朗克常數(shù)_現(xiàn)代物理學(xué)常數(shù)之一從現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展探討孫思邈修道養(yǎng)生觀現(xiàn)代物理學(xué)_物理學(xué)中的新型學(xué)科量子論_現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一現(xiàn)代物理學(xué)普朗克常數(shù)_現(xiàn)代物理學(xué)常數(shù)之一普朗克常數(shù)記為h，是一個基本物理常數(shù)，用以描述量子大小，在量子力學(xué)中占有重要角色。德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克（MaxPlanck）在1900年研究物體熱輻射的規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，計算的結(jié)果才能和試驗結(jié)果是相符。這樣的一份能量叫作能量子，每一份能量子等于hν，ν為輻射電磁波的頻率，h為一常量，叫為普朗克常數(shù)。這一理論被稱為量子理論，它改變了傳統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)觀念，解釋了黑體輻射光譜中的不連續(xù)性，因此為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在物理學(xué)的基本常數(shù)中，有些是通過實驗觀測發(fā)現(xiàn)的，如真空中的光速c、基本電荷e、磁常數(shù)（真空中的磁導(dǎo)率）μ0、電常數(shù)（真空電容率）ε0等。也有一些是在建立相關(guān)定律、定理時被引入或間接導(dǎo)出的，如牛頓引力常數(shù)G、阿伏伽德羅常數(shù)NA、玻耳茲曼常數(shù)kB等。而普朗克常數(shù)h則是完全憑借普朗克的創(chuàng)造性智慧發(fā)現(xiàn)的。然而，它卻是物理學(xué)中一個實實在在的、具有重要意義的、神奇的自然常數(shù)。

h=62607015×10-34J·s（自第26屆國際計量大會(CGPM)表決通過為精確數(shù)。）

若以eV·s（電子伏特·秒）為能量單位則為

h=62607015×10-34/602176634×10-19eV·s=1356676969×10-15eV·s

普朗克常數(shù)的物理單位為能量×?xí)r間，也可視為動量×位移量：

由于計算角動量時要常用到h/2π這個數(shù)，為避免反復(fù)寫2π這個數(shù)，因此引用另一個常用的量為約化普朗克常數(shù)（reducedPlanckconstant），有時稱為狄拉克常數(shù)（Diracconstant），紀(jì)念保羅·狄拉克：

約化普朗克常量（又稱合理化普朗克常量）是角動量的最小衡量單位，約化普克朗常數(shù)是一個量子的內(nèi)稟角動量。

其中π為圓周率常數(shù)，約等于14，?（這個h上有一條斜杠）念為"h拔"。

普朗克常數(shù)用以描述量子化、微觀下的粒子，例如電子及光子，在一確定的物理性質(zhì)下具有一連續(xù)范圍內(nèi)的可能數(shù)值。例如，一束具有固定頻率ν的光，其能量Ei可表示為：Ei=hv。

許多物理量可以量子化。譬如角動量量子化。J為一個具有旋轉(zhuǎn)不變量的系統(tǒng)全部的角動量，Jz為沿某特定方向上所測得的角動量。其值：J2=j(j+1)?2=m?，j=0,1/2,1,3/2,2,...;m=-j,-j+1,...,j

普朗克常數(shù)也使用于海森堡不確定原理。在位移測量上的不確定量（標(biāo)準(zhǔn)差）Δx，和同方向在動量測量上的不確定量Δp有如下關(guān)系：ΔxΔp≥?。還有其他組物理測量量依循這樣的關(guān)系，例如能量和時間。

光電效應(yīng)，光逐出每個電子的動能Ek，Ek可表示為：Ek=hv-Φ；Φ示功函數(shù)，就是從物質(zhì)表面逐出電子需要的最小能量。

物理學(xué)中的一個常量數(shù)值，常用于計算：ε=hν.Ek=hν-W

計量學(xué)中千克的定義。移動質(zhì)量1千克物體所需機械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)的電磁力，再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。

普朗克常數(shù)的引入不僅解釋了黑體輻射現(xiàn)象，同時也為量子力學(xué)的發(fā)展和量子理論的形成作出了貢獻(xiàn)。這個理論變革不僅影響了物理學(xué)領(lǐng)域，還對整個科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，包括發(fā)展出了現(xiàn)代的量子力學(xué)、量子電子學(xué)、固態(tài)物理學(xué)以及量子力學(xué)在化學(xué)、電子學(xué)和計算機科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

波粒二象性是微觀粒子的基本屬性。h是聯(lián)系微觀粒子波粒二象性的橋梁，微觀粒子的行為是以波動性為主要特征還是以粒子性為主要特征，是以普朗克常數(shù)h為基準(zhǔn)來判定的。將微觀粒子的波動性與粒子性聯(lián)系起來的公式是E=hν，P=h/λ。能量E與動量P是典型的描述粒子行為的物理量，頻率ν與波長λ是典型的描述波動行為的物理量。將描述粒子行為的物理量與描述波動行為的物理量用同一個公式相聯(lián)系，這正寓意了波粒二象性，而將二者聯(lián)系起來的恰恰是普朗克常數(shù)h。根據(jù)上述公式可以了解能量為E、動量為P的粒子的頻率與波長，結(jié)合相應(yīng)的物理過程自然可以判斷是粒子性呈主要特征還是波動性呈主要特征。

不確定度原理，有時又稱為測不準(zhǔn)關(guān)系，是海森伯在1927年首先提出來的。它反映了微觀粒子運動的基本規(guī)律，是物理學(xué)中一個極為重要的關(guān)系。它包括多種表示式，其中有兩個是：?x·?Px≥h，?t·?E≥h。前一式子表明，當(dāng)粒子被局限在x方向的一個有限范圍?x內(nèi)時，它所對應(yīng)的動量分量Px必然有一個不確定的數(shù)值范圍?Px，兩者的乘積滿足?x·?Px≥h。換言之，假如x的位置完全確定(?x→0)，那么粒子可以具有的動量Px的數(shù)值就完全不確定(?Px→∞)；當(dāng)粒子處于一個Px數(shù)值完全確定的狀態(tài)時(?Px→0)，我們就無法在x方向把粒子固定住，即粒子在x方向的位置是完全不確定的。后一式子表明，若一粒子在能量狀態(tài)E只能停留?t時間，那么，在這段時間內(nèi)粒子的能量狀態(tài)并非完全確定，它有一個彌散?E≥h?t；只有當(dāng)粒子的停留時間為無限長時(穩(wěn)態(tài))，它的能量狀態(tài)才是完全確定的(?E=0)。不確定度原理是量子力學(xué)的一條基本原理。應(yīng)用量子力學(xué)的理論可以證明，凡是乘積具有h量綱的成對物理量都不能以任意高的精確度同時確定。正如上述動量與坐標(biāo)、能量與時間的乘積均具有h量綱，所以這兩對量不能同時具有確定值。

在一次物理學(xué)會議上，普朗克演講的內(nèi)容是關(guān)于物體熱輻射的規(guī)律，即關(guān)于一定溫度的物體發(fā)出的熱輻射在不同頻率上的能量分布規(guī)律。普朗克對于這一問題的研究已有6個年頭了，他將公布自己關(guān)于熱輻射規(guī)律的最新研究結(jié)果。普朗克首先報告了他在兩個月前發(fā)現(xiàn)的輻射定律，這一定律與最新的實驗結(jié)果精確符合（后來人們稱此定律為普朗克定律）。然后，普朗克指出，為了推導(dǎo)出這一定律，必須假設(shè)在光波的發(fā)射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續(xù)的，或者說，物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，能量值只能取某個最小能量元的整數(shù)倍。為此，普朗克還引入了一個新的自然常數(shù)h=626196×10-34J·s（即626196×10-27erg·s，因為1erg=10-7J）。這一假設(shè)后來被稱為能量量子化假設(shè)，其中最小能量元被稱為能量量子，而常數(shù)h被稱為普朗克常數(shù)。

于是，在這次普通的物理學(xué)會議上，在與會者們的不經(jīng)意間，普朗克首次指出了熱輻射過程中能量變化的非連續(xù)性。今天我們知道，普朗克所提出的能量量子化假設(shè)是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，能量子的存在打破了一切自然過程都是連續(xù)的經(jīng)典定論，第一次向人們揭示了自然的非連續(xù)本性。普朗克的發(fā)現(xiàn)使神秘的量子從此出現(xiàn)在人們的面前，它讓物理學(xué)家們既興奮，又煩惱，直到今天。

物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，但是，怎么會這樣呢？物體能量的變化怎么會是非連續(xù)的呢？根據(jù)我們熟悉的經(jīng)典理論，任何過程的能量變化都是連續(xù)的，而且光從光源中也是連續(xù)地、不間斷地發(fā)射出來的。

沒有人愿意接受一個解釋不通的假設(shè)，尤其是嚴(yán)肅的科學(xué)家們。因此，即使普朗克為了說明物體熱輻射的規(guī)律被迫假設(shè)能量量子的存在，但他內(nèi)心卻無法容忍這樣一個近乎荒謬的假設(shè)。他需要理解它！就像人們理解牛頓力學(xué)那樣。于是，在能量量子化假設(shè)提出之后的十余年里，普朗克本人一直試圖利用經(jīng)典的連續(xù)概念來解釋輻射能量的不連續(xù)性，但最終歸于失敗。1931年，普朗克在給好友伍德（WilliasWood）的信中真實地回顧了他發(fā)現(xiàn)量子的不情愿歷程，他寫道，“簡單地說，我可以把這整個的步驟描述成一種孤注一擲的行動，因為我在天性上是平和的、反對可疑的冒險的，然而我已經(jīng)和輻射與物質(zhì)之間的平衡問題斗爭了六年（從1894年開始）而沒有得到任何成功的結(jié)果。我明白，這個問題在物理學(xué)中是有根本重要性的，而且我也知道了描述正常譜（即黑體輻射譜）中的能量分布的公式，因此就必須不惜任何代價來找出它的一種理論詮釋，不管那代價有多高?！?/p>

1919年，索末菲在他的《原子構(gòu)造和光譜線》一書中最早將1900年12月14日稱為“量子理論的誕辰”，后來的科學(xué)史家們將這一天定為了量子的誕生日。

普朗克曾經(jīng)說過一句關(guān)于科學(xué)真理的真理，它可以敘述為“一個新的科學(xué)真理取得勝利并不是通過讓它的反對者們信服并看到真理的光明，而是通過這些反對者們最終死去，熟悉它的新一代成長起來?！边@一斷言被稱為普朗克科學(xué)定律，并廣為流傳。

物質(zhì)世界能產(chǎn)生普朗克常數(shù)，這一定有所原因。有新的觀點認(rèn)為帶電粒子做圓周運動時，只要向心力是與到圓心的距離的三次方成反比，就能產(chǎn)生一個常數(shù)，這個常數(shù)乘以圓周運動頻率等于帶電粒子動能。如果電子受到這種向心力，那么這個常數(shù)就是普朗克常數(shù)。通過對電荷群的研究證實電子是受到這種向心力的。

馬克斯·普朗克1845年8月1日生于德國的一座小城基爾，普朗克的個性中蘊藏著文靜的力量，性格中內(nèi)含著靦腆的堅強，這使他贏得了教師和同學(xué)的喜愛。

在普朗克生活的時代，自然科學(xué)并不像人文科學(xué)那樣受到重視，人們把自然科學(xué)家戲稱為森林管理員，但普朗克毅然選擇了物理學(xué)作為終生的研究目標(biāo)，他并不追逐名利和成功，而是以一種內(nèi)在的動力驅(qū)使他踏實地工作。

中學(xué)畢業(yè)后，普朗克先后在慕尼黑大學(xué)和柏林大學(xué)就讀，當(dāng)時的物理學(xué)大師赫姆霍茲、基爾霍夫和數(shù)學(xué)家魏爾斯特拉斯都是他的導(dǎo)師。這些大師的深邃思想，使普朗克大開眼界。同時他還精讀了著名熱力學(xué)家克勞修斯的著作，從而開始熱衷于對“熵“的研究。年僅21歲的普朗克就以題為《論熱力學(xué)第二定律》的論文獲得博士學(xué)位。1880年，他為取得大學(xué)授課資格而寫的關(guān)于“各向同性物體的平衡態(tài)”的論文，是他取得的第一項首創(chuàng)性的科學(xué)工作。1885年，普朗克被聘為德國基爾大學(xué)“特命”副教授；1889年，他又接替了柏林大學(xué)他的導(dǎo)師基爾霍夫的位置。在柏林，他取得了有關(guān)電解質(zhì)方面的最新成果，使他對基礎(chǔ)性問題作出了一項決定性的貢獻(xiàn)。1892年，他晉升為正教授，1894年，由于得到導(dǎo)師赫姆霍茲的竭力推薦，成為了柏林科學(xué)院的正式成員。就這樣，普朗克順利地登上了科學(xué)的最高峰，他成了世界上經(jīng)典熱力學(xué)的權(quán)威，并一直保持了這種權(quán)威地位。就在這一年，普朗克轉(zhuǎn)回了當(dāng)時物理學(xué)的研究熱點：黑體輻射問題。

《關(guān)于正常光譜的能量分布定律的理論》1900年從現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展探討孫思邈修道養(yǎng)生觀隨著現(xiàn)代物理學(xué)理論的不斷發(fā)展，人們對于生命和健康的理解也越來越深入。然而，在這個科技高度發(fā)達(dá)的時代，如何實現(xiàn)身心健康卻仍然是一個未解之謎。本文將從現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展的角度，探討孫思邈修道養(yǎng)生觀，以期為現(xiàn)代社會的人們提供一些啟示。

在孫思邈的修道養(yǎng)生觀中，身體與心靈是兩個不可分割的生命要素。他認(rèn)為，要達(dá)到身心健康的目的，必須調(diào)和這兩個要素?，F(xiàn)代物理學(xué)也認(rèn)為，身體與心靈是相互關(guān)聯(lián)的，這種關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)在許多方面。例如，心理壓力會對身體健康產(chǎn)生影響，而身體健康也會影響心理健康。因此，調(diào)和身體與心靈的關(guān)系對于修道養(yǎng)生具有重要的意義。

孫思邈在修道養(yǎng)生過程中，強調(diào)對自然環(huán)境的尊重和利用。他認(rèn)為，自然界中的陰陽五行、四時八節(jié)等規(guī)律都與人的身心健康密切相關(guān)。他提倡順應(yīng)自然，按照自然規(guī)律來調(diào)養(yǎng)身體，以達(dá)到天人合一的境界。這與現(xiàn)代物理學(xué)中的自然宇宙觀有著異曲同工之妙?，F(xiàn)代物理學(xué)也認(rèn)為，自然界中存在著各種規(guī)律，人類應(yīng)該尊重并利用這些規(guī)律，以實現(xiàn)與自然環(huán)境的和諧共處。

孫思邈在修道養(yǎng)生過程中，還注重運用中醫(yī)藥學(xué)和針灸療法。他認(rèn)為，中藥和針灸可以調(diào)和陰陽平衡，從而達(dá)到治病養(yǎng)生的目的。在他的著作中，孫思邈詳細(xì)闡述了中藥和針灸的理論和實踐方法?，F(xiàn)代物理學(xué)對于中藥和針灸的作用機制也有了更加深入的理解。例如，量子物理學(xué)對于中藥和針灸的療效機制提供了新的解釋。

總之孫思邈的修道養(yǎng)生觀是一種融合了身體與心靈、自然與道、藥物與針灸的綜合養(yǎng)生方法。這種方法不僅強調(diào)內(nèi)在的修養(yǎng)和調(diào)理，還注重外在的環(huán)境和條件對于身心健康的影響。從現(xiàn)代物理學(xué)的角度來看，孫思邈的修道養(yǎng)生觀具有以下幾個方面的啟示：

首先孫思邈修道養(yǎng)生觀啟示我們身心的和諧至關(guān)重要。在面對現(xiàn)代社會的壓力和挑戰(zhàn)時我們要學(xué)會通過調(diào)養(yǎng)身心來保持健康。孫思邈所提倡的注重內(nèi)心修養(yǎng)和調(diào)理的方法對現(xiàn)代社會有著重要的借鑒意義。

其次孫思邈修道養(yǎng)生觀中的順應(yīng)自然的思想提醒我們要自然環(huán)境對身心健康的影響。在現(xiàn)代社會中我們應(yīng)該學(xué)會尊重自然規(guī)律并利用自然環(huán)境來促進(jìn)身心健康的發(fā)展。

最后孫思邈所提倡的運用中藥和針灸來調(diào)理身心的做法對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)具有一定的啟示作用。現(xiàn)代物理學(xué)對于中藥和針灸的作用機制的研究為這些古老方法在現(xiàn)代社會中的應(yīng)用提供了新的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。

綜上所述孫思邈的修道養(yǎng)生觀對現(xiàn)代社會具有積極的啟示作用。通過借鑒他的思想和方法我們可以更好地應(yīng)對現(xiàn)代社會的挑戰(zhàn)促進(jìn)身心健康和諧發(fā)展?，F(xiàn)代物理學(xué)_物理學(xué)中的新型學(xué)科物理學(xué)是人們對于生命自然界中物質(zhì)的轉(zhuǎn)變的知識做出規(guī)律性的總結(jié)。這種運動和轉(zhuǎn)變應(yīng)有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸，二是近代人們通過發(fā)明創(chuàng)造供觀察測量用的科學(xué)儀器，實驗得出的結(jié)果。

物理學(xué)從研究角度及觀點不同，可分為微觀與宏觀兩部分，宏觀是不分析微粒群中的單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經(jīng)出現(xiàn)的，微觀物理學(xué)隨著科技的發(fā)展理論逐漸完善。物理又是一種智能。

誠如諾貝爾物理學(xué)獎得主、德國科學(xué)家玻恩所言：“與其說是因為我發(fā)表的工作里包含了一個自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因為那里包含了一個關(guān)于自然現(xiàn)象的科學(xué)思想方法基礎(chǔ)。”物理學(xué)之所以被人們公認(rèn)為一門重要的科學(xué)，不僅僅在于它對客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因為它在發(fā)展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，使得物理學(xué)當(dāng)之無愧地成了人類智能的結(jié)晶，文明的瑰寶。

大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學(xué)本身有價值，而且對整個自然科學(xué)，乃至社會科學(xué)的發(fā)展都有著重要的貢獻(xiàn)。有人統(tǒng)計過，自20世紀(jì)中葉以來，在諾貝爾化學(xué)獎、生物及醫(yī)學(xué)獎，甚至經(jīng)濟學(xué)獎的獲獎?wù)咧?，有一半以上的人具有物理學(xué)的背景；——這意味著他們從物理學(xué)中汲取了智慧，轉(zhuǎn)而在非物理領(lǐng)域里獲得了成功。

總之物理學(xué)是概括規(guī)律性的總結(jié)，是概括經(jīng)驗科學(xué)性的理論認(rèn)識。

對于物理學(xué)理論和實驗來說，物理量的定義和測量的假設(shè)選擇，理論的數(shù)學(xué)展開，理論與實驗的比較是與實驗定律一致，是物理學(xué)理論的唯一目標(biāo)。

人們能通過這樣的結(jié)合解決問題，就是預(yù)言指導(dǎo)科學(xué)實踐這不是大唯物主義思想，其實是物理學(xué)理論的目的和結(jié)構(gòu)。

在不斷反思形而上學(xué)而產(chǎn)生的非經(jīng)驗主義的客觀原理的基礎(chǔ)上，物理學(xué)理論可以用它自身的科學(xué)術(shù)語來判斷。而不用依賴于它們可能從屬于哲學(xué)學(xué)派的主張。在著手描述的物理性質(zhì)中選擇簡單的性質(zhì)，其它性質(zhì)則是群聚的想象和組合。通過恰當(dāng)?shù)臏y量方法和數(shù)學(xué)技巧從而進(jìn)一步認(rèn)知事物的本來性質(zhì)。實驗選擇后的數(shù)量存在某種對應(yīng)關(guān)系。一種關(guān)系可以有多數(shù)實驗與其對應(yīng)，但一個實驗不能對應(yīng)多種關(guān)系。也就是說，一個規(guī)律可以體現(xiàn)在多個實驗中，但多個實驗不一定只反映一個規(guī)律。

對于物理學(xué)來說理論預(yù)言與現(xiàn)實一致與否是真理的唯一判斷標(biāo)準(zhǔn)。

摘要：回顧了物理學(xué)發(fā)展的歷史，討論了二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向。可能應(yīng)該從兩方面去探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口：（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)的不完善性，重新定義時間、空間，建立新的理論。

二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個世紀(jì)，是個令社會發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對性質(zhì)和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)三十年代以后，現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識，物理學(xué)理論達(dá)到了一個新高度，現(xiàn)代物理學(xué)達(dá)到了成熟的階段。

在此世紀(jì)之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展前景，探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。我們來回顧一下上一個世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。

十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)的各個分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了它的頂峰，當(dāng)時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成就，當(dāng)時不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想：認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點。物理學(xué)的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進(jìn)一步精確化的問題，即在一些細(xì)節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。

然而，在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，正當(dāng)物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實驗卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的事實。首先是世紀(jì)之交物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)：電子、射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學(xué)的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。這些實驗結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念受到?jīng)_擊，經(jīng)典物理發(fā)生“危機”。由此引起物理學(xué)的一場革命。普朗克在德國物理學(xué)會上報告結(jié)果，成為革命開始的時刻。愛因斯坦創(chuàng)立相對論；海森堡、薛定諤等一群科學(xué)家創(chuàng)立量子力學(xué)。現(xiàn)代物理學(xué)誕生。

把物理學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個世紀(jì)之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學(xué)建立起來以后，現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到成熟的階段。弦論的發(fā)展對物質(zhì)的看法進(jìn)步。組成物質(zhì)世界的磚塊的基本粒子都是宇宙弦上的各種音符。不斷在產(chǎn)生,不斷在湮滅。多種多樣的物質(zhì)世界成一切有為法，如夢幻泡影，如露亦如電，應(yīng)作如是觀。物理學(xué)步入緣起性空的禪境。使人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認(rèn)識達(dá)到空前的高度，理論能解釋已知的一切物理現(xiàn)象?，F(xiàn)代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀(jì)之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為今后物理學(xué)不會再有革命性的進(jìn)展了，物理學(xué)的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學(xué)，對現(xiàn)有的理論作一些補充和修正。然而，由于有一百年前的歷史經(jīng)驗，多數(shù)物理學(xué)家并不贊成這種觀點，他們相信物理學(xué)遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到非要徹底改造現(xiàn)有理論認(rèn)可的程度。在這方面，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生“嚴(yán)重的危機”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機”。因此，發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件尚不成熟。

客觀物質(zhì)世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構(gòu)成。物質(zhì)世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學(xué)研究的目的包括：探索各層次的運動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。

回顧二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，是在三個方向上前進(jìn)的。在二十一世紀(jì)，物理學(xué)也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。

（1）在微觀方向上深入下去，牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)的局限性就顯現(xiàn)出來。在這個方向上，人們已經(jīng)了解原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)大量的基本粒子及其運規(guī)律，建立核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識到強子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認(rèn)為在這個方向上難以有突破性的進(jìn)展。

（2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當(dāng)時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結(jié)果，為“大爆炸”理論提供有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認(rèn)為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這是很艱巨的任務(wù)。

宇宙創(chuàng)生學(xué)說，認(rèn)為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為宇宙學(xué)研究的只是人們能觀測到的范圍以內(nèi)的“宇宙”，宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數(shù)個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)只研究我們這個“宇宙”，只得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生初及遙遠(yuǎn)的未來，則失誤更大。

這正是統(tǒng)計物理學(xué)研究的主要內(nèi)容。二十世紀(jì)在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學(xué)有大發(fā)展，然后建立“耗散結(jié)構(gòu)”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來。把這些分支學(xué)科都納入非線性科學(xué)的范疇。相信在二十一世紀(jì)非線性科學(xué)的發(fā)展有廣闊的前景。

上述的物理學(xué)的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個世紀(jì)，物理學(xué)的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展？有一些物理學(xué)家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等科學(xué)家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到11968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學(xué)家正在探索加上強力的“大統(tǒng)一理論”及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想，但是他努力探索三十年，最終沒有成功。根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成，它也不是物理學(xué)發(fā)展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認(rèn)識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認(rèn)識也就永遠(yuǎn)沒有完結(jié)。”

現(xiàn)代物理學(xué)的革命會怎樣發(fā)生？有兩個方面值得重試：

（1）客觀世界不是只有四種力。第第六……種力究竟何在呢？人們并不知道。將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成生命體之后，其運動和變化實在奧妙，人們沒有認(rèn)識的問題實在多，人們今天對于生命科學(xué)的認(rèn)識跟亞里斯多德時代的人們對于物理學(xué)的認(rèn)識一樣，因此在這方面取得突破性的進(jìn)展是很可能的。物理學(xué)與生命科學(xué)的交叉點是二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的一個方向，與此有關(guān)的是關(guān)于復(fù)雜性研究的非線性科學(xué)的發(fā)展。

（2）現(xiàn)代物理學(xué)理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應(yīng)該通過審思現(xiàn)代物理學(xué)理論基礎(chǔ)的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點。

相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎(chǔ)是否十全十美的

當(dāng)年愛因斯坦是從關(guān)于光速和關(guān)于時間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立狹義相對論。人們今天探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，也應(yīng)該從重新審思時空的概念入手。愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的，他規(guī)定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就自然導(dǎo)出洛侖茲變換，導(dǎo)致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因斯坦提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運動談?wù)摃r間、空間，在定義時空時應(yīng)該說明是關(guān)于什么運動的時空?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運動，實際上就暗含了這樣的假設(shè)：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c’。至今為止，并無實驗事實證明c’等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實際上假定了c=c’。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數(shù)量級上相差太多，因此我相信c’可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運動的時空（x’，y’，z’，ic’t’）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c’。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c’和c是否相等；如果不相等，需要導(dǎo)出c’的數(shù)值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當(dāng)時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結(jié)果推算出c’是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長期的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項工作冷下去了。根據(jù)愛因斯坦理論預(yù)言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實驗技術(shù)能夠達(dá)到的測量靈敏度和準(zhǔn)確度之下，這樣弱的引力波應(yīng)該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了愛因斯坦理論的缺點。應(yīng)該從c’可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c’和c有較大的差異，則可能導(dǎo)出引力波的強度比根據(jù)愛因勞動保護坦理論預(yù)言的強度弱得多的結(jié)果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質(zhì)運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應(yīng)該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行，不想貿(mào)然回答這個問題。如果應(yīng)該用弱力或強力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運動的時空（x’，y’，z’，ic’t’）

有很大的不同。設(shè)弱或強相互作用的傳遞速度為c’’，c’’不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強力引起的運動的時空為（x’’，y’’，z’’，Ic’’t’’），時間t’’和空間（x’’，y’’，z’’）將是c’的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強力引起的運動的時空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時的速度c’’取代光速c，c’’可能不等于c。則關(guān)于由強力引起的運動的時空（x’’，y’’，z’’，Ic’’t’’）不同于（x，y，z，ict）或（x’，y’，z’，ic’t’）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質(zhì)世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質(zhì)運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

從量子力學(xué)發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個問題或許還與時間、空間的定義有關(guān)。量子力學(xué)理論中時寬人的定義實質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴(yán)格確定的，決定論的時空要領(lǐng)不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。在重新定義時空時還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運動的類別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了，把這個數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。量子論_現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一量子論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。量子論提供了新的關(guān)于自然界的觀察、思考和表述方法。量子論揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)、粒子物理學(xué)以及現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射，粒子的無限可分和信息攜帶等。尤其它的開放性和不確定性，啟發(fā)人類更多的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造。

大家都熟悉光是有波粒二象性的，也都知道光雙縫的干涉實驗是證明了光存在波的屬性的，實驗結(jié)果是在光線通過雙縫后在后面的熒幕上產(chǎn)生了干涉條紋。

改變一下實驗條件：每一次只發(fā)射一個光粒子，結(jié)果將是如何？熒幕上是否會產(chǎn)生如同波干涉一樣的條紋么（如果是粒子沒有其他粒子影響，按經(jīng)典理論該粒子應(yīng)當(dāng)重復(fù)之前路徑）？結(jié)果是即便一次只發(fā)射一個光粒子，這個粒子依舊會產(chǎn)生干涉（顯像位置按概率出現(xiàn)，無法使用經(jīng)典理論解釋）。

由此引出了量子論的關(guān)鍵觀點：“微觀世界里，上帝也在玩骰子”（不確定性原理）。

1900年普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難，引入了能量子概念，為量子理論奠定了基石。

隨后，愛因斯坦針對光電效應(yīng)實驗與經(jīng)典理論的矛盾，提出了光量子假說，并在固體比熱問題上成功地運用了能量子概念，為量子理論的發(fā)展打開了局面。

1913年，玻爾在盧瑟福有核模型的基礎(chǔ)上運用量子化概念，提出玻爾的原子理論，對氫光譜作出了滿意的解釋，使量子論取得了初步勝利。隨后，玻爾、索末菲和其他物理學(xué)家為發(fā)展量子理論花了很大力氣，卻遇到了嚴(yán)重困難，舊量子論陷入困境。

1923年，德布羅意提出了物質(zhì)波假說，將波粒二象性運用于電子之類的粒子束，把量子論發(fā)展到一個新的高度。

1925年-1926年薛定諤率先沿著物質(zhì)波概念成功地確立了電子的波動方程，為量子理論找到了一個基本公式，并由此創(chuàng)建了波動力學(xué)。

幾乎與薛定諤同時，海森伯寫出了以“關(guān)于運動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論的重新解釋”為題的論文，創(chuàng)立了解決量子波動理論的矩陣方法。

1925年9月，玻恩與另一位物理學(xué)家約丹合作，將海森伯的思想發(fā)展成為系統(tǒng)的矩陣力學(xué)理論。不久，狄拉克改進(jìn)了矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)形式，使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。

1926年薛定諤發(fā)現(xiàn)波動力學(xué)和矩陣力學(xué)從數(shù)學(xué)上是完全等價的，由此統(tǒng)稱為量子力學(xué)，而薛定諤的波動方程由于比海森伯的矩陣更易理解，成為量子力學(xué)的基本方程。

1928年狄拉克將相對論運用于量子力學(xué)，又經(jīng)海森堡、泡利等人的發(fā)展，形成了量子電動力學(xué)，量子電動力學(xué)研究的是電磁場與帶電粒子的相互作用。

1948-1949年，里查德·費因曼（RichardPhillipsFeynman）、施溫格（J.S.Schwinger）和朝永振一郎用重正化概念發(fā)展了量子電動力學(xué)，從而獲得1965年諾貝爾物理學(xué)獎。

海森伯不確定原則是量子論中最重要的原則之一。最初的不確定性原理指出，不可能同時精確地測量出粒子的動量和位置，因為在測量過程中儀器會對測量過程產(chǎn)生干擾，測量其動量就會改變其位置，反之亦然。量子理論跨越了牛頓力學(xué)中的死角，在解釋事物的宏觀行為時，只有量子理論能處理原子和分子現(xiàn)象中的細(xì)節(jié)。但是，這一新理論所產(chǎn)生的似是而非的矛盾說法比光的波粒二重性還要多。牛頓力學(xué)以確定性和決定性來回答問題，量子理論則用可能性和統(tǒng)計數(shù)據(jù)來回答。傳統(tǒng)物理學(xué)精確地告訴我們火星在哪里，而量子理論讓我們就原子中電子的位置進(jìn)行一場賭博。海森伯不確定性使人類對微觀世界的認(rèn)識受到了絕對的限制，并告訴我們要想絲毫不影響結(jié)果，就無法進(jìn)行測量。量子力學(xué)的奠基人之一薛定諤在1935年就意識到了量子力學(xué)中不確定性的問題，并假設(shè)了一個著名的貓思維實驗：“一只貓關(guān)在一鋼盒內(nèi)，盒中有下述極殘忍的裝置（必須保證此裝置不受貓的直接干擾）：在蓋革計數(shù)器中有一小塊輻射物質(zhì)，它非常小，或許在1小時中只有一個原子衰變。在相同的幾率下或許沒有一個原子衰變。如果發(fā)生衰變，計數(shù)管便放電并通過繼電器釋放一個錘，擊碎一個小小的氰化物瓶。如果人們使這整個系統(tǒng)自在1個小時，那么人們會說，如果在此期間沒有原子衰變，這貓就是活的。第一次原子衰變必定會毒殺了這只貓。”

常識告訴我們那只貓非死即活，兩者必居其一?？墒前凑樟孔恿W(xué)的規(guī)則，盒內(nèi)整個系統(tǒng)處于兩種態(tài)的疊加之中，一態(tài)中有活貓，另一態(tài)中有死貓。但是有誰在現(xiàn)實生活中見過一個又活又死的貓呢？貓應(yīng)該知道自己是活還是死，然而量子理論告訴我們，這個不幸的動物處于一種懸而未決的死活狀態(tài)中，直到某人窺視盒內(nèi)看個究竟為止。此時，它要么變得生氣勃勃，要么立刻死亡。如果把貓換成一個人，那么詳謬變得更尖銳了，因為這樣一來，監(jiān)禁在盒內(nèi)的那位朋友會自始至終地意識到他是健康與否。如果實驗員打開盒子，發(fā)現(xiàn)他仍然是活的，那時他可以問他的朋友，在此觀察前他感覺如何，顯然這位朋友會回答在所有的時間中他絕對活著。可這跟量子力學(xué)是相矛盾的，因為量子理論認(rèn)為在盒內(nèi)的東西被觀察之前那位朋友仍處在活－死疊加狀態(tài)中。

玻爾敏銳地意識到它正表征了經(jīng)典概念的局限性，因此以此為基礎(chǔ)提出“互補原則”（并協(xié)原理），認(rèn)為在量子領(lǐng)域總是存在互相排斥的兩種經(jīng)典特征，正是它們的互補構(gòu)成了量子力學(xué)的基本特征。玻爾的互補原則被稱為正統(tǒng)的哥本哈根解釋，但愛因斯坦一直不同意。他始終認(rèn)為統(tǒng)計性的量子力學(xué)是不完備的，而互補原理是一種綏靖哲學(xué)，因而一再提出假說和實驗責(zé)難量子論，但玻爾總能給出自洽的回答，為量子論辯護。愛因斯坦與玻爾的論戰(zhàn)持續(xù)了半個世紀(jì)，直到他們兩人去世也沒有完結(jié)。

薛定諤貓實驗告訴我們，在原子領(lǐng)域中實在的佯謬性質(zhì)與日常生活和經(jīng)驗是不相關(guān)的，量子幽靈以某種方式局限于原子的陰影似的微觀世界之中。如果遵循量子理論的邏輯到達(dá)其最終結(jié)論，則大部分的物理宇宙似乎要消失于陰影似的幻想之中。愛因斯坦決不愿意接受這種邏輯結(jié)論。他反問：沒有人注視時月亮是否實在？科學(xué)是一項不帶個人色彩的客觀的事業(yè)，將觀察者作為物理實在的一個關(guān)鍵要素的思想看來與整個科學(xué)精神相矛盾。如果沒有一個“外在的”具體世界供我們實驗與測量，全部科學(xué)不就退化為追逐想象的一個游戲了嗎？

量子理論革命性的特點，一開始就引起了關(guān)于它的正確性及其解釋內(nèi)容的激烈爭論，在20世紀(jì)中這個爭論一直進(jìn)行著。自然法則從根本上將是否具有隨機性？在我們的觀察中是否存在實體？我們又是否受到了觀察現(xiàn)象的影響？愛因斯坦率先從幾個方面對量子理論提出質(zhì)疑。他不承認(rèn)自然法則是隨機的。他不相信“上帝在和世界玩骰子”。在和玻爾的一系列著名的論戰(zhàn)中，愛因斯坦又一次提出了批判，試圖解釋量子理論潛在的漏洞、錯誤和缺點。玻爾則巧妙地挫敗了愛因斯坦的所有攻擊。在1935年的一篇論文中，愛因斯坦提出了一個新證據(jù)：斷言量子理論無法對自然界進(jìn)行完全的描述。根據(jù)愛因斯坦的說法，一些無法被量子理論預(yù)見的物理現(xiàn)象應(yīng)該能被觀測到。這一挑戰(zhàn)最終導(dǎo)致阿斯派特做了一系列著名的試驗，準(zhǔn)備用這些試驗解決這一爭論。阿斯派特的實驗詳盡地證明了量子理論的正確性。阿斯派特認(rèn)為，量子理論能夠預(yù)見但無法解釋一些奇妙的現(xiàn)象，愛因斯坦斷言這一點是不可能的。由此似乎信息傳播比光速還快——很明顯地違背了相對論和因果律。阿斯派特的實驗結(jié)論仍有爭議，但它們已促成了關(guān)于量子論的更多的奇談怪論。

由玻爾和海森伯發(fā)展起來的理論和哥本哈根派的觀點，盡管仍有爭論，卻逐漸在大多數(shù)物理學(xué)家中得到認(rèn)可。按照該學(xué)派的觀點，自然規(guī)律既非客觀的，也非確定的。觀察者無法描述獨立于他們之外的現(xiàn)實。就象不確定律和測不準(zhǔn)定律告訴我們的一樣，觀察者只能受到觀察結(jié)果的影響。按自然規(guī)律得出的實驗性預(yù)見總是統(tǒng)計性的而非確定性的。沒有定規(guī)可尋，它僅僅是一種可能性的分布。

電子在不同的兩個實驗中表現(xiàn)出的波動性和粒子性這一表面上的矛盾是互補性原理的有關(guān)例子。量子理論能夠正確地、連續(xù)地預(yù)測電子的波動性或粒子性，卻不能同時對兩者進(jìn)行預(yù)測。按照玻爾的觀點，這一矛盾是我們在對電子性質(zhì)的不斷探索中，在我們的大腦中產(chǎn)生的，它不是量子理論的一部分。而且，從自然界中只能得到量子理論提供的有限的、統(tǒng)計性的信息。量子理論是完備的：該理論未能告訴我們的東西或許是有趣的猜想或隱喻。但這些東西既不可觀測，也不可測量，因而與科學(xué)無關(guān)。哥本哈根解釋未能滿足愛因斯坦關(guān)于一個完全客觀的和決定性的物理定律應(yīng)該是什么樣的要求。幾年后，他通過一系列思維推理實驗向玻爾發(fā)起挑戰(zhàn)。這些實驗計劃用來證明在量子理論中的預(yù)測中存在著不一致和錯誤。愛因斯坦用兩難論或量子理論中的矛盾向玻爾發(fā)難。玻爾把問題稍微思考幾天，然后就能提出解決辦法。愛因斯坦難免過分地看重了一些東西或者忽略了某些效應(yīng)。有一次，具有諷刺意味的是愛因斯坦忘記了考慮他自己提出的廣義相對論。最終，愛因斯坦承認(rèn)了量子理論的主觀一致性，但他仍固執(zhí)地堅持一個致命的批判：EPR思維實驗。

1935年，愛因斯坦和兩個同事普多斯基和羅森合作寫了一篇駁斥量子理論完備性的論文，在物理學(xué)家和科學(xué)思想家中間廣為流傳。該論文以三個人姓氏的第一個字母合稱EPR論文。他們假設(shè)有兩個電子：電子1和電子2發(fā)生碰撞。由于它們帶有相同的電荷，這種碰撞是彈性的，符合能量守恒定律，碰撞后兩電子的動量和運動方向是相關(guān)的。因而，如果測出了電子1的位置，就能推知電子2的位置。假設(shè)在碰撞發(fā)生后精確測量電子1的位置，然后測量其動量。由于每次只測量了一個量，測量的結(jié)果應(yīng)該是準(zhǔn)確的。由于電子2之間的相關(guān)性，雖然我們沒有測量電子2，即沒有干擾過它，但仍然可以精確推測電子2的位置和動量。換句話說，我們經(jīng)過一次測量得知了電子的位置和動量，而量子理論說這是不可能的，關(guān)于這一點量子理論沒有預(yù)見到，愛因斯坦及其同事由此證明：量子理論是不完備的。

玻爾經(jīng)過一段時間的思考，反駁說EPR實驗非但沒有證否量子理論，而且還證明了量子理論的互補性原理。他指出，測量儀器、電子1和電子2共同組成了一個系統(tǒng)，這是一個不可分割的整體。在測量電子1的位置的過程中會影響電子2的動量。因此對電子1的測量不能說明電子2的位置和動量，一次測量不能代替兩次測量。這兩個結(jié)果是互補的和不兼容的，我們既不能說系統(tǒng)中一個部分受到另一個部分的影響，也不能試圖把兩個不同實驗結(jié)果互相聯(lián)系起來。EPR實驗假定了客觀性和因果關(guān)系的存在而得出結(jié)論認(rèn)為量子理論是不完備的，事實上這種客觀性和因果性只是一種推想和臆測。

盡管人們對量子理論的含義還不太清楚，但它在實踐中獲得的成就卻是令人吃驚的。尤其在凝聚態(tài)物質(zhì)——固態(tài)和液態(tài)的科學(xué)研究中更為明顯。用量子理論來解釋原子如何鍵合成分子，以此來理解物質(zhì)的這些狀態(tài)是再基本不過的。鍵合不僅是形成石墨和氮氣等一般化合物的主要原因，而且也是形成許多金屬和寶石的對稱性晶體結(jié)構(gòu)的主要原因。用量子理論來研究這些晶體，可以解釋很多現(xiàn)象，例如為什么銀是電和熱的良導(dǎo)體卻不透光，金剛石不是電和熱的良導(dǎo)體卻透光？而實際中更為重要的是量子理論很好地解釋了處于導(dǎo)體和絕緣體之間的半導(dǎo)體的原理，為晶體管的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1948年，美國科學(xué)家約翰·巴丁、威廉·肖克利和瓦爾特·布拉頓根據(jù)量子理論發(fā)明了晶體管。它用很小的電流和功率就能有效地工作，而且可以將尺寸做得很小，從而迅速取代了笨重、昂貴的真空管，開創(chuàng)了全新的信息時代，這三位科學(xué)家也因此獲得了1956年的諾貝爾物理學(xué)獎。另外，量子理論在宏觀上還應(yīng)用于激光器的發(fā)明以及對超導(dǎo)電性的解釋。

而且量子論在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也十分美好?？茖W(xué)家認(rèn)為，量子力學(xué)理論將對電子工業(yè)產(chǎn)生重大影響，是物理學(xué)一個尚未開發(fā)而又具有廣闊前景的新領(lǐng)域。時下半導(dǎo)體的微型化已接近極限，如果再小下去，微電子技術(shù)的理論就會顯得無能為力，必須依靠量子結(jié)構(gòu)理論。科學(xué)家們預(yù)言，利用量子力學(xué)理論，到2010年左右，人們能夠使蝕刻在半導(dǎo)體上的線條的寬度小到十分之一微米（一微米等于千分之一毫米）以下。在這樣窄小的電路中穿行的電信號將只是少數(shù)幾個電子，增加一個或減少一個電子都會造成很大的差異。

美國威斯康星大學(xué)材料科學(xué)家馬克斯·拉加利等人根據(jù)量子力學(xué)理論已制造了一些可容納單個電子的被稱為“量子點”的微小結(jié)構(gòu)。這種量子點非常微小，一個針尖上可容納幾十億個。研究人員用量子點制造可由單個電子的運動來控制開和關(guān)狀態(tài)的晶體管。他們還通過對量子點進(jìn)行巧妙的排列，使這種排列有可能用作微小而功率強大的計算機的心臟。美國得克薩斯儀器公司、國際商用機器公司、惠普公司和摩托羅拉公司等都對這種由一個個分子組成的微小結(jié)構(gòu)感興趣，支持對這一領(lǐng)域的研究，并認(rèn)為這一領(lǐng)域所取得的進(jìn)展“必定會獲得極大的回報”。

科學(xué)家對量子結(jié)構(gòu)的研究的主要目標(biāo)是要控制非常小的電子群的運動即通過“量子約束”以使其不與量子效應(yīng)沖突。量子點就有可能實現(xiàn)這個目標(biāo)。量子點由直徑小于20納米的一團團物質(zhì)構(gòu)成，或者約相當(dāng)于60個硅原子排成一串的長度。利用這種量子約束的方法，人們有可能制造用于很多光盤播放機中的小而高效的激光器。這種量子阱激光器由兩層其他材料夾著一層超薄的半導(dǎo)體材料制成。處在中間的電子被圈在一個量子平原上，電子只能在兩維空間中移動。這樣向電子注入能量就變得容易些，結(jié)果就是用較少的能量就能使電子產(chǎn)生較多的激光。

美國電話電報公司貝爾實驗室的研究人員正在對量子進(jìn)行更深入的研究。他們設(shè)法把量子平原減少一維，制造以量子線為基礎(chǔ)的激光器，這種激光器可以大大減少通信線路上所需要的中繼器。

美國南卡羅來納大學(xué)詹姆斯·圖爾斯的化學(xué)實驗室用單個有機分子已制成量子結(jié)構(gòu)。采用他們的方法可使人們將數(shù)以十億計分子大小的裝置擠在一平方毫米的面積上。一平方毫米可容納的晶體管數(shù)可能是時下的個人計算機晶體管數(shù)的1萬倍。紐約州立大學(xué)的物理學(xué)家康斯坦丁·利哈廖夫已用量子存儲點制成了一個存儲芯片模型。從理論上講，他的設(shè)計可把1萬億比特的數(shù)據(jù)存儲在大約與現(xiàn)今使用的芯片大小相當(dāng)?shù)男酒?，而容量是時下芯片儲量的1·5萬倍。有很多研究小組已制出了利哈廖夫模型裝置所必需的單電子晶體管，有的還制成了在室溫條件下工作的單電子晶體管?？茖W(xué)家們認(rèn)為，電子工業(yè)在應(yīng)用量子力學(xué)理論方面還有很多問題有待解決。因此大多數(shù)科學(xué)家正在努力研究全新的方法，而不是仿照時下的計算機設(shè)計量子裝置。

量子理論提供了精確一致地解決關(guān)于原子、激光、射線、超導(dǎo)性以及其他無數(shù)事情的能力，幾乎完全使古老的經(jīng)典物理理論失去了光彩。但我們?nèi)耘f在日常的地面運動甚至空間運動中運用牛頓力學(xué)，在這個古老而熟悉的觀點和這個新的革命性的觀點之間一直存在著沖突。

宏觀世界的定律保持著頑固的可驗證性，而微觀世界的定律具有隨機性。我們對拋射物和彗星的動態(tài)描述具有明顯的視覺特征，而對原子的描述不具有這種特征，桌子、凳子、房屋這樣的世界似乎一直處于我們的觀察之中，而電子和原子的實際的或物理性狀態(tài)沒有緩解這一矛盾。如果說這些解釋起了些作用的話，那就是他們加大了這兩個世界之間的差距。

對大多數(shù)物理學(xué)家來說，這一矛盾解決與否并無大礙，他們僅僅關(guān)心他們自己的工作，過分忽視了哲學(xué)上的爭議和存在的沖突。畢竟，物理工作是精確地預(yù)測自然現(xiàn)象并使我們控制這些現(xiàn)象，哲學(xué)是不相關(guān)的東西。

廣義相對論在大尺度空間、量子理論在微觀世界中各自取得了輝煌的成功?；玖Ｗ幼裱孔诱摰姆▌t，而宇宙學(xué)遵循廣義相對論的法則，很難想象它們之間會出現(xiàn)大的分歧。很多科學(xué)家希望能將這兩者結(jié)合起來，開創(chuàng)一門將從宏觀到微觀的所有物理學(xué)法則統(tǒng)一在一起的新理論。但迄今為止所有謀求統(tǒng)一的努力都遭到失敗，原因是這兩門20世紀(jì)物理學(xué)的重大學(xué)科完全矛盾。是否能找到一種比現(xiàn)有的這兩種理論都好的新理論，使這兩種理論都變得過時，正如它們流行之前的種種理論遇到的情況那樣呢？

先了解一下古希臘有名的“芝諾悖論”——“阿基里斯追不上烏龜”：

阿基里斯（《荷馬史詩》中的善跑英雄）永遠(yuǎn)也無法超過在他前面慢慢爬行的烏龜。因為他必須首先到達(dá)烏龜?shù)某霭l(fā)點，而當(dāng)他到達(dá)那一點時，烏龜已向前爬到了一個新位置；當(dāng)他到達(dá)烏龜?shù)男挛恢脮r，烏龜又向前爬了……這樣，烏龜總是跑在前頭，阿基里斯只能離烏龜越來越近,卻永遠(yuǎn)追不上烏龜。

按照直覺和常識，那怕阿基里斯跟烏龜離得再遠(yuǎn)，追上烏龜也不成問題，因為他比烏龜跑得快；但按照芝諾給我們設(shè)下的思維圈套，卻又分明追不上。其實，這里面就隱含了量子論。其實，量子論的一些基本論點顯得并不“玄乎”，如：空間不是連續(xù)的（事實上“量子”這個詞也就是來源于“不連續(xù)”，普朗克將能量量子化，被認(rèn)為是量子論的誕生，普郎克本人也就成為量子論的創(chuàng)始人），也就是說空間不可能無限地被分割。聯(lián)系上述悖論，當(dāng)阿基里斯跟烏龜?shù)木嚯x近到所允許的最小距離（即一個“量子”距離。這個值非常小，這里假定為s了）便無窮趨于0。那么，基于無限分割空間的芝諾悖論也就站不住腳。其實，如果多想一下，問題就來了：假設(shè)這最小距離的兩個端點是A和B，按照量子論，物體從A不經(jīng)過A和B中的任何一個點而直接到達(dá)B，打個比方說，這個物體就象一個魔術(shù)演員，從舞臺的左邊上場，接著突然出現(xiàn)在舞臺的右邊。物體的運動軌跡不再是連續(xù)的一條線，而是一個個點。物體在A點突然消失，與此同時在B點出現(xiàn)了。你會問，這“期間”（其實沒有這“期間”，而是同一時間）除了神話和社會上的種種“偽科學(xué)”、“特異功能”，你無法在現(xiàn)實的宏觀世界上找到一個這樣的例子。這樣，我們已經(jīng)可以領(lǐng)會到量子論的“神秘”和“怪誕”之處，并從中窺到量子論“反直覺”的特性。

哲學(xué)是社會科學(xué)的范疇，量子論是自然科學(xué)的范疇。以前無論教科書上怎么強調(diào)哲學(xué)與自然科學(xué)的關(guān)系，我都不甚以為然，甚至覺得它們風(fēng)牛馬不相及。隨著對量子論了解的增多，發(fā)現(xiàn)量子論跟哲學(xué)居然那么緊密聯(lián)系在一起。愛因斯坦創(chuàng)造奇跡就源于深刻的哲學(xué)思考。他本人就曾說過，與其說他是個物理學(xué)家，不如說他是個哲學(xué)家。相對論是革命的，但量子論顯得更革命，它需要有更大的勇氣，更超越的思維。量子論的發(fā)展，也必然引發(fā)對哲學(xué)的思考。量子論給傳統(tǒng)的時空觀、物質(zhì)觀等帶來了革命性的沖擊，一個舊的世界在它的沖擊下分崩離析，一個新的世界在逐漸形成。它跟人們的直覺和常識那么地格格不入。如：電子不是粒子，而是波函數(shù)。根據(jù)目前較為流行的弦理論，（組成質(zhì)子的）微觀粒子實際上是震動的弦，弦的大小和方向的不同就形成了不同的“粒子”。粒子變得像音符一樣。原來我還認(rèn)為電子、質(zhì)子就是粒子，就象我們看到的桌子、椅子那樣客觀存在，不容置疑，如今，電子、質(zhì)子都失卻了形體，成了什么波、什么弦！尤其是這個“波函數(shù)”彌漫整個空間，甚至整個宇宙，兩個糾纏態(tài)既便相距千里，仍然可以以一種不可思議的方式進(jìn)行超距合作！更有一個聽起來勝似“天方夜潭”的宇宙創(chuàng)造論：整個宇宙是由一個奇點開始的，這個奇點瞬間爆炸，產(chǎn)生了巨大的能量，于是有了時間，有了空間，進(jìn)而演變成宇宙。宇宙竟能無中生有！那個奇點沒有質(zhì)量也沒有大小，跟數(shù)學(xué)上的點能有什么不同？而那些波、那些弦，也無法將它們看做具有實形的東西?！俺藥缀侮P(guān)系之外一無所有。空間不再是一個客體(如粒子)振動和相互碰撞的場所,而變成了一個永遠(yuǎn)在變換樣式和過程的萬花筒。”數(shù)學(xué)似乎成了宇宙唯一通用的語言。道教的“一生二，二生三，三生萬物”，似乎在自然界也找到了詮釋。所羅門在《傳道書》中說，“虛空的虛空，虛空的虛空，凡事都是虛空”，他的本意當(dāng)然不是指什么“宇宙的本質(zhì)”，但按照上述的宇宙創(chuàng)造論，對于宇宙倒是“一語道的”了。既然量子論都這么說，那么哲學(xué)出現(xiàn)什么“形而上”，還有什么好奇怪的呢？宇宙可以從“無”中創(chuàng)造出來，甚至超出唯心主義和唯物主義的想象（要知道那可是一無所有的“空”，沒有時間和空間，更沒有物質(zhì)和意識，什么都沒有）！

提到這個，至少我本人有一些誤解，把一些量子論的東西當(dāng)成了相對論（畢竟我對廣義相對論也幾乎是一無所知）。目前，盡管量子論已經(jīng)得到了巨大的應(yīng)用，但相對于赫赫聲名的相對論，量子論似乎還是顯得“默默無聞”。量子論是憑著它神奇的力量和越來越多、越來越神奇的應(yīng)用贏得人們的“青睞”的。盡管如此，我們還是對量子論知之甚少。而相對論就不同了，什么時空扭曲，時間變慢，質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)換，火車速度加快會變短，諸如此類，雖說到不了婦儒皆知的地步，恐怕稍有科普知識的人均有所了解吧，也常常是我們津津樂道的話題。其實，我們把量子論的一些“功勞”加到了相對論上，甚至把量子論的一些東西當(dāng)成了相對論的東西。針對量子論中的“不確性原理”，愛因斯坦設(shè)計了一個被稱為EPR的佯謬，并有句廣為人知的名言：“上帝不會擲骰子”。最近幾天才知道(真是慚愧)，“上帝會不會擲骰子”這個問題早在在1997年的試驗中就已經(jīng)棺成定論。實驗結(jié)果與量子論的預(yù)言相符，愛因斯坦輸了！赫赫有名的霍金在談到“黑洞”吞噬一切的特性時，還拿這句話開涮:“上帝不僅擲骰子，還會把骰子投到人看不到的地方。”相對論帶給我們奇異的結(jié)論確實不少，但相比量子論卻還是顯得遜色多了（當(dāng)然，并不是指相對論比量子論遜色），量子傳輸，一臺量子計算機甚至可以相當(dāng)于多少萬臺普通計算機并行運算……這樣的例子會越來越多。相對論與量子論看起來“水火不相容”，但物理學(xué)家們正試圖將這兩種理論統(tǒng)一起來，形成一個“大統(tǒng)一”，據(jù)說已取得較大進(jìn)展。

量子論如今已經(jīng)經(jīng)過了百年的風(fēng)風(fēng)雨雨，但它的發(fā)展還遠(yuǎn)沒有終結(jié)，路途如此坎坷，甚至讓人覺得到了一種“山重水復(fù)疑無路”的地步。量子論的發(fā)展也不象牛頓力學(xué)、相對論那樣，很快就得到了認(rèn)可，并成為一個相對完善的理論。而量子論，在發(fā)展的道路上雖然奇景不斷，但從它曲折的發(fā)展歷史上看，量子論的每一個分支總是越走越艱難。至今，新的流派和分支還在不斷地出現(xiàn)。也許“上帝”為人類設(shè)置了最后一道不可逾越的機關(guān)，這是人類認(rèn)識的極限，是認(rèn)識中的“量子”，最終人類無法超越它，人類也就最終不能窮盡大自然的奧秘，永遠(yuǎn)無法看到“上帝”他老人家的真實面孔。

量子力學(xué)雖然建立了，但關(guān)于它的物理解釋卻總是很抽象，大家的說法也不一致。波動方程中的所謂波究竟是什么？

玻恩認(rèn)為，量子力學(xué)中的波實際上是一種幾率，波函數(shù)表示的是電子在某時某地出現(xiàn)的幾率。1927年，海森伯提出了微觀領(lǐng)域里的不確定性關(guān)系，他認(rèn)為任何一個粒子的位置和動量不可能同時準(zhǔn)確測量，要準(zhǔn)確測量其中的一個，另一個就將是不確定的，這就是所謂的“不確定性原理”。它和玻恩的波函數(shù)幾率解釋一起，奠定了量子力學(xué)詮釋的物理基礎(chǔ)。玻爾敏銳地意識到不確定性原理正表征了經(jīng)典概念的局限性，因此在此基礎(chǔ)上提出了“互補原理”（并協(xié)原理）。玻爾的互補原理被人們看成是正統(tǒng)的哥本哈根解釋，但愛因斯坦不同意不確定性原理，認(rèn)為自然界各種事物都應(yīng)有其確定的因果關(guān)系，而量子力學(xué)是統(tǒng)計性的，因此是不完備的，而互補原理更是一種權(quán)宜之計。于是在愛因斯坦與玻爾之間進(jìn)行了長達(dá)三四十年的爭論，直到他們?nèi)ナ酪矝]有作出定論。

如果說光在空間的傳播是相對論的關(guān)鍵，那么光的發(fā)射和吸收則帶來了量子論的革命。我們知道物體加熱時會放出輻射，科學(xué)家們想知道這是為什么。為了研究的方便，他們假設(shè)了一種本身不發(fā)光、能吸收所有照射其上的光線的完美輻射體，稱為“黑體”。研究過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)按麥克斯韋電磁波理論計算出的黑體光譜紫外部分的能量是無限的，顯然發(fā)生了謬誤，這為“紫外線災(zāi)難”提供了依據(jù)。1900年，德國物理學(xué)家普朗克提出了物質(zhì)中振動原子的新模型。他從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。關(guān)于量子論中的不連續(xù)性，可以這樣理解：如溫度的增加或降低是連續(xù)的，從一度升到二度中間必須經(jīng)過1度，1度之前必定有01度。但是量子論認(rèn)為在某兩個數(shù)值之間例如1度和3度之間可以沒有2度。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒（能量基本單位）稱為量子，光的量子稱為光量子，簡稱光子。根據(jù)這個模型計算出的黑體光譜與實際觀測到的相一致。這揭開了物理學(xué)上嶄新的一頁。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。量子論不僅給光學(xué)，也給整個物理學(xué)提供了新的概念，故通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點。

維恩（WilhelmWien）瑞利（LordRayleigh）

普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck）

狄拉克（PaulAdrienMauriceDirac）

路易·德布羅意（PrinceLouis-victordeBroglie）

薛定諤（ErwinSchrödinger）

海森伯（WernerKarlHeisenberg）

沃爾夫?qū)づ堇╓olfgangErnstPauli）

理查德·費曼（RichardPhillipsFeynman）

海因里希·赫茲（HeinrichRudolfHertz）

密立根（RobertAndrewsMillikan）

阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）

量子假說與物理學(xué)界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”直接矛盾，因此量子理論出現(xiàn)后，許多物理學(xué)家不予接受。普朗克本人也十分動搖，后悔當(dāng)初的大膽舉動，甚至放棄了量子論，繼續(xù)用能量的連續(xù)變化來解決輻射的問題。但是，歷史已經(jīng)將量子論推上了物理學(xué)新紀(jì)元的開路先鋒的位置，量子論的發(fā)展已是銳不可當(dāng)。

第一個意識到量子概念的普遍意義并將其運用到其它問題上的是愛因斯坦。他建立了光量子理論解釋光電效應(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象。光量子論的提出使光的性質(zhì)的歷史爭論進(jìn)入了一個新的階段。自牛頓以來，光的微粒說和波動說此起彼伏，愛因斯坦的理論重新肯定了微粒說和波動說對于描述光的行為的意義，它們均反映了光的本質(zhì)的一個側(cè)面：光有時表現(xiàn)出波動性，有時表現(xiàn)出粒子性，但它既非經(jīng)典的粒子也非經(jīng)典的波，這就是光的波粒二象性。主要由于愛因斯坦的工作，使量子論在提出之后的最初十年里得以進(jìn)一步發(fā)展。

在1911年，盧瑟福提出了原子的行星模型，即電子圍繞一個位于原子中心的微小但質(zhì)量很大的核，即原子核的周圍運動。在此后的20年中，物理學(xué)的大量研究集中在原子的外圍電子結(jié)構(gòu)上。這項工作創(chuàng)立了微觀世界的新理論——量子物理，并為量子理論應(yīng)用于宏觀物體奠定了基礎(chǔ)。但是原子中心微小的原子核仍然是個謎。

原子核是微觀世界中的重要層次，量子力學(xué)是研究微觀粒子運動規(guī)律的理論，是現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，是探索原子核奧秘所不可缺少的工具。在原子量子理論被提出后不久，物理學(xué)家開始探討原子中微小的質(zhì)量核——原子核。在原子中，正電原子核在靜態(tài)條件下吸引負(fù)電子。但是什么使原子核本身能聚合在一起呢？原子核包含帶正電質(zhì)子和不帶電的中子，兩者之間存在巨大的排斥力，而且質(zhì)子彼此排斥（不帶電的中子沒有這種排斥力）。使原子核聚合在一起，并且克服質(zhì)子間排斥力的是一種新的強大的力，它只在原子核內(nèi)部起作用。原子彈的巨大能量就來自這種強大的核力。原子核和核力性質(zhì)的研究對20世紀(jì)產(chǎn)生了巨大的影響，放射現(xiàn)象、同位素、核反應(yīng)、裂變、聚變、原子能、核武器和核藥物都是核物理學(xué)的副產(chǎn)品。

丹麥物理學(xué)家玻爾首次將量子假設(shè)應(yīng)用到原子中，并對原子光譜的不連續(xù)性作出了解釋。他認(rèn)為，電子只在一些特定的圓軌道上繞核運行。在這些軌道上運行時并不發(fā)射能量，只當(dāng)它從一個較高能量的軌道向一個較低軌道躍遷時才發(fā)射輻射，反之吸收輻射。這個理論不僅在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上解決了原子的穩(wěn)定性問題，而且用于氫原子時與光譜分析所得的實驗結(jié)果完全符合，因此引起了物理學(xué)界的震動。玻爾指導(dǎo)了20世紀(jì)20年代的物理學(xué)家理解量子理論聽起來自相矛盾的基本結(jié)構(gòu)，他實際上既是這種理論的“助產(chǎn)師”又是護士。

玻爾的量子化原子結(jié)構(gòu)明顯違背古典理論，同樣招致了許多科學(xué)家的不滿。但它在解釋光譜分布的經(jīng)驗規(guī)律方面意外地成功，使它獲得了很高的聲譽。不過玻爾的理論只能用于解決氫原子這樣比較簡單的情形，對于多電子的原子光譜便無法解釋。舊量子論面臨著危機，但不久就被突破。在這方面首先取得突破的是法國物理學(xué)家德布羅意，他與兄長一起研究射線的波動性和粒子性的問題。經(jīng)過長期思考，德布羅意突然意識到愛因斯坦的光量子理論應(yīng)該推廣到一切物質(zhì)粒子，特別是電子。1923年9月到10月，他連續(xù)發(fā)表了三篇論文，提出了電子也是一種波的理論，并引入了“駐波”的概念描述電子在原子中呈非輻射的靜止?fàn)顟B(tài)。駐波與在湖面上或線上移動的行波相對，吉它琴弦上的振動就是一種駐波。這樣就可以用波函數(shù)的形式描繪出電子的位置。不過它給出的不是我們熟悉的確定的量，而是統(tǒng)計上的“分布概率”，它很好地反映了電子在空間的分布和運行狀況。德布羅意還預(yù)言電子束在穿過小孔時也會發(fā)生衍射現(xiàn)象。1924年，他寫出博士論文“關(guān)于量子理論的研究”，更系統(tǒng)地闡述了物質(zhì)波理論，愛因斯坦對此十分贊賞。不出幾年，實驗物理學(xué)家真的觀測到了電子的衍射現(xiàn)象，證實了德布羅意的物質(zhì)波的存在。

沿著物質(zhì)波概念繼續(xù)前進(jìn)并創(chuàng)立了波動力學(xué)的是奧地利物理學(xué)家薛定諤。他從愛因斯坦的一篇論文中得知了德布羅意的物質(zhì)波概念后立刻接受了這個觀點。他提出，粒子不過是波動輻射上的泡沫。1925年，他推出了一個相對論的波動方程，但與實驗結(jié)果不完全吻合。1926年，他改而處理非相對論的電子問題，得出的波動方程在實驗中得到了證實。

1925年，德國青年物理學(xué)家海森伯寫出了一篇名為《關(guān)于運動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論重新解釋》的論文，創(chuàng)立了解決量子波動理論的矩陣方法。玻爾理論中的電子軌道、運行周期這樣古典的然而是不可測量的概念被輻射頻率和強度所代替。經(jīng)過海森伯和英國一位年輕的科學(xué)家狄喇克的共同努力，矩陣力學(xué)逐漸成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。

波動力學(xué)與矩陣力學(xué)各自的支持者們一度爭論不休，指責(zé)對方的理論有缺陷。到了1926年，薛定諤發(fā)現(xiàn)這兩種理論在數(shù)學(xué)上是等價的，雙方才消除了敵意。從此這兩大理論合稱量子力學(xué)，而薛定諤的波動方程由于更易于掌握而成為量子力學(xué)的基本方程。

量子通信是指運用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是最近三十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信由于其高效安全的信息傳輸已受到人們的廣泛關(guān)注，并因此成為國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點。近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没l(fā)展。

利用量子論實現(xiàn)光量子通信的過程如下：首先先構(gòu)建一對相互糾纏的粒子，將這兩個粒子分別放在通信的地點，然后將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進(jìn)行聯(lián)合測量（一種操作），那么接收方的粒子瞬間將會發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化為某種狀態(tài)，但是這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對坍塌的粒子進(jìn)行幺正變換（相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。量子通信就是運用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，通俗而言，就是兩個相距遙遠(yuǎn)的陌生人能不約而同地去想做同一件事，好像有一根無形的線牽著他們，這種神奇現(xiàn)象被人們稱為“心靈感應(yīng)”。量子隱形傳態(tài)不僅對物理學(xué)領(lǐng)域人們認(rèn)識與揭示自然界的神秘規(guī)律有重要意義，而且用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送可以完成超快的大容量信息的傳輸。

由于量子通信對國家信息和國防安全有著戰(zhàn)略性的重要性，世界主要發(fā)達(dá)國家如美國、歐盟、日本等都在大力發(fā)展，它有可能會使得未來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的格局發(fā)生改變，尤其在軍事應(yīng)用方面量子通信有著無與倫比的廣闊前景。各種偵察預(yù)警系統(tǒng)、各類作戰(zhàn)指揮控制體系和主要作戰(zhàn)平臺之間，以及量子微空間武器系統(tǒng)之中構(gòu)建出量子隱形通信系統(tǒng)，建立量子信息化的通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信將以其信道容量極大、通信速率超高等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中有著至關(guān)重要的作用。也正因為如此，美國國防部已將“量子信息與控制技術(shù)”列為未來重點關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域之一。中國在量子通信這場國際化競爭中屬于后來者，但是起點高，進(jìn)展快，在應(yīng)用領(lǐng)域的多個方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，特別在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面，甚至達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。現(xiàn)代物理學(xué)物理學(xué)是人們對于生命自然界中物質(zhì)的轉(zhuǎn)變的知識做出規(guī)律性的總結(jié)。這種運動和轉(zhuǎn)變應(yīng)有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸，二是近代人們通過發(fā)明創(chuàng)造供觀察測量用的科學(xué)儀器，實驗得出的結(jié)果。

物理學(xué)從研究角度及觀點不同，可分為微觀與宏觀兩部分，宏觀是不分析微粒群中的單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經(jīng)出現(xiàn)的，微觀物理學(xué)隨著科技的發(fā)展理論逐漸完善。物理又是一種智能。

誠如諾貝爾物理學(xué)獎得主、德國科學(xué)家玻恩所言：“與其說是因為我發(fā)表的工作里包含了一個自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因為那里包含了一個關(guān)于自然現(xiàn)象的科學(xué)思想方法基礎(chǔ)?！蔽锢韺W(xué)之所以被人們公認(rèn)為一門重要的科學(xué)，不僅僅在于它對客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因為它在發(fā)展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，使得物理學(xué)當(dāng)之無愧地成了人類智能的結(jié)晶，文明的瑰寶。

大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學(xué)本身有價值，而且對整個自然科學(xué)，乃至社會科學(xué)的發(fā)展都有著重要的貢獻(xiàn)。有人統(tǒng)計過，自20世紀(jì)中葉以來，在諾貝爾化學(xué)獎、生物及醫(yī)學(xué)獎，甚至經(jīng)濟學(xué)獎的獲獎?wù)咧?，有一半以上的人具有物理學(xué)的背景；——這意味著他們從物理學(xué)中汲取了智慧，轉(zhuǎn)而在非物理領(lǐng)域里獲得了成功。

總之物理學(xué)是概括規(guī)律性的總結(jié)，是概括經(jīng)驗科學(xué)性的理論認(rèn)識。

對于物理學(xué)理論和實驗來說，物理量的定義和測量的假設(shè)選擇，理論的數(shù)學(xué)展開，理論與實驗的比較是與實驗定律一致，是物理學(xué)理論的唯一目標(biāo)。

人們能通過這樣的結(jié)合解決問題，就是預(yù)言指導(dǎo)科學(xué)實踐這不是大唯物主義思想，其實是物理學(xué)理論的目的和結(jié)構(gòu)。

在不斷反思形而上學(xué)而產(chǎn)生的非經(jīng)驗主義的客觀原理的基礎(chǔ)上，物理學(xué)理論可以用它自身的科學(xué)術(shù)語來判斷。而不用依賴于它們可能從屬于哲學(xué)學(xué)派的主張。在著手描述的物理性質(zhì)中選擇簡單的性質(zhì)，其它性質(zhì)則是群聚的想象和組合。通過恰當(dāng)?shù)臏y量方法和數(shù)學(xué)技巧從而進(jìn)一步認(rèn)知事物的本來性質(zhì)。實驗選擇后的數(shù)量存在某種對應(yīng)關(guān)系。一種關(guān)系可以有多數(shù)實驗與其對應(yīng)，但一個實驗不能對應(yīng)多種關(guān)系。也就是說，一個規(guī)律可以體現(xiàn)在多個實驗中，但多個實驗不一定只反映一個規(guī)律。

對于物理學(xué)來說理論預(yù)言與現(xiàn)實一致與否是真理的唯一判斷標(biāo)準(zhǔn)。

摘要：回顧了物理學(xué)發(fā)展的歷史，討論了二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向?？赡軕?yīng)該從兩方面去探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口：（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)的不完善性，重新定義時間、空間，建立新的理論。

二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個世紀(jì)，是個令社會發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對性質(zhì)和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)三十年代以后，現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識，物理學(xué)理論達(dá)到了一個新高度，現(xiàn)代物理學(xué)達(dá)到了成熟的階段。

在此世紀(jì)之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展前景，探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。我們來回顧一下上一個世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。

十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)的各個分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了它的頂峰，當(dāng)時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成就，當(dāng)時不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想：認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點。物理學(xué)的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進(jìn)一步精確化的問題，即在一些細(xì)節(jié)上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。

然而，在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，正當(dāng)物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實驗卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的事實。首先是世紀(jì)之交物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)：電子、射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學(xué)的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。這些實驗結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念受到?jīng)_擊，經(jīng)典物理發(fā)生“危機”。由此引起物理學(xué)的一場革命。普朗克在德國物理學(xué)會上報告結(jié)果，成為革命開始的時刻。愛因斯坦創(chuàng)立相對論；海森堡、薛定諤