量子物理学是关于自然界的最基本的理论，人类在20世纪20年代发现了它，然而至今却仍然无法理解这个理论的真谛。大多数人根本没听说过量子，而初学者无不感到困惑不解，实际上，所有20世纪最伟大的科学家都没有真正理解它，并一直为之争论不休。然而，越困难、越具有挑战性的问题就越让人类的好奇心无法割舍，人类志在理解自然的本性，并最终理解自己。
今天，对于每一个仍然对自然充满好奇的现代人来说，不理解量子，就无法理解我们身边的世界，就不能真正成为一个有理性的、思想健全的人。同时，让我们所有人感到幸运的是，现在想真正理解神秘的量子却是一件容易的事情，这会让那些逝去的伟人们感到羡慕和由衷的欣慰。在本文中，我们将以通俗易懂的语言来给出量子谜题的答案。只要思考，你就会理解，甚至有所发现

人们将量子的发现称为人类科学和思想领域中的一场伟大的革命，因为它会让所有第一次试图接近她的人感到从未有过的心灵震撼。现代人所缺少的正是这种真正的心灵震撼，他们太沉迷于感性的快乐，而忽视了理性的清新魅力。
1900年，普朗克在对热辐射的研究中第一个窥见了量子。这一年的12月14日，普朗克在德国物理学会会议上宣布了他的伟大发现---能量量子化假说，根据这一假说，在光波的发射和吸收过程中，发射体和吸收体的能量变化是不连续的，能量值只能取某个最小能量元的整数倍，这一最小能量元被称为“能量子”。普朗克的能量子概念第一次向人们揭示了微观自然过程的非连续本性，或量子本性。
1905年，爱因斯坦提出了光量子假说，进一步发展了量子概念。爱因斯坦认为，能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成的。利用这一假说，爱因斯坦成功地解释了光电效应等实验现象。光量子概念首次揭示了光的量子特性或波粒二象性，即光不仅具有波动性，同时也具有粒子性。
继普朗克和爱因斯坦之后，玻尔进一步发现了原子系统的量子特性。1913年，玻尔把量子概念成功地应用于氢原子系统，并根据卢瑟福的核型原子模型创立了玻尔原子理论。这一理论指出，原子中的电子只能存在于具有分立能量的定态上，并且电子在不同能量定态之间的跃迁是本质上非连续的。
1924年，在爱因斯坦光量子概念的启发下，德布罗意提出了物质波假说，最终将光所具有的波粒二象性赋予了所有物质粒子，从而指出了自然界中的所有物质都具有波粒二象性，或量子特性。德布罗意的物质波概念为人们发现量子的规律提供了最重要的理论基础。


终于在1925-26年间，定量描述物质量子特性的最初理论---量子力学诞生了，并且是以两种不同的面孔---矩阵力学和波动力学接连出现的。1925年7月，海森伯在玻尔原子理论的基础上，发现了将物理量（如位置、动量等）及其运算以一种新的形式和规则表述时，物质的量子特性，如原子谱线的频率和强度可以被一致地说明，这是关于量子规律的一种奇妙想法。之后，玻恩和约丹进一步在数学上严格地表述了海森伯的思想，他们指出了海森伯所发现的用于表述物理量的新形式正是数学中的矩阵，而物理量之间的运算就是矩阵之间的运算。同时，玻恩和约丹还发现了用于表达粒子位置和动量的矩阵之间满足一个普遍的不对易关系，即[p,q]=ih。基于这一表达量子本性的对易关系，玻恩、约丹和海森伯终于建立了一个全新的量子理论体系---矩阵力学，这一理论只涉及测量结果，而并不涉及原子系统的量子状态和测量过程。
在矩阵力学建立的同时，另一种基于德布罗意物质波概念的新力学正在孕育。1925年末，在爱因斯坦的建议下，薛定谔仔细研究了德布罗意的论文，并产生了物质波需要一个演化方程的想法。1926年初，经过反复尝试和努力之后，薛定谔终于发现了物质波的非相对论演化方程，即今天人们熟知的薛定谔方程。薛定谔方程的发现标志了量子力学的另一种形式体系---波动力学的建立。
波动力学为物质的量子表现提供了进一步的直观图像（即波函数）说明，同时，在波动力学中，位置与动量之间的对易关系成为了波动方程的一个自然结果，而不是如矩阵力学那样，只能假设它的存在。在此意义上，波动力学优于矩阵力学。
1926年下旬，看上去非常不同的矩阵力学和波动力学很快被证明在数学上是等价的。薛定谔首先证明了波动力学与矩阵力学的等价性，之后，狄拉克进一步通过变换理论把矩阵力学和波动力学统一起来。至此，量子力学的理论体系被创建完成。
从此，人类开始进入量子时代。越来越多的人投入到量子力学的应用研究中，基于量子规律的新技术也不断涌现，这些量子技术深深地改变了人类的生活，其中最引人注目的成就就是激光技术和电子计算机的出现。

爱因斯坦最早注意到量子力学与相对论的不相容性。在1927年的第五届索尔维会议上，爱因斯坦对刚刚建立的量子力学理论表示了不满，他在反对意见中指出，如果量子力学是描述单次微观物理过程的理论，则量子力学将违反相对论。1935年，在论证量子力学不完备性的EPR文章中，爱因斯坦再一次揭示了量子力学的完备性同相对论的定域性假设之间存在矛盾。在爱因斯坦看来，相对论无疑是正确的，而量子力学由于违反相对论必然是不正确的，或者至少是不完备的。
1964年，在爱因斯坦的EPR论证的基础上，贝尔提出了著名的贝尔不等式，这一不等式进一步显示了相对论所要求的定域性与量子力学之间的深刻矛盾，并提供了利用实验来进行判决的可能性。根据贝尔的分析，如果量子力学是正确的，它必定是非定域的。利用贝尔不等式，人们进行了大量实验来检验量子力学的正确性，其中最有说服力的是阿斯派克特等人于1982年所做的实验，他们的实验结果证实了量子力学的预言，并显示了量子非定域性的客观存在。
尽管量子非定域性的存在已经为实验所证实，然而，量子力学与相对论的不相容问题至今仍然没有得到满意的解决。根本原因在于，一方面，量子力学的理论基础仍没有坚实地建立起来，另一方面，量子力学所蕴含的非定域性又暗示了相对论的普适性将同样受到怀疑。


费因曼于60年代曾经说过，没有人理解量子力学。今天，情形依然如旧。即使量子力学已出现并被广泛应用近四分之三个世纪，即使它的大多数创立者已乐观地认为它是一个完善的理论，即使今天量子理论的正统解释已为人们普遍接受，但事实仍然是：量子力学甚至还不能称为一种理论。
首先，量子力学没有解决理论所描述的物理对象问题，人们对于理论中所出现的波函数还没有找到一个满意的物理解释，甚至不清楚波函数究竟是描述什么的。人们放弃了经典运动图像，却没有给出微观粒子真实的客观运动图像。
其次，量子力学本身没有解决测量问题，它没有描述理论与经验的连接纽带---测量过程，人们至今还不清楚波函数的测量投影过程是客观的还是主观的，亦或是一种虚幻。在量子力学中，测量过程被简单地当作是一种瞬时的、非连续的波函数投影过程，然而对于这一过程为何发生及如何发生它却说不清楚，因此，目前的量子理论对测量过程的描述是不完备的。另一方面，一旦将测量投影过程解释为一种客观的物理过程，它的存在将明显与相对论不相容，这导致了人们一直在投影过程的客观性和相对论的有效性之间摇摆不定，从而在很大程度上阻碍了对量子测量问题的解决，并进而阻碍了人们对波函数的物理含义的探求。
目前，越来越多的物理学家已认识到量子测量问题是目前量子理论中最重要，也是最棘手的物理问题，它的最终解决将不仅使现有量子理论更加完善，同时也将为量子理论与相对论的结合铺平道路。


1楼
量子力学与相对论
量子力学与相对论
牛顿力学在逻辑上几乎是完美的，这一点是电磁学、量子力学与相对论所无法比拟的。由于电磁学带来了牛顿力学所不能适用的范畴，这打破了牛顿力学在适用范畴上的完美性，接着由电磁学在逻辑上以及在实验结果上引出的量子力学与相对论更是打破了牛顿力学的完美性。但它们都没有牛顿力学的接近完美的逻辑系统，这一点，爱因斯坦感悟的最深。因此，爱因斯坦在晚年力求建立一个具有完美逻辑系统的统一理论，但遗憾的是他没有完成。我们在前面已经提出，由于相对论没有考虑能量的作用而破坏了建立宇宙统一理论的可能。自牛顿与麦克斯韦完成了经典物理学的建立之后，科学家们便充分利用它来探索宇宙。但经典物理学受到了适用范畴上的约束，使得它在探索上受到了局限。
在前面，我们在论述牛顿力学时已经提出了它的逻辑起点，并由此揭示了它在适用范畴上的约束。把实体等效为质点，它必须满足以下两个前提条件，其一，它必须拥有一个质量中心，其二它必须被它所处的外部时空场同化。
电磁学闯进了牛顿力学所不能适用的范畴，即不能被外部时空场同化的实体，但它在总结其逻辑起点时却受到了牛顿力学的巨大约束。虽然力争摆脱质点的影响，但终究没有摆脱。在这点上，量子力学与相对论同样如此，都没有摆脱质点的束缚。事实上，如果不能解决质量的来源的话，我们是不可能建立统一理论的。这是显而易见的问题，霍金在这个上面的认识就更加明确地证明了该点。霍金在论述宇宙的图像时无法绕开质量的来源，而所有的物理学规律都毫无疑问地受到了质点的巨大约束，无法推开质量的迷雾，在此基础上，他走向了一个怪诞的论点——宇宙奇点。奇点是何物？是一个怪诞的质点。
当然，我们不能简单指责霍金的那个怪诞的质点，在没有弄清质量的来源之前，这个怪诞的质点是不可避免的。爱因斯坦的质能方程虽然把质量与能量几乎等同起来，但它似乎更加倾向于质量；另一方面，它给人的启发仍然是十分有限的，它并不能让人明确地朝着解决质量来源的方向努力。在推测宇宙的发展中，我们已经提出质量是来源于时间、空间与能量三者旋涡远动的质变。质量的产生给宇宙带来了斥力作用，改变了宇宙的整体面貌，使得宇宙发生了根本上的变化，也就是质的变化。在质量产生以前，宇宙是一个吸聚的形态，虽然旋涡运动能产生类似斥力的效果，但并不能构成斥力作用。一个吸聚的形态，很容易建立统一。然而有了斥力作用，建立统一就非常困难了。这也是我们很难建立一个统一的理论的原因所在。
霍金的奇点似乎统一了宇宙，但那是一个怪诞的统一；在无从选择下的无奈的统一，事实上，是一个僵死的统一，毫无活力可言。霍金也公开地说，那是一个不可知的点，它为何发生大爆炸也是无缘无故的。这样的点，霍金为何接受它？那是因为所有的物理学规律都指向它。这真是一个很可悲的选择。然而事实上，物理学规律并不是明确地指向它，只是并不排除指向而已。
所有哪怕是稍稍熟悉霍金奇点理论的人都知道，他的理论是从爱因斯坦的相对论中引出的，霍金也因此被视为迄今为止最出色的相对论学家。我们由此也可以对相对论稍稍加以评论，它受质点的约束何等严重。至于量子理论，我们只要对它的核心概念——量子，稍稍加以理解就知道它受质点的束缚一点也不亚于相对论，甚至过之而无不及。在这点上，甚至爱因斯坦本人都这样认为，他在与量子理论的另一创立人玻尔谈论宇宙时不无感慨地说，玻尔对量子理论的理解破坏了宇宙的完美。在玻尔的理论中，宇宙是丝毫没有统一的可能。
2010-12-29 19:37 回复  
Kate
tbag99
2楼
量子物理学是关于自然界的最基本的理论，人类在20世纪20年代发现了它，然而至今却仍然无法理解这个理论的真谛。大多数人根本没听说过量子，而初学者无不感到困惑不解，实际上，所有20世纪最伟大的科学家都没有真正理解它，并一直为之争论不休。然而，越困难、越具有挑战性的问题就越让人类的好奇心无法割舍，人类志在理解自然的本性，并最终理解自己。


今天，对于每一个仍然对自然充满好奇的现代人来说，不理解量子，就无法理解我们身边的世界，就不能真正成为一个有理性的、思想健全的人。同时，让我们所有人感到幸运的是，现在想真正理解神秘的量子却是一件容易的事情，这会让那些逝去的伟人们感到羡慕和由衷的欣慰。在本文中，我们将以通俗易懂的语言来给出量子谜题的答案。只要思考，你就会理解，甚至有所发现
2010-12-29 19:39 回复  
Kate
tbag99
3楼
人们将量子的发现称为人类科学和思想领域中的一场伟大的革命，因为它会让所有第一次试图接近她的人感到从未有过的心灵震撼。现代人所缺少的正是这种真正的心灵震撼，他们太沉迷于感性的快乐，而忽视了理性的清新魅力。
1900年，普朗克在对热辐射的研究中第一个窥见了量子。这一年的12月14日，普朗克在德国物理学会会议上宣布了他的伟大发现---能量量子化假说，根据这一假说，在光波的发射和吸收过程中，发射体和吸收体的能量变化是不连续的，能量值只能取某个最小能量元的整数倍，这一最小能量元被称为“能量子”。普朗克的能量子概念第一次向人们揭示了微观自然过程的非连续本性，或量子本性。
1905年，爱因斯坦提出了光量子假说，进一步发展了量子概念。爱因斯坦认为，能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成的。利用这一假说，爱因斯坦成功地解释了光电效应等实验现象。光量子概念首次揭示了光的量子特性或波粒二象性，即光不仅具有波动性，同时也具有粒子性。
继普朗克和爱因斯坦之后，玻尔进一步发现了原子系统的量子特性。1913年，玻尔把量子概念成功地应用于氢原子系统，并根据卢瑟福的核型原子模型创立了玻尔原子理论。这一理论指出，原子中的电子只能存在于具有分立能量的定态上，并且电子在不同能量定态之间的跃迁是本质上非连续的。
1924年，在爱因斯坦光量子概念的启发下，德布罗意提出了物质波假说，最终将光所具有的波粒二象性赋予了所有物质粒子，从而指出了自然界中的所有物质都具有波粒二象性，或量子特性。德布罗意的物质波概念为人们发现量子的规律提供了最重要的理论基础。
2010-12-29 19:40 回复  
Kate
tbag99
4楼
终于在1925-26年间，定量描述物质量子特性的最初理论---量子力学诞生了，并且是以两种不同的面孔---矩阵力学和波动力学接连出现的。1925年7月，海森伯在玻尔原子理论的基础上，发现了将物理量（如位置、动量等）及其运算以一种新的形式和规则表述时，物质的量子特性，如原子谱线的频率和强度可以被一致地说明，这是关于量子规律的一种奇妙想法。之后，玻恩和约丹进一步在数学上严格地表述了海森伯的思想，他们指出了海森伯所发现的用于表述物理量的新形式正是数学中的矩阵，而物理量之间的运算就是矩阵之间的运算。同时，玻恩和约丹还发现了用于表达粒子位置和动量的矩阵之间满足一个普遍的不对易关系，即[p,q]=ih。基于这一表达量子本性的对易关系，玻恩、约丹和海森伯终于建立了一个全新的量子理论体系---矩阵力学，这一理论只涉及测量结果，而并不涉及原子系统的量子状态和测量过程。
在矩阵力学建立的同时，另一种基于德布罗意物质波概念的新力学正在孕育。1925年末，在爱因斯坦的建议下，薛定谔仔细研究了德布罗意的论文，并产生了物质波需要一个演化方程的想法。1926年初，经过反复尝试和努力之后，薛定谔终于发现了物质波的非相对论演化方程，即今天人们熟知的薛定谔方程。薛定谔方程的发现标志了量子力学的另一种形式体系---波动力学的建立。
波动力学为物质的量子表现提供了进一步的直观图像（即波函数）说明，同时，在波动力学中，位置与动量之间的对易关系成为了波动方程的一个自然结果，而不是如矩阵力学那样，只能假设它的存在。在此意义上，波动力学优于矩阵力学。
1926年下旬，看上去非常不同的矩阵力学和波动力学很快被证明在数学上是等价的。薛定谔首先证明了波动力学与矩阵力学的等价性，之后，狄拉克进一步通过变换理论把矩阵力学和波动力学统一起来。至此，量子力学的理论体系被创建完成。
从此，人类开始进入量子时代。越来越多的人投入到量子力学的应用研究中，基于量子规律的新技术也不断涌现，这些量子技术深深地改变了人类的生活，其中最引人注目的成就就是激光技术和电子计算机的出现。