【转载】宇宙的精灵 通俗量子力学史 【欢迎

【转载】宇宙的精灵 通俗量子力学史 【欢迎 【转载】宇宙的精灵 通俗量子力学史 【欢迎 【转载】宇宙的精灵(通俗量子力学史)【欢迎词】 2011年09月04日 欢迎辞 女士们、先生们: 欢迎大家参观量子共和国。我们将在一起度过一段愉快或不愉快，美好或不美好，但一定异趣盎然和惊心动魄的时光。 诸位来自美丽的牛顿王国。这个王国，是牛顿国王以简洁优美的伟大宪章——《自然哲学的数学原理》(简称《原理》)来构建的。中国有句古话:知己知彼。为了能更好地领略量子国的异国风情，有必要把牛顿国的基本国情作一个简单的概括。 在《原理》这部宪章的序言规定了二项基本原则:“绝对空间”和“绝对时间”。 所谓“绝对空间”，牛顿形象地比喻为一个“空箱子”。它是绝对静止的，无限延伸的，匀质的，与时间无关的独立存在。绝对空间的性质跟具体的物体和运动是无关的，那怕是空无一物它也是一样。但它却给物体和运动提供量度。比如说我们这部旅游车有40脚(feet——既可译为“脚”，也可译为“英尺”)长，就是说这部车占据了跟40只脚接起来同样长的绝对空间。其实咱们这辆车有多长跟脚没什么关系，只不过当你没见到这车前，我跟你说40英尺长，你就可以想像，如果脚趾顶着后跟站，1英尺脚长的人直着可以站下40个。之所以可以用脚(英尺)作量度，因为它占有的空间长度是不变的，在旅行社是1英尺，到了车上还是1英尺。如果到了车上它就变成了2英尺长，于是只能站下20人，你就该说我撒谎了。所以最终提供量度的是绝对空间，而不是你的脚(实际上我们也已经废除了用“脚”来作量度，而是使用标准局统一 用伸缩性比较小材料制作的“尺”)。运动的量度也是同样道理。比如我们今天的行程是400公里，就是说我们要在地面上位移那么长的距离。总之，绝对空间给我们提供事物静止或运动的及空间延展的量度。 所谓“绝对时间”，我们可以想像为一条匀速流淌的空河流，它跟空间以及占有空间的物体没有任何关系，不管“河”里有没有“水”，它都会不舍昼夜逝者如斯。但这条“河”却为一切“水”提供了一个绝对精准的时钟。所谓“怅怅一霄促，迟迟别日长”，情人相会总是觉得时间过得太快，一旦分别又嫌过得太慢，其实时间是不管你的心情，永远都是过得不快不慢的。同样，一个物体，不管是静止还是运动，运动得快还是运动得慢，时间也是以同样的速度流逝的。 绝对空间和绝对时间还有一个性质——连续性，这是牛顿可以使用微积分这个数学工具的客观基础。比如速度是距离和时间的比率(V=S/T)。我们这车一小时走80公里，叫“时速”;我可以继续问:半小时走多少,10分钟走多少,10秒钟走多少,1秒钟走多少,0.1秒走多少,一直到我知道了足够短(趋于0但不等于0)的时间内车走的距离，我就知道了“瞬时速度”。求瞬时速度的客观前提是，距离(空间)和时间都是可以无限分割的。 牛顿《原理》就是给物体的运动立法，这么一个三维的空间和一维的时间就是一切运动的场景舞台，有了这个舞台，我们才好定规矩。最根本的规矩，也就是我们的宪法条文有三条: 第一条， 如无外力作用，物体将永恒静止或永恒作匀速直线运动。 我们这辆车，只要不点火起动，它就会永远呆在这里，直至生锈腐烂，它都不会动一丝一毫。但一旦我们把它加速到每小时80公里的时速，然后关掉发动机，它就会一直保持这个速度，永远奔前方跑下去。但实际为什么不是这样呢,注意我刚才讲了“无外力作用”这个条件，实际上行驶时车轮跟地面有摩擦力，空气有阻力，爬坡有地球引力，如此等等。只要我们加速到了80公里每小时，只要我们不想更快些，我们的汽油就都是耗费在克服这些阻力上面的。比如月球，没有我们这车那么复杂的阻力，创世之初上帝把它推动到这个速度，几十亿年了，它就一直保持着这个速度围绕着我们这个地球转，让我们夜夜都有一轮明月。 第二条， 运动的改变，与物体的质量成反比，与外力作用成正比。 旁边这个手推车比较轻(质量小)，任何一个人都可以把它推起来，但这辆汽车重(质量大)，我们就得齐心协力了。而且我们三十个人一起推，就可以把它推得快一点，十个人推就会很慢。 第三条， 作用力和反作用力大小相等，方向相反。 推车的话，我们给车一个向前的推动力，车同时也给我们一个向后的阻力，这二个力是一样大的，因为方向相反，二者的和恒等于零。推车不要学小白兔拔萝卜的漫画——第一个人把手撑在车厢上，第二个人把手撑在第一个人的肩膀上，第三个人又把手撑在第二个人的肩膀上，经此类推，几十个人排一长溜。这样的话第二个人的手的作用力和第一个人的肩膀的反作用力抵消，第三个人的又同第二个人的抵消，以此类推，最后不管有多少人组成人链，推车的只有第一个人的力。 这三条律令叫“牛顿运动三定律”。顺便一下，千万别把我的话当标准答案，要考试的话还是去背教科。我读书时不是一个好学生，要不然世界就多了一个拙劣的科学家而少了一个优秀的导游。 噢,那位小姐说了，我在讲第一条时举例不对——月亮如果是作直线匀速运动的话应该是飞离地球，怎么会绕着地球转呢,这倒得补充一下。在讨论天体运动时，牛顿又增加了一个宪法修正案(在《原理》第三卷)—— 万有引力定律。 这条定律说的是任何物体都有对外物的吸引力，二个物体间的引力与二物体的质量乘积成正比，与距离平方成反比。就是说越重的东东引力就越大，反之越小。距离越近引力越大，远了就小。好学生拿笔算一下:月球的运动受二种力作用，一个是第一推动的直线匀速运动的力，一个是垂直向地球下落的引力，二种力的合力使月球运动既不水平向前，也不垂直向下，而是向前下方，这样无数个向前下方运动的点的积分，正好就构成了一个围绕地球运动的椭圆型的轨迹。当然不止月球，太阳系的八大行星，都有这样的围绕太阳的椭圆轨迹。呕，太完美了～ 哇塞，牛顿王真是伟大～就凭着这四条宪令(三大定律加一条万有引力定律)，就把天上人间的一切运动都规范得井井有条——星移斗转，朝晖夕阴，潮起潮落，风霜雷电。当然也不像我吹得那么简单。“牛四条”相当于欧 自己就几里德几何学的五条公理，还要从公理推出许多定理，定理体系。牛顿推了不少，他的徒子徒孙又接着推。比如的《原理》还是质点力学，就是牛顿 说不管是西瓜大的太阳，还是芝麻小的地球，都当作是一个只有质量没有大小的“质点”来研究。以后的科学家又建立了把西瓜当西瓜，把芝麻当芝麻的刚体力学，还有许多芝麻合谋运动的流体力学。但不管怎么折腾，统统都是“牛四条”长出的枝枝蔓蔓，而且都可以还原到“牛四条”。就像一个国家，它不仅有宪法，还要有刑法、民法、刑事诉讼法、民事诉讼诉讼法等等具体的法律，但是后者是从前者推演出来的，并且不能与前者相矛盾。 到十九世纪下半叶，《原理》问世(1687年)二百年之际，随着电磁学和热力学理论体系的建立，牛顿帝国的旗帜就已经插遍了全世界，放眼望去，当时就觉着再也没有待发现的新大陆啦。 哎，那位先生问了，怎么不在牛顿王国老老实实地当良民，又折腾一个什么量子共和国,我不幸学过美国历史，记得美国人的祖先在1620年甘冒艰险乘“五月花号”号奔赴美洲大陆，又是为何,不就为一个简单的信念——“到一个能够容忍我们的地方去”,这里也有异曲同工之妙，接下来，“牛四条”就容不下我们了。还是听我慢慢道来吧。 电磁学和热力学这最后的二个殖民地还有一点点问，就是学科的力学基础。 比如电磁学，麦克斯韦把电、磁和光都统一为波动现象，并发明了美丽的波动方程。但是波是怎样传递的呢,比如光(电磁波的一种)，牛顿认为是粒子，我之所以能看到大家，就是因为光源(比如电灯)发射出许多“光子”打到了你们的身上，又反射到了我的眼睛。这事有点麻烦。比如我说话大家能听到，并不需要我发出很多“声子”击中大家的耳膜，而是我的声带振动了就近的空气分子，然后分子们接力式的互相振动，一直把振动传递到你们的耳膜，就像我在这推倒了一块多米诺骨牌，然后一块块的骨牌连锁式的倒下，最后一块砸中了你的耳朵。这里空气就是传递声波的介质，多米诺骨牌。在没有空气 的地方，我就是喊破嗓子，你们都会把我当哑巴的。那么电磁波是否也在一种介质中传递呢,如果是，我们就可以想像电磁波的传递是介质中无数质点的运动形式——瞧～这不就完美地还原到了“牛四条”,牛顿的光粒子说是定理性质的，可以修正。我们的波动说符合的基本大法，定理层面的忤逆，想来牛顿 同志也不会怪罪。对，这种介质就是传说中的“以太”，它充满在广袤的牛顿 宇宙空间。尽管以太还没有被发现，但前景还是很美妙的。 还有热力学的客观基础。我们可以合理地设想热现象是微小的空气粒子(原子或分子)的运动形式——运动激烈时，温度就高，反之就低;它们密集时，压力就大，反之压力就小。如果有一个“麦克斯韦妖”(麦克斯韦设想的一种能控制到单个分子的装置)能一览无余地看到每个分子(或原子)，我们就可以用“牛四条”计算每个分子的运动轨迹，以及他们合在一起的合力，从而发现热变化的铁的必然性。不过现在，分子和原子都还只是个假说呢。 然而这最后的二个城堡藏着的却是上帝的最后秘密。二千多年前古希腊哲学家就指出世界无非二物——原子和虚空，由原子构成的万千事物在虚空中存在和运动变化。一幅多么简洁优美的图画啊～只要拿到这二件宝物，人类认识世界的任务就在我们的手里全部完成，剩下的事情就是如何按照我们的意愿控制这个世界，使她变得尽善尽美。 现在我们猜想虚空城堡藏着的是以太，电磁光赖它以传播。那咱们就去一探究竟。遣一路精兵杀将进去，却是白茫茫一片真干净，憋足了劲但无妖可擒。得，英雄无用武之地～ 原子城堡估计没有什么货，无非就是组成万物的性质单一的材料，古老的圣殿金碧辉煌，拆开喽残砖烂瓦会有啥看头,可是进得门去却傻了眼——那是什么妖孽呐,时而青烟缕缕，时而金光万点，出没无常，飘乎不定。从《原理》以来二百年所有宝典翻烂，竟找不到一招伏魔良法。唉，用武之地无英雄～ 我们的故事将从这里开始。大家将会看到，不是成心造反，实在是没辄。“牛四条”尽管明快悠扬依照，但已是遥远的田园牧歌。经典物理学搭建得最蔚为壮观的时候，基础处却暗流涌动，吱吱嘎嘎。尽管不乏忠勇之仕，拾 漏补缺，严防死守，挽狂澜于既倒，扶大厦之将倾;无奈原认为坚如磐石的基石，却是似是而非的幻相，不明就里的迷雾，愈探明真相愈感觉到它的脆弱。 一场洪灾发过，大水淹没了田园屋舍，大人们正为一辈子的心血辛劳打了水漂而痛不欲生，孩子们却欢天喜地于一个全新的世界。广袤的田野已经汪洋一片，巍峨的建筑竟似零落的孤岛。打捞上游漂来的浮木，扎建自己的无敌战舰，以自家露出水面的屋顶为假想的敌岛，发动有声有色的跨海战役。唉～商女哪懂亡国恨，少年安知愁滋味, 一部人类历史，每每皇宫贵胄和元老权威占据着舞台，轰轰烈烈地书写春秋;平头百姓无名小卒，只能在幕后平平淡淡地生生灭灭。而我们将要游历的这个物理学乱世，全颠覆了历史的纲常。少年天才，不是一个两个，而是成批成批地涌现。经常冷不丁地就冒出个黄口小儿，单枪匹马闯进科学圣殿，狂剑乱枪，捣毁神器如摔打玩具一样无所顾忌。也许应了中国的老话:乱世出英雄，英雄出少年。泡利(我们会拜访他的)说过，量子物理学是“男孩物理学”(Knabenphysik)。此言不虚。来看一看我们量子共和国元勋的成名照—— 爱因斯坦(26岁)、波尔(28岁)、海森堡(24岁)、泡利(25岁)、约尔当(22岁)、狄拉克(26岁)、德布罗意(31岁)、奥本海默(26岁)、费米(25岁)、朗道(19岁)、费曼(21岁)、钱德拉塞卡(25岁)、霍金(28岁)„„ 这个名单还可以一直开列下去，直到大家不胜其烦为止。为了减少大家耳膜的磨损，我还是就此打住吧。 这就奇了怪啦～牛顿力学二百年，大学研究所里多少老教授老权威，饱读经典学富五车，怎么就让这些乳臭未干的年轻人建功立业，自己却甘愿充当陪衬红花的绿叶,其实道理也很简单。 刘谦在央视春晚于众目睽睽之下让一枚硬币“穿”过玻璃，不会有人信以为真。“魔术是假的”，这是常识。科学家还可以用力学原理一枚硬币要穿过玻璃它需要多大的硬度，即便硬度足够它也必须留下穿过的痕迹——一个洞，因为空间是连续的，这是科学。在这个例子中，我们都宁可相信“常识”和“科学”，而不相信眼见的“事实”。这是对的。魔术行家会告诉我们 “事实”会有第二枚硬币，“穿”的过程无非是巧妙地让第一枚硬币由显变隐，第二枚硬币由隐变显。 问题在于，在量子世界，我们将会看到很多“硬币穿玻璃”之类违背常理的“事实”。大多数科学家特别是老权威会根据“常识”本能地拒斥，并根据“科学”去寻找“第二枚硬币”。等到大家折腾得筋疲力尽时，会有个毛头小伙跳出来说:“没有第二枚硬币”。他会“愚蠢地”相信硬币穿玻璃是真的，并创造出一套“如何”(how)穿玻璃的新“科学”。之所以大多是年轻人，因为这类人群缺乏的是对老科学的感情和信仰，创新的冲动又过于充沛。当然，还有未被岁月洗磨掉的无忌的童贞。当满朝文武和街市百姓都在盛赞皇帝的新衣奢华美丽的时候，只有小孩会喊出:“皇帝没有穿衣服～” 啊，这是一个青睐年轻人的时代～一旦闯进了量子世界，个中天地奇幻迷离，波谲云诡，过去赖以生存的常识和理论往往都成了累赘。在这里睿智当然必要，但更需要的是信马由缰的敏思、清澈澄明的洞察和初生牛犊不怕虎的勇气。遥看量子百年战事，一大批相当于我们现在“八0后”甚至“90”后年龄的孩子前赴后继，披坚执锐，攻城拔寨，叱咤风云，呼啸沧桑，不由得唏嘘感叹，自惭形秽～ 朋友们都在下面说小话，不耐烦了吧,磨刀不误砍柴功。我这通唠叨，只是希望大家准备一颗天真无邪的童心，把你们的“常识”和“科学”都暂时收在行囊里。无论将看到什么，哪怕是穿墙遁地，乾坤挪移，你都要相信自己的眼睛。当然我给你们呈现的世界，会通过一架电子显微镜，一个盖革计数器，一个宇宙空间站，一个粒子加速器，或者其他什么科学仪器(当然它们都会呈现眼能见，耳能闻，手能触的感性现象)。科学仪器是人类的“眼睛”，相信它们。跟牛顿同时代的他的一个老乡，英国哲学家贝克莱说过:“存在就是被感知”。翻成大白话就是:眼见为实，看见的是“什么”(what)它就是什么，看不见的就“什么”都不是。 噢,那位老先生说了，我这像是宣扬迷信和主观唯心主义。这话有道理。科学不是巫婆神汉，不能指天画地地说东道西。科学不仅要告诉你是“什么”，还要告诉你“如何” (how)成为“什么”的内在机制。而且这个“如何”还不能用似是而非的概念来讲。近代科学之父伽利略说过:“自然这本大 书是用数学写的”，这个“如何”必须使用精确的数学语言，让你能定量的观察到是或者不是“什么”。这个“如何”我是一定会让大家看到的，否则我落个江湖骗子的名声也不划算。 这还没完呢。这个“如何”的背后还有一个“为什么”(why)。如果说“如何”是科学的话，“为什么”就是哲学了。这一百多年来，科学家们也俨然哲学家，为这个“为什么”伤肝上火，舌刀唇剑，大打出手。如果大家不讨厌，我也会带你们去看他们打架，听他们吵架的。 哎，别别别，别闹退团呀～这小伙子一定跟我一样小时候不好好读书，看见就头疼，听到哲学就瞌睡。我只是说有这些道道，并不是要大家都成为科学家和哲学家。为了喝牛奶，难不成还得自己吃草料当奶牛,量子世界是“什么”，已经由疑似哲学家的科学家们制造出来了，我们只需要去看就是啦。我只是要说明这个“什么”是很扎实地制造出来了，不是信口开河的产物。至于这个“如何”和“为什么”，我会尽量的用大白话说。万一出现数学公式和外文词什么的，尽可看作漂亮或怪诞的装饰。瞧一瞧它们的模样，能产生美感或神秘感足矣。或者干脆跳过去，不搭理它们，也不会影响我们的旅程。根据“霍金定律”，科普著作出现一个公式读者就会减少一半。我又不傻，当然希 望各位轻松愉快，犯不着故弄玄虚吓唬大家。要犯傻，今后生意还做不做, 废话少讲，我们出发。安全第一，头莫探，手莫伸，晕车的吃药，有心脏病的准备好硝酸苷宁。 特别声明: 1:资料来源于互联网，版权归属原作者 2:资料内容属于网络意见，与本账号立场无关 3:如有侵权，请告知，立即删除。