量子物理學(xué)是在20世紀(jì)初，物理學(xué)家們?cè)谘芯课⒂^世界（原子、分子、原子核…）的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程中，逐步建立起來的。

　　量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已經(jīng)整整一百年了。期間，經(jīng)過玻爾、德布羅意、玻恩、海森柏、薛定諤、狄拉克、愛因斯坦等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，初步建立了一套完整的量子力學(xué)理論。

　　2．量子物理學(xué)的價(jià)值

　　20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展表明，量子物理是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。

　　當(dāng)然，隨著物理學(xué)和其它自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)的逐步深化，量子物理學(xué)也會(huì)進(jìn)一步地豐富和發(fā)展。至今為止、量子力學(xué)的某些基本觀念和哲學(xué)意義，科學(xué)家們?nèi)匀焕^續(xù)爭論不休，這是一門科學(xué)在走向成熟過程中的一個(gè)必經(jīng)的階段。

　　3、量子世界

　　我們把科學(xué)家們?cè)谘芯吭?、分子、原子核、基本粒子時(shí)所觀察到的關(guān)于微觀世界的系列特殊的物理現(xiàn)象稱為量子現(xiàn)象。

　 　量子世界除了其線度極其微小之外（10-10～10-15m量級(jí)），另一個(gè)主要特征是它們所涉及的許多宏觀世界所對(duì)應(yīng)的物理量往往不能取連續(xù)變化的值， （如：坐標(biāo)、動(dòng)量、能量、角動(dòng)量、自旋），甚至取值不確定。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，量子世界滿足的物理規(guī)律不再是經(jīng)典的牛頓力學(xué)，而是量子物理學(xué)。量子物理學(xué) 是當(dāng)今人們研究微觀世界的理論，也有人稱為研究量子現(xiàn)象的物理學(xué)。

　　由于宏觀物體是由微觀世界建構(gòu)而成的，因此量子物理學(xué)不僅是研究微觀世界結(jié)構(gòu)的工具，而且在深入研究宏觀物體的微結(jié)構(gòu)和特殊的物理性質(zhì)中也發(fā)揮著巨大作用。

　　4．量子力學(xué)

　　量子力學(xué)是一門奇妙的理論。它的許多基本概念、規(guī)律與方法都和經(jīng)典物理的基本概念、規(guī)律和方法截然不同。

　　量子物理學(xué)的現(xiàn)象不同于我們?cè)谌粘Ｉ钪兴^察到的物理現(xiàn)象，其理論比較抽象，其數(shù)學(xué)工具比較艱深。因此人們往往將量子力學(xué)稱為研究量子現(xiàn)象的數(shù)學(xué)，本書（量子物理）實(shí)際上可以稱為量子力學(xué)初步或量子力學(xué)導(dǎo)論。

　　5．量子物理學(xué)的內(nèi)容

　　本書將介紹有關(guān)量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

　　第1章介紹量子概念的引入--微觀粒子的二象性，由此而引起的描述微觀粒子狀態(tài)的特殊方法--波函數(shù)，以及微觀粒子不同于經(jīng)典粒子的基本特征--不確定關(guān)系。

　　第2章介紹微觀粒子的基本運(yùn)動(dòng)方程（非相對(duì)論形式）--薛定諤方程。對(duì)于此方程，首先把它應(yīng)用于勢阱中的粒子，得出微觀粒子在束縛態(tài)中的基本特征--能量量子化、勢壘穿透等。

　　第3章用量子概念介紹（未經(jīng)詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)）了電子在原子中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，包括能量、角動(dòng)量的量子化，自旋的概念，泡利不相容原理，原子中電子的排布，X光和激光的原理等。

　　第4章介紹固體中的電子的量子特征，包括自由電子的能量分布以及導(dǎo)電機(jī)理，能帶理論及對(duì)導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體性能的解釋。

　 　第5章介紹原子核的基礎(chǔ)知識(shí)，包括核的一般性質(zhì)、結(jié)合能、核模型、核衰變及核反應(yīng)等。關(guān)于基本粒子的知識(shí)和當(dāng)今關(guān)于宇宙及其發(fā)展的知識(shí)也都屬于量子物理 的范圍，其基本內(nèi)容在本套書第一冊(cè)力學(xué)"今日物理趣聞A基本粒子"和第二冊(cè)熱學(xué)"今日物理趣聞A大爆炸和宇宙膨脹"中分別有所介紹，在本書中不再重復(fù)。

　　量子物理學(xué)及其發(fā)展簡史

　 　盡管量子力學(xué)是為描述遠(yuǎn)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)的抽象原子世界而創(chuàng)立的，但它對(duì)日常生活的影響無比巨大。沒有量子力學(xué)作為工具，就不可能有化學(xué)、生物、醫(yī) 學(xué)以及其他每一個(gè)關(guān)鍵學(xué)科的引人入勝的進(jìn)展。沒有量子力學(xué)就沒有全球經(jīng)濟(jì)可言，因?yàn)樽鳛榱孔恿W(xué)的產(chǎn)物的電子學(xué)革命將我們帶入了計(jì)算機(jī)時(shí)代。同時(shí)，光子學(xué) 的革命也將我們帶入信息時(shí)代。量子物理的杰作改變了我們的世界，科學(xué)革命為這個(gè)世界帶來了的福音，也帶來了潛在的威脅。

　　或許用下面的一 段資料能最好地描述這個(gè)至關(guān)重要但又難以捉摸的理論的獨(dú)特地位：量子理論是科學(xué)史上能最精確地被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論，是科學(xué)史上最成功的理論。量子力學(xué)深深地 困擾了它的創(chuàng)立者，然而，直到它本質(zhì)上被表述成通用形式的今天，一些科學(xué)界的精英們盡管承認(rèn)它強(qiáng)大的威力，卻仍然對(duì)它的基礎(chǔ)和基本闡釋不滿意。

　 　馬克斯·普朗克（MaxPlanck）提出量子概念100多年了，在他關(guān)于熱輻射的經(jīng)典論文中，普朗克假定振動(dòng)系統(tǒng)的總能量不能連續(xù)改變，而是以不連續(xù) 的能量子形式從一個(gè)值跳到另一個(gè)值。能量子的概念太激進(jìn)了，普朗克后來將它擱置下來。隨后，愛因斯坦在1905年（這一年對(duì)他來說是非凡的一年）認(rèn)識(shí)到光 量子化的潛在意義。不過量子的觀念太離奇了，后來幾乎沒有根本性的進(jìn)展?，F(xiàn)代量子理論的創(chuàng)立則是嶄新的一代物理學(xué)家花了20多年時(shí)間建立的。

　　量子物理實(shí)際上包含兩個(gè)方面。一個(gè)是原子層次的物質(zhì)理論：量子力學(xué)，正是它我們才能理解和操縱物質(zhì)世界；另一個(gè)是量子場論，它在科學(xué)中起到一個(gè)完全不同的作用。

　　舊量子論

　 　量子革命的導(dǎo)火線不是對(duì)物質(zhì)的研究，而是輻射問題。具體的挑戰(zhàn)是理解黑體（即某種熱的物體）輻射的光譜?？具^火的人都很熟悉這樣一種現(xiàn)象：熱的物體發(fā) 光，越熱發(fā)出的光越明亮。光譜的范圍很廣，當(dāng)溫度升高時(shí)，光譜的峰值從紅線向黃線移動(dòng)，然后又向藍(lán)線移動(dòng)（這些不是我們能直接看見的）。

　 　結(jié)合熱力學(xué)和電磁學(xué)的概念似乎可以對(duì)光譜的形狀作出解釋，不過所有的嘗試均以失敗告終。然而，普朗克假定振動(dòng)電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一 個(gè)表達(dá)式，與實(shí)驗(yàn)符合得相當(dāng)完美。但是他也充分認(rèn)識(shí)到，理論本身是很荒唐的，就像他后來所說的那樣：“量子化只不過是一個(gè)走投無路的做法”。

　 　普朗克將他的量子假設(shè)應(yīng)用到輻射體表面振子的能量上，如果沒有新秀阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein），量子物理恐怕要至此結(jié)束。 1905年，他毫不猶豫的斷定：如果振子的能量是量子化的，那么產(chǎn)生光的電磁場的能量也應(yīng)該是量子化的。盡管麥克斯韋理論以及一個(gè)多世紀(jì)的權(quán)威性實(shí)驗(yàn)都表 明光具有波動(dòng)性，愛因斯坦的理論還是蘊(yùn)含了光的粒子性行為。隨后十多年的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)顯示僅當(dāng)光的能量到達(dá)一些離散的量值時(shí)才能被吸收，這些能量就像是被 一個(gè)個(gè)粒子攜帶著一樣。光的波粒二象性取決于你觀察問題的著眼點(diǎn)，這是始終貫穿于量子物理且令人頭痛的實(shí)例之一，它成為接下來20年中理論上的難題。

　　輻射難題促成了通往量子理論的第一步，物質(zhì)悖論則促成了第二步。眾所周知，原子包含正負(fù)兩種電荷的粒子，異號(hào)電荷相互吸引。根據(jù)電磁理論，正負(fù)電荷彼此將螺旋式的靠近，輻射出光譜范圍寬廣的光，直到原子坍塌為止。

　 　接著，又是一個(gè)新秀尼爾斯·玻爾（NielsBohr）邁出了決定性的一步。1913年，玻爾提出了一個(gè)激進(jìn)的假設(shè)：原子中的電子只能處于包含基態(tài)在內(nèi) 的定態(tài)上，電子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷而改變它的能量，同時(shí)輻射出一定波長的光，光的波長取決于定態(tài)之間的能量差。結(jié)合已知的定律和這一離奇的假設(shè)，玻爾掃清 了原子穩(wěn)定性的問題。玻爾的理論充滿了矛盾，但是為氫原子光譜提供了定量的描述。他認(rèn)識(shí)到他的模型的成功之處和缺陷。憑借驚人的預(yù)見力，他聚集了一批物理 學(xué)家創(chuàng)立了新的物理學(xué)。一代年輕的物理學(xué)家花了12年時(shí)間終于實(shí)現(xiàn)了他的夢(mèng)想。

　　開始時(shí)，發(fā)展玻爾量子論（習(xí)慣上稱為舊量子論）的嘗試遭受了一次又一次的失敗。接著一系列的進(jìn)展完全改變了思想的進(jìn)程。

　　量子力學(xué)史

　 　1923年路易·德布羅意（LouisdeBroglie）在他的博士論文中提出光的粒子行為與粒子的波動(dòng)行為應(yīng)該是對(duì)應(yīng)存在的。他將粒子的波長和動(dòng)量 聯(lián)系起來：動(dòng)量越大，波長越短。這是一個(gè)引人入勝的想法，但沒有人知道粒子的波動(dòng)性意味著什么，也不知道它與原子結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系。然而德布羅意的假設(shè)是一個(gè) 重要的前奏，很多事情就要發(fā)生了。

　　1924年夏天，出現(xiàn)了又一個(gè)前奏。薩地?fù)P德拉·N·玻色（SatyendraN.Bose）提出了 一種全新的方法來解釋普朗克輻射定律。他把光看作一種無（靜）質(zhì)量的粒子（現(xiàn)稱為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經(jīng)典的玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而遵循一種建 立在粒子不可區(qū)分的性質(zhì)（即全同性）上的一種新的統(tǒng)計(jì)理論。愛因斯坦立即將玻色的推理應(yīng)用于實(shí)際的有質(zhì)量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數(shù)關(guān)于能量的分 布規(guī)律，即著名的玻色-愛因斯坦分布。然而，在通常情況下新老理論將預(yù)測到原子氣體相同的行為。愛因斯坦在這方面再無興趣，因此這些結(jié)果也被擱置了10多 年。然而，它的關(guān)鍵思想——粒子的全同性，是極其重要的。

　　突然，一系列事件紛至沓來，最后導(dǎo)致一場科學(xué)革命。從1925年元月到1928年元月：

　　·沃爾夫剛·泡利（WolfgangPauli）提出了不相容原理，為周期表奠定了理論基礎(chǔ)。

　　·韋納·海森堡（WernerHeisenberg）、馬克斯·玻恩（MaxBorn）和帕斯庫爾·約當(dāng)（PascualJordan）提出了量子力學(xué)的第一個(gè)版本，矩陣力學(xué)。人們終于放棄了通過系統(tǒng)的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運(yùn)動(dòng)這一歷史目標(biāo)。

　　·埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrodinger）提出了量子力學(xué)的第二種形式，波動(dòng)力學(xué)。在波動(dòng)力學(xué)中，體系的狀態(tài)用薛定諤方程的解——波函數(shù)來描述。矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)貌似矛盾，實(shí)質(zhì)上是等價(jià)的。

　　·電子被證明遵循一種新的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到所有的粒子要么遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，要么遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，這兩類粒子的基本屬性很不相同。

　　·海森堡闡明測不準(zhǔn)原理。

　　·保爾·A·M·狄拉克（PaulA.M.Dirac）提出了相對(duì)論性的波動(dòng)方程用來描述電子，解釋了電子的自旋并且預(yù)測了反物質(zhì)。

　　·狄拉克提出電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎(chǔ)。

　　·玻爾提出互補(bǔ)原理（一個(gè)哲學(xué)原理），試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，特別是波粒二象性。

　 　量子理論的主要?jiǎng)?chuàng)立者都是年輕人(按：我們中國的年輕人在哪里？）。1925年，泡利25歲，海森堡和恩里克·費(fèi)米（EnricoFermi）24歲， 狄拉克和約當(dāng)23歲。薛定諤是一個(gè)大器晚成者，36歲。玻恩和玻爾年齡稍大一些，值得一提的是他們的貢獻(xiàn)大多是闡釋性的。愛因斯坦的反應(yīng)反襯出量子力學(xué)這 一智力成果深刻而激進(jìn)的屬性：他拒絕自己發(fā)明的導(dǎo)致量子理論的許多關(guān)鍵的觀念，他關(guān)于玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的論文是他對(duì)理論物理的最后一項(xiàng)貢獻(xiàn)，也是對(duì)物理 學(xué)的最后一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)。

　　創(chuàng)立量子力學(xué)需要新一代物理學(xué)家并不令人驚訝，開爾文爵士在祝賀玻爾1913年關(guān)于氫原子的論文的一封書信中表述了其中的原因。他說，玻爾的論文中有很多真理是他所不能理解的。開爾文認(rèn)為基本的新物理學(xué)必將出自無拘無束的頭腦。

　 　1928年，革命結(jié)束，量子力學(xué)的基礎(chǔ)本質(zhì)上已經(jīng)建立好了。后來，AbrahamPais以軼事的方式記錄了這場以狂熱的節(jié)奏發(fā)生的革命。其中有一段是 這樣的：1925年，SamuelGoudsmit和GeorgeUhlenbeck就提出了電子自旋的概念，玻爾對(duì)此深表懷疑。10月玻爾乘火車前往荷 蘭的萊頓參加亨德里克·A·洛倫茲（HendrikA.Lorentz）的50歲生日慶典，泡利在德國的漢堡碰到玻爾并探詢玻爾對(duì)電子自旋可能性的看法； 玻爾用他那著名的低調(diào)評(píng)價(jià)的語言回答說，自旋這一提議是“非常，非常有趣的”。后來，愛因斯坦和PaulEhrenfest在萊頓碰到了玻爾并討論了自 旋。玻爾說明了自己的反對(duì)意見，但是愛因斯坦展示了自旋的一種方式并使玻爾成為自旋的支持者。在玻爾的返程中，遇到了更多的討論者。當(dāng)火車經(jīng)過德國的哥挺 根時(shí)，海森堡和約當(dāng)接站并詢問他的意見，泡利也特意從漢堡格趕到柏林接站。玻爾告訴他們自旋的發(fā)現(xiàn)是一重大進(jìn)步。（按：看到歐洲科學(xué)家之間坦誠而熱烈的交 流，我們會(huì)得到什么啟示嗎？）

　　量子力學(xué)的創(chuàng)建觸發(fā)了科學(xué)的淘金熱。早期的成果有：1927年海森堡得到了氦原子薛定諤方程的近似解，建 立了原子結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)；JohnSlater，DouglasRaynerHartree，和VladimirFock隨后又提出了原子結(jié)構(gòu)的一般計(jì)算 技巧；FritzLondon和WalterHeitler解決了氫分子的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，LinusPauling建立了理論化 學(xué)；ArnoldSommerfeld和泡利建立了金屬電子理論的基礎(chǔ)，F(xiàn)elixBloch創(chuàng)立了能帶結(jié)構(gòu)理論；海森堡解釋了鐵磁性的起因。1928年 GeorgeGamow解釋了α放射性衰變的隨機(jī)本性之謎，他表明α衰變是由量子力學(xué)的隧道效應(yīng)引起的。隨后幾年中，HansBethe建立了核物理的基 礎(chǔ)并解釋了恒星的能量來源。隨著這些進(jìn)展，原子物理、分子物理、固體物理和核物理進(jìn)入了現(xiàn)代物理的時(shí)代。

　　量子力學(xué)要點(diǎn)

　　伴隨著這些進(jìn)展，圍繞量子力學(xué)的闡釋和正確性發(fā)生了許多爭論。玻爾和海森堡是倡導(dǎo)者的重要成員，他們信奉新理論，愛因斯坦和薛定諤則對(duì)新理論不滿意。

　 　基本描述：波函數(shù)。系統(tǒng)的行為用薛定諤方程描述，方程的解稱為波函數(shù)。系統(tǒng)的完整信息用它的波函數(shù)表述，通過波函數(shù)可以計(jì)算任意可觀察量的可能值。在空 間給定體積內(nèi)找到一個(gè)電子的概率正比于波函數(shù)幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函數(shù)所在的體積內(nèi)。粒子的動(dòng)量依賴于波函數(shù)的斜率，波函數(shù)越陡，動(dòng)量越 大。斜率是變化的，因此動(dòng)量也是分布的。這樣，有必要放棄位移和速度能確定到任意精度的經(jīng)典圖像，而采納一種模糊的概率圖像，這也是量子力學(xué)的核心。

　 　對(duì)于同樣一些系統(tǒng)進(jìn)行同樣精心的測量不一定產(chǎn)生同一結(jié)果，相反，結(jié)果分散在波函數(shù)描述的范圍內(nèi)，因此，電子特定的位置和動(dòng)量沒有意義。這可由測不準(zhǔn)原理 表述如下：要使粒子位置測得精確，波函數(shù)必須是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此動(dòng)量就分布在很大的范圍內(nèi)；相反，若動(dòng)量有很小的分布，波函數(shù)的 斜率必很小，因而波函數(shù)分布于大范圍內(nèi)，這樣粒子的位置就更加不確定了。

　　波的干涉。波相加還是相減取決于它們的相位，振幅同相時(shí)相加， 反相時(shí)相減。當(dāng)波沿著幾條路徑從波源到達(dá)接收器，比如光的雙縫干涉，一般會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣。粒子遵循波動(dòng)方程，必有類似的行為，如電子衍射。至此，類推似乎 是合理的，除非要考察波的本性。波通常認(rèn)為是媒質(zhì)中的一種擾動(dòng)，然而量子力學(xué)中沒有媒質(zhì)，從某中意義上說根本就沒有波，波函數(shù)本質(zhì)上只是我們對(duì)系統(tǒng)信息的 一種陳述。

　　對(duì)稱性和全同性。氦原子由兩個(gè)電子圍繞一個(gè)核運(yùn)動(dòng)而構(gòu)成。氦原子的波函數(shù)描述了每一個(gè)電子的位置，然而沒有辦法區(qū)分哪個(gè)電子 究竟是哪個(gè)電子，因此，電子交換后看不出體系有何變化，也就是說在給定位置找到電子的概率不變。由于概率依賴于波函數(shù)的幅值的平方，因而粒子交換后體系的 波函數(shù)與原始波函數(shù)的關(guān)系只可能是下面的一種：要么與原波函數(shù)相同，要么改變符號(hào)，即乘以-1。到底取誰呢？

　　量子力學(xué)令人驚詫的一個(gè)發(fā) 現(xiàn)是電子的波函數(shù)對(duì)于電子交換變號(hào)。其結(jié)果是戲劇性的，兩個(gè)電子處于相同的量子態(tài)，其波函數(shù)相反，因此總波函數(shù)為零，也就是說兩個(gè)電子處于同一狀態(tài)的概率 為0，此即泡利不相容原理。所有半整數(shù)自旋的粒子(包括電子)都遵循這一原理，并稱為費(fèi)米子。自旋為整數(shù)的粒子(包括光子)的波函數(shù)對(duì)于交換不變號(hào)，稱為 玻色子。電子是費(fèi)米子，因而在原子中分層排列；光由玻色子組成，所以激光光線呈現(xiàn)超強(qiáng)度的光束(本質(zhì)上是一個(gè)量子態(tài))。最近，氣體原子被冷卻到量子狀態(tài)而 形成玻色-愛因斯坦凝聚，這時(shí)體系可發(fā)射超強(qiáng)物質(zhì)束，形成原子激光。

　　這一觀念僅對(duì)全同粒子適用，因?yàn)椴煌Ｗ咏粨Q后波函數(shù)顯然不同。因此僅當(dāng)粒子體系是全同粒子時(shí)才顯示出玻色子或費(fèi)米子的行為。同樣的粒子是絕對(duì)相同的，這是量子力學(xué)最神秘的側(cè)面之一，量子場論的成就將對(duì)此作出解釋。

　　爭議與混亂

　 　量子力學(xué)意味著什么？波函數(shù)到底是什么？測量是什么意思？這些問題在早期都激烈爭論過。直到1930年，玻爾和他的同事或多或少地提出了量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn) 闡釋，即哥本哈根闡釋；其關(guān)鍵要點(diǎn)是通過玻爾的互補(bǔ)原理對(duì)物質(zhì)和事件進(jìn)行概率描述，調(diào)和物質(zhì)波粒二象性的矛盾。愛因斯坦不接受量子理論，他一直就量子力學(xué) 的基本原理同玻爾爭論，直至1955年去世。

　　關(guān)于量子力學(xué)爭論的焦點(diǎn)是：究竟是波函數(shù)包含了體系的所有信息，還是有隱含的因素(隱變 量)決定了特定測量的結(jié)果。60年代中期約翰·S·貝爾(JohnS.Bell)證明，如果存在隱變量，那么實(shí)驗(yàn)觀察到的概率應(yīng)該在一個(gè)特定的界限之下， 此即貝爾不等式。多數(shù)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與貝爾不等式相悖，他們的數(shù)據(jù)斷然否定了隱變量存在的可能性。這樣，大多數(shù)科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的正確性不再懷疑了。

　 　然而，由于量子理論神奇的魔力，它的本質(zhì)仍然吸引著人們的注意力。量子體系的古怪性質(zhì)起因于所謂的糾纏態(tài)，簡單說來，量子體系(如原子)不僅能處于一系 列的定態(tài)，也可以處于它們的疊加態(tài)。測量處于疊加態(tài)原子的某種性質(zhì)(如能量)，一般說來，有時(shí)得到這一個(gè)值，有時(shí)得到另一個(gè)值。至此還沒有出現(xiàn)任何古怪。

　 　但是可以構(gòu)造處于糾纏態(tài)的雙原子體系，使得兩個(gè)原子共有相同的性質(zhì)。當(dāng)這兩個(gè)原子分開后，一個(gè)原子的信息被另一個(gè)共享(或者說是糾纏)。這一行為只有量 子力學(xué)的語言才能解釋。這個(gè)效應(yīng)太不可思議以至于只有少數(shù)活躍的理論和實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)在集中精力研究它，論題并不限于原理的研究，而是糾纏態(tài)的用途；糾纏態(tài)已經(jīng) 應(yīng)用于量子信息系統(tǒng)，也成為量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

　　二次革命

　　在20年代中期創(chuàng)立量子力學(xué)的狂熱年代里，也在進(jìn)行著另一場 革命，量子物理的另一個(gè)分支——量子場論的基礎(chǔ)正在建立。不像量子力學(xué)的創(chuàng)立那樣如暴風(fēng)疾雨般一揮而就，量子場論的創(chuàng)立經(jīng)歷了一段曲折的歷史，一直延續(xù)到 今天。盡管量子場論是困難的，但它的預(yù)測精度是所有物理學(xué)科中最為精確的，同時(shí)，它也為一些重要的理論領(lǐng)域的探索提供了范例。

　　激發(fā)提出 量子場論的問題是電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)原子怎樣輻射光。1916年，愛因斯坦研究了這一過程，并稱其為自發(fā)輻射，但他無法計(jì)算自發(fā)輻射系數(shù)。解決這個(gè) 問題需要發(fā)展電磁場(即光)的相對(duì)論量子理論。量子力學(xué)是解釋物質(zhì)的理論，而量子場論正如其名，是研究場的理論，不僅是電磁場，還有后來發(fā)現(xiàn)的其它場。

　　1925年，玻恩，海森堡和約當(dāng)發(fā)表了光的量子場論的初步想法，但關(guān)鍵的一步是年輕且本不知名的物理學(xué)家狄拉克于1926年獨(dú)自提出的場論。狄拉克的理論有很多缺陷：難以克服的計(jì)算復(fù)雜性，預(yù)測出無限大量，并且顯然和對(duì)應(yīng)原理矛盾。

　 　40年代晚期，量子場論出現(xiàn)了新的進(jìn)展，理查德·費(fèi)曼(RichardFeynman)，朱利安·施溫格(JulianSchwinger)和朝永振一 郎(SinitiroTomonaga)提出了量子電動(dòng)力學(xué)(縮寫為QED)。他們通過重整化的辦法回避無窮大量，其本質(zhì)是通過減掉一個(gè)無窮大量來得到有 限的結(jié)果。由于方程復(fù)雜，無法找到精確解，所以通常用級(jí)數(shù)來得到近似解，不過級(jí)數(shù)項(xiàng)越來越難算。雖然級(jí)數(shù)項(xiàng)依次減小，但是總結(jié)果在某項(xiàng)后開始增大，以至于 近似過程失敗。盡管存在這一危險(xiǎn)，QED仍被列入物理學(xué)史上最成功的理論之一，用它預(yù)測電子和磁場的作用強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)可靠值僅差 2/1,000,000,000,000。

　　盡管QED取得了超凡的成功，它仍然充滿謎團(tuán)。對(duì)于虛空空間(真空)，理論似乎提供了荒謬的 看法，它表明真空不空，它到處充斥著小的電磁漲落。這些小的漲落是解釋自發(fā)輻射的關(guān)鍵，并且，它們使原子能量和諸如電子等粒子的性質(zhì)產(chǎn)生可測量的變化。雖 然QED是古怪的，但其有效性是為許多已有的最精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的。

　　對(duì)于我們周圍的低能世界，量子力學(xué)已足夠精確，但對(duì)于高能世界，相對(duì)論效應(yīng)作用顯著，需要更全面的處理辦法，量子場論的創(chuàng)立調(diào)和了量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的矛盾。

　 　量子場論的杰出作用體現(xiàn)在它解釋了與物質(zhì)本質(zhì)相關(guān)的一些最深刻的問題。它解釋了為什么存在玻色子和費(fèi)米子這兩類基本粒子，它們的性質(zhì)與內(nèi)稟自旋有何關(guān) 系；它能描述粒子(包括光子，電子，正電子即反電子)是怎樣產(chǎn)生和湮滅的；它解釋了量子力學(xué)中神秘的全同性，全同粒子是絕對(duì)相同的是因?yàn)樗鼈儊碜杂谙嗤? 基本場；它不僅解釋了電子，還解釋了μ子，τ子及其反粒子等輕子。

　　QED是一個(gè)關(guān)于輕子的理論，它不能描述被稱為強(qiáng)子的復(fù)雜粒子，它們 包括質(zhì)子、中子和大量的介子。對(duì)于強(qiáng)子，提出了一個(gè)比QED更一般的理論，稱為量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)。QED和QCD之間存在很多類似：電子是原子的組 成要素，夸克是強(qiáng)子的組成要素；在QED中，光子是傳遞帶電粒子之間作用的媒介，在QCD中，膠子是傳遞夸克之間作用的媒介。盡管QED和QCD之間存在 很多對(duì)應(yīng)點(diǎn)，它們?nèi)杂兄卮蟮膮^(qū)別。與輕子和光子不同，夸克和膠子永遠(yuǎn)被幽禁在強(qiáng)子內(nèi)部，它們不能被解放出來孤立存在。

　　QED和QCD構(gòu)成了大統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模型的基石。標(biāo)準(zhǔn)模型成功地解釋了現(xiàn)今所有的粒子實(shí)驗(yàn)，然而許多物理學(xué)家認(rèn)為它是不完備的，因?yàn)榱Ｗ拥馁|(zhì)量，電荷以及其它屬性的數(shù)據(jù)還要來自實(shí)驗(yàn)；一個(gè)理想的理論應(yīng)該能給出這一切。

　 　今天，尋求對(duì)物質(zhì)終極本性的理解成為重大科研的焦點(diǎn)，使人不自覺地想起創(chuàng)造量子力學(xué)那段狂熱的奇跡般的日子，其成果的影響將更加深遠(yuǎn)?，F(xiàn)在必須努力尋求 引力的量子描述，半個(gè)世紀(jì)的努力表明，QED的杰作——電磁場的量子化程序?qū)τ谝鍪А栴}是嚴(yán)重的，因?yàn)槿绻麖V義相對(duì)論和量子力學(xué)都成立的話，它們 對(duì)于同一事件必須提供本質(zhì)上相容的描述。在我們周圍世界中不會(huì)有任何矛盾，因?yàn)橐ο鄬?duì)于電力來說是如此之弱以至于其量子效應(yīng)可以忽略，經(jīng)典描述足夠完 美；但對(duì)于黑洞這樣引力非常強(qiáng)的體系，我們沒有可靠的辦法預(yù)測其量子行為。

　　一個(gè)世紀(jì)以前，我們所理解的物理世界是經(jīng)驗(yàn)性的；20世紀(jì)， 量子力學(xué)給我們提供了一個(gè)物質(zhì)和場的理論，它改變了我們的世界；展望21世紀(jì)，量子力學(xué)將繼續(xù)為所有的科學(xué)提供基本的觀念和重要的工具。我們作這樣自信的 預(yù)測是因?yàn)榱孔恿W(xué)為我們周圍的世界提供了精確的完整的理論；然而，今日物理學(xué)與1900年的物理學(xué)有很大的共同點(diǎn)：它仍舊保留了基本的經(jīng)驗(yàn)性，我們不能 徹底預(yù)測組成物質(zhì)的基本要素的屬性，仍然需要測量它們。

　　或許，超弦理論是唯一被認(rèn)為可以解釋這一謎團(tuán)的理論，它是量子場論的推廣，通過 有長度的物體取代諸如電子的點(diǎn)狀物體來消除所有的無窮大量。無論結(jié)果何如，從科學(xué)的黎明時(shí)期就開始的對(duì)自然的終極理解之夢(mèng)將繼續(xù)成為新知識(shí)的推動(dòng)力。從現(xiàn) 在開始的一個(gè)世紀(jì)，不斷地追尋這個(gè)夢(mèng)，其結(jié)果將使我們所有的想象成為現(xiàn)實(shí)。