意義

量子論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。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)和粒子物理學(xué)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)、光的吸收與輻射等。

1928年狄拉克將相對論運用于量子力學(xué)，又經(jīng)海森伯、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。

1947年，實驗發(fā)現(xiàn)了蘭姆移位。

1948-1949年，里查德·費因曼(Richard Phillips Feynman)、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。

 1、意義

量子論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。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)和粒子物理學(xué)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)、光的吸收與輻射等。

1928年狄拉克將相對論運用于量子力學(xué)，又經(jīng)海森伯、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。

1947年，實驗發(fā)現(xiàn)了蘭姆移位。

1948-1949年，里查德·費因曼(Richard Phillips Feynman)、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。

2、為量子論的創(chuàng)立及發(fā)展作出貢獻(xiàn)的科學(xué)家

維恩(Wilhelm Wien)

瑞利(Lord Rayleigh)

普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)

狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)

尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)

路易·德布羅意(Prince Louis-victor de Broglie)

薛定諤(Erwin Schrödinger)

海森伯(Werner Karl Heisenberg)

沃爾夫?qū)?middot;泡利(Wolfgang Ernst Pauli)

玻恩(Max Born)

理查德·費曼(Richard Phillips Feynman)

海因里希·赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)

密立根(Robert Andrews Millikan)

阿爾伯特·愛因斯坦 (Albert Einstein)

3、量子論的發(fā)展歷程

量子理論的創(chuàng)建過程是一部壯麗的史詩:

量子論的初期：

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，為量子理論奠下了基石。

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。

量子論的建立：

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。

4、量子力學(xué)發(fā)展中的爭論

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(bǔ)原理”。玻爾的互補(bǔ)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(bǔ)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。

世紀(jì)發(fā)現(xiàn)之微觀世界中的輪盤賭----量子論

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，我們可以這樣理解：如溫度的增加或降低，我們認(rèn)為是連續(xù)的，從一度升到二度中間必須經(jīng)過0.1.度0.1度之前必定有0.01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，就像我們花錢買東西一樣，一分錢是最小的量了，你不可能拿出0.1分錢，雖然你可以以厘為單位計算錢數(shù)。這個一分錢就是錢幣的最小的量。而這個最小的量就是量子。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。

量子論：原子核世界中的開路先鋒

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(qiáng)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(qiáng)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19世紀(jì)20到年代的物理學(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(hù)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(yù)。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(jī)，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。他在大學(xué)時專業(yè)學(xué)的是歷史，但他的哥哥是研究X射線的著名物理學(xué)家。受他的影響，德布羅意大學(xué)畢業(yè)后改學(xué)物理，與兄長一起研究X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)家海森伯格寫出了一篇名為《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(qiáng)度所代替。經(jīng)過海森伯格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。

充滿不確定性的量子論

海森伯格不確定原則是量子論中最重要的原則之一。它指出，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。海森伯格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，我們就無法進(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是非死即活的，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-死迭加狀態(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(bǔ)原則”，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(bǔ)構(gòu)成了量子力學(xué)的基本特征。玻爾的互補(bǔ)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(bǔ)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(hù)。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)。

愛因斯坦對量子論的質(zhì)疑

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(jī)性?在我們的觀察中是否存在實體?我們又是否受到了觀察的現(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(jī)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。由此似乎信息傳播地比光速還快--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。

由玻爾和海森伯格發(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(bǔ)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，符合能量守衡定律，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1、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(bǔ)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(bǔ)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。

現(xiàn)實世界中的量子論

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。科學(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。目前半導(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?？茖W(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(qiáng)大的計算機(jī)的心臟。此外，美國得克薩斯儀器公司、國際商用機(jī)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(tuán)團(tuán)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(jī)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(jī)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)可能是目前的個人計算機(jī)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?，而容量是目前芯片儲量?·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，而不是仿照目前的計算機(jī)設(shè)計量子裝置。

量子論與相對論能統(tǒng)一嗎?

量子理論提供了精確一致地解決關(guān)于原子、激光、X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(jī)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?

5.量子力學(xué)詮釋：霍金膜上的四維量子論

類似10維或11維的“弦論”=振動的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。

霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋(鄧宇等，80年代)：

振動的量子(波動的量子=量子鬼波)=平動微粒子的振動;振動的微粒子;震蕩中的象量子(粒子)一樣的微小物體。

波動量子=量子的波動=微粒子的平動+振動

=平動+振動

=矢量和

量子鬼波的DENG'S詮釋：微粒子(量子)平動與振動的矢量和

粒子波、量子波=粒子的震蕩(平動粒子的震動)

6.趙寧談不確定原理

《上帝知道粒子在何處》

無論你是相信上帝，還是不相信，這并不重要。不過上帝有時候，的確能幫助我們認(rèn)識一下世界。

在這里，上帝不再是萬能的神。他作為一種假設(shè)的存在，沒有任何一個人能替代他，并在宇宙之外觀測宇宙。換句話講，上帝在這里只是一種準(zhǔn)科學(xué)的假設(shè)，你可以完全不必在乎他，這并不影響要描述的思想。

偉大的物理學(xué)家——牛頓，在發(fā)現(xiàn)了萬有引力之后，覺得我們所生活的宇宙，是一種機(jī)械的模型，他構(gòu)想了靜態(tài)的宇宙，所有星系都靜止的鑲嵌在空間中，星體的運轉(zhuǎn)靠推動的作用完成，就像一塊機(jī)械表，靠齒輪的推動完成。齒輪的運轉(zhuǎn)需要能量，靠一根發(fā)條，而宇宙呢?牛頓把這個問題交給了上帝，是上帝提供了能量，推動了宇宙的運轉(zhuǎn)。

上帝的出現(xiàn)的確解決了問題，不過宇宙是動態(tài)的，牛頓的模型本身就是一個錯誤，因而，借助于上帝解決問題就形同虛設(shè)。

量子世界里存在不確定性，根據(jù)海森堡的不確定原理可知，粒子在某一時刻的位置與動量，是不能同時準(zhǔn)確給出的。對粒子的位置進(jìn)行一次精確測量，會影響到粒子動量的精確性，位置測量的越精確，它的動量就會越不精確，反之亦然。

對粒子實現(xiàn)測量會影響其它特性，量子內(nèi)部存在模糊性。因此，關(guān)于量子的行為通常用幾率來表示，例如，一個粒子在某一時刻，在某一位置出現(xiàn)的幾率是多大。

幾率是不確定性的表現(xiàn)，一般指一個事件發(fā)生的可能性。比如，一枚硬幣拋向空中，落在地面上是正面，還是背面，我們不是什么先知，只能用幾率來解決。我們說這枚硬幣落在地面上，出現(xiàn)正面的幾率是百分之五十，反面的可能性也占了百分之五十。量子的特性與這十分近似，上帝好像在玩骰子。

愛因斯坦曾持懷疑的態(tài)度說：“上帝決不跟宇宙玩骰子。”正好與量子理論相悖，無疑一個量子思想者決不會接受這樣的關(guān)點。

量子行為不允許我們以經(jīng)典的方式描述它，對粒子的一次測量會直接影響其量子行為。我們只能選擇這樣的描述，而不是別的方式。這種描述方式對我們是正確的，也是惟一的。

然而，上帝的量子世界又是如何?假設(shè)上帝作為一個觀測者存在于宇宙之外，他無需進(jìn)行測量，就能知道粒子的具體位置。屬于他的描述，不是以幾率的形式，而是經(jīng)典的。這一點我們無法做到，因為我們引進(jìn)了測量，為了了解量子特性，我們不的不這樣做。

上帝的確不玩骰子，他可以不經(jīng)過測量知道粒子的位置，而我們確無法做到。我們只能堅持屬于我們的描述方式。