量子力学和相对论的意义范例6篇

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量子力学和相对论的意义

量子力学和相对论的意义范文1

本书是玻姆力学的几位追随者,在他们几十年研究工作的基础之上,为推广和普及玻姆力学而撰写的一部专著。作者们认为,玻姆力学是纳入了隐变量概念的一种精确的物理理论,一种对于自然界量子描述的客观理论,一种没有量子哲学的量子理论。它坚持了量子理论必须描写客观实在。其基本思想是粒子被一个波导引,在物理空间中运动,这个波的波函数满足薛定谔方程,而粒子在组态空间的运动由依赖于波函数的速度通过引导方程确定。本书从这两个联立方程出发,详细地阐述了玻姆力学在各个方面的应用,它的相对论推广以及如何获取人们所熟知的量子力学规则。

全书内容在第1章引言之后分成3部分,总共12章:第1部分为量子平衡,含第2-4章:2. 量子平衡和绝对不确定性起源;3. 量子平衡和量子理论中算符作为可观测量的作用;4. 量子哲学:鸟瞰科学推理。第2部分为量子运动,含第5-8章:5. 通向经典世界的七个步骤;6. 关于穿过表面的量子概率流;7. 关于玻姆力学中速度的弱测量;8. 从玻姆力学导出的拓扑因子。第3部分为量子相对论,含第9-12章:9. 超面玻姆-狄拉克模式;10. 玻姆力学和量子场论;11. 没有观察者的量子时空:本体论行为和量子引力的概念基础;12. 实在性和量子理论中波函数的作用。

这是一部对近20年分布在各种期刊和书籍中的相关文章修改补充而成的高水平量子理论专著。作者选择的内容尽可能做到了全面和广泛,概念准确,推导简洁。全书自成一体,很便于有一定量子力学知识的数学家、物理学家和自然哲学家阅读。对量子理论的深刻含意和量子哲学感兴趣的所有的教学及研究人员,特别是高年级的大学生和研究生,本书都是一本很有价值的参考书。

丁亦兵,教授

(中国科学院大学)

量子力学和相对论的意义范文2

【关键词】超弦/M理论/圈量子引力/哲学反思

【正文】

本文分四部分。首先明确什么是量子引力?其次给出当代量子引力发展简史,更次概述当代量子引力研究主要成果,最后探讨量子引力的一些哲学反思。

一、什么是量子引力?

当代基础物理学中最大的挑战性课题,就是把广义相对论与量子力学协调起来[1]。这个问题的研究,将会引起我们关于空间、时间、相互作用(运动)和物质结构诸观念的深刻变革,从而实现20世纪基础物理学所提出的空间时间观念的量子革命。

广义相对论是经典的相对论性引力场理论,量子力学是量子物理学的核心。凡是研究广义相对论和量子力学相互结合的理论,就称为量子引力理论,简称量子引力。探讨量子引力卓有成效的理论,主要有两种形式。第一,是把广义相对论进行量子化,正则量子引力属于此种。第二,是对一个不同于广义相对论的经典理论进行量子化,而广义相对论则作为它的低能极限,超弦/M理论则属于这种。

圈(Loop)量子引力[2]是当前正则量子引力的流行形式。正则量子引力是只有引力作用时的量子引力,和超弦/M理论相比,它不包括其它不同作用。它的基本概念是应用标准量子化手续于广义相对论,而广义相对论则写成正则的即Hamiltonian形式。正则量子引力根据历史发展大体上可分为朴素量子引力和圈量子引力。粗略来说,前者发生于1986年前,后者发生于1986年后。朴素量子引力由于存在着紫外发散的重正化困难,从而圈量子引力发展成为当前正则量子引力的代表。

超弦/M理论的目的,在于提供己知四种作用即引力和强、弱、电作用统一的量子理论。理论的基本实体不是点粒子,而是1维弦、2维简单膜和多维brane(广义膜)的延展性物质客体。超弦是具有超对称性的弦,它不意味着表示单个粒子或单种作用,而是通过弦的不同振动模式表示整个粒子谱系列。

圈量子引力和超弦/M理论之外,当代量子引力还有其它不同方案。例如,Euclidean量子引力、拓扑场论、扭量理论、非对易几何等。

二、当代量子引力研究进展

我们主要给出超弦/M理论和圈量子引力研究的重大进展。

1.超弦/M理论方面[3]

弦理论简称弦论,虽然在20纪70年代中期,已经知道其中自动包含引力现象,但因存在一些困难,只是到80年代中期才取得突破性进展。

1)80年代超弦理论

弦论发展可粗略分为早期弦理论(70年代)、超弦理论(80年代)和M理论(90年代)三个时期。我们从80年代超弦理论开始,简述其研究进展。

1981年,M·Green和J.Schwarz提出一种崭新的超对称弦理论,简称超弦理论,认为弦具有超对称性质,弦的特征长度已不再是强子的尺度(~10[-13]厘米),而是Planck尺度(~10[-33]厘米)。

1984年,Green和Schwarz证明[4],当规范群取为SO(32)时,超弦I型的杨-Mills反常消失,4粒子开弦圈图是有限的。

1985年,D.Gross,J.Harvey[5]等4人提出10维杂化弦概念,这种弦是由D=26的玻色弦和D=10超弦混合而成。杂化弦有E[,8]×E[,8]和SO(32)两种。

同年,P.Candlas,G.Horowitz,A.Strominger和E.Witten[6]对10维杂化弦E[,8]×E[,8]的额外空间6维进行紧致化,最重要的一类为Calabi-丘流形。但是这类流形总数多到数百万个,应该根据什么原则来选取作为我们世界的C-丘流形,至今还不清楚,虽然近10多年来,这方面的努力从来未中断过。

1986年,提出建立超弦协变场论问题,促进了对非微扰超弦理论的探讨。在诸种探讨方案中,以E.Witten的非对易几何最为突出[7]。

同年,人们详细地研究了超弦唯象学,例如E[,6]以下如何破缺及相应的物理学,对紧致空间已不限于C-丘流形,还包括轨形(Orbifold)、倍集空间等。

人们常把1984-86年期间对超弦研究的突破,称为第一次超弦革命。在此期间建立了超弦的五种相互独立的10维理论,而且是微扰的。它们是I型、IIA型、IIB型、杂化E[,8]×E[,8]型和SO(32)型。

2)90年代M理论

经过80年代末期和90年代初期,对超弦理论的对偶性、镜对称及拓扑改变等的研究,到1995年五种超弦微扰理论的统一性问题获得重大突破,从此第二次超弦革命开始出现。

1995年,Witten在南加州大学举行的95年度弦会议上发表演讲,点燃起第二次超弦革命。Witten根据诸种超弦间的对偶性及其在不同弦真空中的关联,猜测存在某一个根本理论能够把它们统一起来,这个根本理论Witten取名为M理论。这一年内Witten、P.Horava、A.Dabhulkar等人,给出ⅡA型弦和M理论间的关系[8]、I型弦和杂化SO(32)型弦间的关系、杂化弦E[,8]×E[,8]型和M理论间的关系等。

1996年,J.Polchinski、P.Townscend、C.Baches等人认识到D-branes的重要性。积极进行D-branes动力学研究[9],取得一定成果。同年,A.Strominger、C.Vafe应用D-brane思想,计算了黑洞这种极端情形的熵和面积关系[10],得到了和Bekenstein-Hawking的熵-面积的相同表示式。G.Callon、J.Maldacena对具有不同角动量与电荷的黑洞所计算的结果指出,黑洞遵从量子力学的一般原理。G.Collins探讨了量子黑洞信息损失问题。

1997年,T.Banks、J.Susskind等人提出矩阵弦理论,研究了M理论和矩阵模型间的联系和区别。

同年,Maldacena提出AdS/CFT对偶性[11],即一种Anti-de Sitter空间中的IIB型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设,人们称为Maldacena猜测。这个猜测对于我们世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking确立果壳中宇宙的思想,都有不少的启示。

2.圈量子引力方面[12]

1)二十世纪80年代

1982年,印度物理学家A.Sen在Phys.Rev.和Phys.Lett.上相继发表两篇文章,把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。

1986年,A.Ashtekar研究了Sen提出的方程,认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后,他给出了广义相对论新的流行形式,从而对于在Planck标度的空间时间几何量,可以进行具体计算,并作出精确的数量性预言。这种表述是此后正则量子引力进一步发展的关键。

同年,T.Jacobson和L.Smolin求出Wilson圈解。在引进经典Ashtekar变量后,他们在圈为光滑且非自相交情形下,求出了正则量子引力的WDW方程解。此后,他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。

1987年,由于Hamiltonian约束的Wilson圈解的发现,C.Revolli和Smolin引进观测量的经典Possion代数的圈表示,并使微分同胚约束用纽结(knot)态完全解出。

1988年,V.Husain等人用纽结理论(knot theory),研究了量子约束方程的精确解及诸解间的关系,从而认为纽结理论支配引力场的物理量子态。同年,Witten引进拓朴量子场论(TQFT)的概念。

2)二十世纪90年代

1990年,Rovelli和Smolin指出,对于在大尺度几何近似变为平直时态的研究,可以预言Planck尺度空间具有几何断续性。对于编织的这些态,在微观很小尺度上具有“聚合物”的类似结构,可以看作为J.Wheeler时空泡沫的形式化。

1993年,J.Iwasaki和Rovelli探讨了量子引力中引力子的表示,引力子显示为时空编织纤维的拓朴修正。

1994年,Rovelli和Smolin第一次计算了面积算子和体积算子的本征值[13],得出它们的本征谱为断续的重大结论。此后不久,物理学者曾用多种不同方法证明和推广这个结论,指出在Planck标度,空间面积和体积的本征谱,确实具有分立性。

1995年,Rovelli和Smolin利用自旋网络基[14],解决了关于用圈基所长期存在的不完备性困难。此后不久,自旋网络形式体系,便由J.Baez彻底阐明。

1996年,Rovelli应用K.Krasnov观念,从圈量子引力基本上导出了黑洞熵的Bekenstein-Hawking公式[15]。

1998年,Smolin研究圈和弦间的相似性,开始探讨圈量子引力和弦论的统一问题。

三、当代量子引力理论主要成就

1.超弦/M理论方面

1)弦及brane概念的提出

广义相对论中的奇性困难、量子场论中的紫外发散本质、朴素量子引力中的重正化问题,看来都起源于理论的纯粹几何的点模型。超弦理论提出轻子、夸克、规范粒子等微观粒子都是延伸在空间的一个区域中,它们都是1维的广延性物质,类似于弦状,其特征长度为Planck长度。M理论更推广了弦的概念,认为粒子类似于多维的brane,其线度大小为Planck长度。为简单起见,我们把brane也称作膜。超弦/M理论中,用有限大小的微观粒子替代粒子物理标准模型中纯粹几何的点粒子,这是极为重要且富有成效的革命性观念。

2)五种微扰超弦理论

这五种超弦的不同在于未破缺的超对称荷的数目和所具有的规范群。I型有N=1超对称性,含有开弦和闭弦,开弦零模描述杨-Mills场,闭弦零模描述超引力。ⅡA型有N=2超对称性,旋量为Majorana-Weyl旋量,不具有手征性,自动无反常,只含有闭弦,零模描述N=2超引力。IIB型同样有N=2超对称性,具有手征性。杂化弦是由左旋D=10超弦和左旋D=26玻色弦杂化而成,只包含可定向闭弦,有手征性和N=1超对称性,可以描述引力及杨-Mills作用。

3)超弦唯象学

从唯象学角度来看,杂化弦型是重要的,E[,8]×E[,8]是由紧致16维右旋坐标场(26-10=16)而产生的,即由16维内部空间紧致化而得到,也就是说在紧致化后得到D=10,N=1,E[,8]×E[,8]的超弦理论。

但是迄今为止,物理学根据实验认定我们的现实空间是三维的,时间是一维的,把四维时空(D=4)作为我们的现实时空。因此我们必须把10维时空紧致化得到低能有效四维理论,为此人们认为从D=10维理论出发,通过紧致化有

M[10]M[4]×K

此中K为C-丘流形,此内部紧致空间维数为10-4=6,M[4]为Minkowski空间,从而得到4维Minkowski空间低能有效理论。其重要结论有:

(1)由D=10,E[,8]×E[,8]超弦理论(M[10]中规范群为E[,8]×E[,8])紧致化为D=4,E[,6]×E[,8]、N=1超对称理论。

(2)夸克和轻子的代数Ng完全由K流形的拓朴性质决定:为Euler示性数χ,系拓朴不变量。

(3)对称破缺问题。已知超弦四维有效理论为N=1,规范群为E[,6]×E[,8]的超对称杨—Mills理论,现实模型要求破缺。首先由第二个E[,8]进行超对称破缺,然后对大统一群E[,6]已进行破缺,从而引力作用在E[,8]中,弱、电、强作用在E[,6]中,实现了四种作用的统一。

4)T和S′对偶性

尽管五种超弦理论在广义相对论和量子力学统合上,取得了不少进展,但是五种超弦理论则是相互独立的,理论却是微扰的。尽管在超弦唯象学中,原则上-丘流形K一旦固定下来,在D=4时空中所有零质量费米子和玻色子(包括Higgs粒子)就会被确定下来,但是-丘真空态总数则可多到数百万个,应该根据什么原则来选取-丘真空态,目前还不清楚。T对偶性和S对偶性的提出,正是五种超弦理论融通的主要桥梁。

在M理论的孕育过程中,对偶性起了重要作用。弦论中存在着一种在大小紧致空间之间的对偶性。例如ⅡA型弦在某一半径为R[,A]的圆周上紧致化和ⅡB型在另一半径为R[,8]的圆周上紧致化,两者是等效的,则有关系R[,B]=(m[2,s]R[,A])[-1]。于是当R[,A]从无穷大变到零时,R[,B]从零变到无穷大。这给出了ⅡA弦和ⅡB弦之间的联系。两种杂化弦E[,8]×E[,8]和SO(32)也存在类似联系,尽管在技术性细节上有些差别,但本质上却是同样的。

A.Sen证明,在超对称理论中,必然存在着既带电荷又带磁荷的粒子。当这一猜测推广到弦论后,它被称作为S对偶性。S对偶性是强耦合与弱耦合间的对称性,由于耦合强度对应于膨胀子场,杂化弦SO(32)和I型弦可通过各自的膨胀子连系起来。

5)M理论和五种超弦、11维超引力间的联系

M理论作为10维超弦理论的11维扩展,包含了各种各样维数的brane,弦和二维膜只是它的两种特殊情况。M理论的最终目标,是用一个单一理论来描述已知的四种作用。M理论成功的标志,在于把量子力学和广义相对论的新理论框架中相容起来。

附图

上面给出五种超弦理论、11维超引力和M理论相容的一个框架示意图[16],即M理论网络。此网络揭示了五种超弦理论、11维超引力都是单一M理论的特殊情形。当然至今M理论的具体形式仍未给出,它还处于初级阶段。

6)推导量子黑洞的熵-面积公式。

在某些情形下,D-branes可以解释成黑洞,或者说是黑branes,其经典意义是任何物质(包括光在内)都不能从中逃逸出的客体。于是开弦可以看成是具有一部分隐藏在黑branes之内的闭弦。Hawking认为黑洞并不完全是黑的,它可以辐射出能量。黑洞有熵,熵是用量子态来衡量一个系统的无序程度。在M理论之前,如何计算黑洞量子态数目是没有能力的。Strominger和Vafa利用D-brane方法,计算了黑-branes中的量子态数目,发现计算所得的的熵-面积公式,和Hawking预言的精确一致,即Bekenstein-Hawking公式,这无疑是M理论的一个卓越成就。

对于具有不同角动量和电荷的黑洞所计算结果指出,黑洞遵从量子力学的一般原理,这说明黑洞和量子力学是十分融洽的。

2.圈量子引力方面

1)Hamiltonian约束的精确解。

圈量子引力惊人结果之一,是可以求出Hamiltonian约束的精确解。其关键在于Hamiltonian约束的作用量,只是在s-纽结的结点处不等于零。所以不具有结点的s-纽结,才是量子Einstein动力学求出的物理态。但是这些解的物理诠释,至今还是模糊不清的。

其它的多种解也已求得,特别是联系连络表示的陈-Simons项和圈表示中的Jones多项式解,J.Pullin已经详细研究过。Witten用圈变换把这两种解联系起来。

2)时间演化问题

人们试图通过求解Hamiltonian约束,获得在概念上是很好定义的、并排除冻结时间形式来描述量子引力场的时间演化。一种选择是研究和某些物质变量相耦合的引力自由度随时间演化,这种探讨会导致物理Hamiltonian的试探性定义的建立,并在强耦合微扰展开中,对S纽结态间的跃迁振幅逐级进行考查。

3)杨-Mills理论的重正化问题

T.Thiemann把含有费米子圈的量子引力,探索性地推广到杨-Mills理论进行研究。他指出在量子Hamiltonian约束中,杨-Mills项可以严格形式给出定义。在这个探索中,紫外发散看来不再出现,从而强烈支持在量子引力中引进自然切割,即可摆脱传统量子场论的紫外发散困难。

4)面积和体积量度的断续性

圈量子引力最著名的物理成果,是给出了在Planck标度的空间几何量具有分立性的论断。例如面积

此中lp是Planck长度,j[,i]是第i个半整数。体积也有类似的量子化公式。

这个结论表明对应于测量的几何量算子,特别是面积算子和体积算子具有分立的本征值谱。根据量子力学,这意味着理论所预言的面积和体积的物理测量必定产生量子化的结果。由于最小的本征值数量级是Planck标度,这说明没有任何途径可以观测到比Planck标度更小的面积(~10[-66]厘米[2])和体积(~10[-99]厘米[3])。从此可见,空间由类似于谐振子振动能量的量子所构成,其几何量本征谱具有复杂结构。

5)推导量子黑洞的熵-面积公式

已知Schwarzchild黑洞熵S和面积A的关系,是Bekenstein和Hawking所给出,其公式为:

附图

这里k是Boltzman常量,是Planck常量,G[,N]为牛顿引力常量,c为光速。对这个关系式的深层理解和由物理本质上加以推导,M理论已经作过,现在我们看下圈量子引力的结果。

应用圈量子引力,通过统计力学加以计算,Krasnov和Rovelli导出

附图

此处γ为任意常数,β是实数(~1/4π),显然如果取γ=β,则由式(3)即可得到式(2)。这就是说,从圈量子引力所得出的黑洞熵-面积关系式,在相差一个常数值因子上和Bekenstein-Hawking熵-面积公式是相容的。

Bekenstein-Hawking熵公式的推导,对圈量子引力理论是一个重大成功,尽管这个事实的精确含义目前还在议论,而且γ的意义也还不够清楚。

四、量子引力理论的哲学反思

我们从空间和时间的断续性、运动(相互作用)基本规律的统一性、物质结构基本单元的存在性三个方面进行哲学探讨。

1.空间和时间的断续性

当代基础物理学的核心问题,是在Planck标度破除空间时间连续性的经典观念,而代之以断续性的量子绘景。量子引力理论对空间分立性的揭示和论证,看来是最为成功的。

超弦/M理论认为,我们世界是由弦和brane构成的。根据弦论中给出的新的不确定性关系,弦必然有位置的模糊性,其线度存在一有限小值,弦、膜、或brane的线度是Planck长度,从而一维空间是量子化的。由此推知,面积和体积也应该是量子化的。二维面积量子的数量级为10[-66]厘米[2],三维体积量子的数量级为10[-99]厘米[3]等。

对于圈量子引力,其最突出的物理成果是具体导出了计算面积和体积的量子化公式。粗略说来,面积的数量级是Planck长度lp的二次方,体积的数量级是lp的三次方。这就令人信服地论证了在Planck标度,面积和体积具有断续性或分立性,从而根本上否定了空间在微观上为连续性的经典观念。

依据空间和时间量度的量子性,芝诺悖论就是不成立的,阿基里斯在理论上也完全可以追上在他前面的乌龟。类似的,《庄子·天下》篇中的“一尺之捶,日取其半,万世不竭”这个论断在很小尺度上显然也是不成立的。古代哲学中这两个难题的困人之处,从空间时间断续性来看,是由于预先设定了空间和时间的度量,始终是连续变化的经典性质。实际上在微观领域,空间和时间存在着不可分的基本单元。

2.运动(相互作用)基本规律的统一性

20世纪基础物理学巨大成功之一,就是建立了粒子物理学的标准模型,理论上它是筑基于量子规范场论的。这个模型给出了夸克、轻子层次强、弱、电作用的SU(3)×SU(2)×U(1)规范群结构,在一定程度上统一了强、弱、电三种相互作用的规律。但是它不含有引力作用。

超弦/M理论的探讨,在于构建包含引力在内的四种作用统一的物理理论。传递不同相互作用的粒子如光子(电磁作用)、弱玻色子(弱作用)、胶子(强作用)和引力子(引力作用),对应于弦的各种不同振动模式,夸克、轻子层次粒子间的作用,就是弦间的相互作用。在Planck标度,超弦/M理论是四种基本作用统一理论的最佳侯选者,也就是所说的万物理论(Theory of everything)的最佳侯选者。

在Planck时期,物质运动或四种作用基本规律的统一性,正是反映了我们宇宙在众多复杂性中所显现的一种基本简单性。

3.物质微观结构的基本单元的存在性[17]

世界是由物质构成的,物质通常是有结构的,但是物质结构在层次上是否具有基本单元,即德谟克利特式的“原子”是否存在?这是一个长期反复争论而又常新的课题。当代几种不同的量子引力,尽管对某些问题存在着不同的见解,但是关于这个问题从实质上来看,却给出了一致肯定的回答。

超弦/M理论认为,构成我们世界的物质微观基本单元是具有广延性的弦和brane,并非所谓的只有位置没有大小的数学抽象点粒子。粒子物理学标准模型中的粒子,都是弦或brane的激发。弦和brane的线度是有限短的Planck长度,它们正是构成我们世界的物质基本单元,即德谟克利特式的“原子”,这是超弦/M理论为现今所有粒子提供的本体性统一。

圈量子引力给出了在Planck标度面积和体积的量子化性质,即断续的本征值谱,面积和体积分别存在着最小值。由于在圈量子引力中,脱离引力场的背景空间是不存在的,而引子场是物质的一种形态,因此脱离物质的纯粹空间也就是不存在的。空间体积和面积的不连续性和基本单元的存在,正是物质微观结构的断续性和基本单元的存在性的最有力论据。

总之,超弦/M理论和圈量子引力从不同的侧面,对量子引力的本质和规律作出了一定的揭示,它们在Planck标度领域一致地得出了空间量子化和物质微观结构基本单元存在的结论。这无疑是人们在20世纪末期对我们世界空间时间经典观念的重大突破,也是广义相对论和量子力学统合的成果;同时更是哲学上关于空间和时间是物质存在的客观形式,没有无物质的空间和时间,也没有无空间和时间的物质学说的一曲凯歌!

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量子力学和相对论的意义范文3

关键词:量子力学;量子理论;矩阵力学;波动力学;测不准原理

量子力学揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质,光的吸收与辐射等等方面。从1900年到1913年量子论的早期提出,到经过许多科学家如玻恩、海森伯、玻尔等人的努力诠释,量子力学得到了进一步发展。后来遭到爱因斯坦和薛定谔等人的批评,他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理。双方展开了一场长达半个世纪的论战,至今尚未结束。

一、量子论的早期

1 普朗克的能量子假设

普朗克在黑体辐射的维恩公式和瑞利公式之间寻求协调统一,找到了与实际结果符合极好的内插公式,迫使他致力于从理论上推导这一新定律。但是,他经过几个月的紧张努力也没能从力学的普遍理论直接推出新的辐射定律。最后只好用玻尔兹曼的统计方法来试一试。他根据黑体辐射的测量数据计算出普适常数,后来人们称这个常数为普朗克常数,也就是普朗克所谓的“作用量子”,而把能量元称为能量子。

2光电效应的研究

普朗克的出能量子假说具有划时代的意义,但是,不论是他本人还是同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦最早明确地认识到,普朗克的发现标志了物理学的新纪元.1905年,爱因斯坦在其论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中,发展了普朗克的量子假说,提出了光量子概念,并应用到光的发射和转化上,很好地解释了光电效应等现象。在那篇论文中,爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史,提示了经典理论的困境,提出只要把光的能量看成不是连续的,而是一份一份地集中在一起,就可以作出合理的解释。与此同时,他还大胆地提出了光电方程,当时还没有足够的实验事实来支持他的理论,因此,爱因斯坦称之为“试探性观点”。但他的光量子理论并没有及时地得到人们的理解和支持,直到1916年,美国物理学家密立根对爱因斯坦的光电方程作出了全面的验证,光量子理论才开始得到人们的承认。 3 固体比热的研究

1906年,爱因斯坦将普朗克的量子假说应用于固体比热,解释了固体比热的温度特性并且得到定量结果。然而,这一次跟光电效应一样,也未引起物理界的注意。不过,比热问题很快就得到了能斯特的低温实验所证实。量子理论应用于比热问题获得成功,引起了人们的关注,有些物理学家相继投入这方面的研究。在这样的形式下,能斯特积极活动,得到比利时化学工业巨头索尔威的资助,促使有历史意义的第一届索尔威国际物理会议的召开,讨论的主题就是《辐射理论和量子》,这次会议在宣传量子理论上起了很好的作用。

4量子假说运用于原子模型

哈斯是奥地利的一位年表物理学家,他在研究黑体辐射时很早就注意到了量子论。汤姆生专门讨论原子结构的书《电与物质》和维恩的文章促使他运用量子公式来阐述原子结构,这是将量子假说运用于原子结构的最初尝试。

丹麦人玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型学说,为了证实其正确性,玻尔利用量子假说来解决原子的稳定性问题。要描述原子现象,就必须对经典概念进行一番彻底的改造,因为一致公认的经典电动力学并不适于描述原子规模的系统行为。1913年,玻尔在他的第二篇论文中以角动量量子化条件作为出发点来处理氢原子的状态问题,得到能量、角频率和轨道半径的量子方程。可见,玻尔的对应原理思想早在1913就有了萌芽,并成功地应用于原子模型理论。玻尔的原子理论完满地解释了氢光谱的巴耳末公式;从他的理论推算,各基本常数如e、m、h和R(里德伯常数)之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收,并且成功地解释了元素的周期表,使量子理论取得了重大的进展。

二 量子力学的建立与发展

1德布罗意假说 2电子自旋概念的提出 半年后,荷兰著名物理学家埃伦费斯特的两个学生在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法,并写成了。这得到了海森伯的赞同,不过,如何解释双线公式中多出的因子2,一时还得不到解答。玻尔试图从相对论推出双线公式,但仍然没有结果。终于,在1926年,在哥本哈根研究所工作的英国物理学家托马斯才解决了这个问题。这样一来,电子自旋的概念很快被物理学界普遍接受。

3矩阵力学的创立 集正是线性代数中的矩阵,此后,海森伯的新理论就叫《矩阵力学》。

玻恩着手运用矩阵方法为新理论建立一套严密的数学基础。与数学家约丹联名发表了

《论量子力学》一文,首次给矩阵力学以严格的表述。接着,玻恩、约丹、海森伯三人合作,系统地论述了本征值问题、定态微扰和含时间的定态微扰,导出了动量和角动量守定律,以及强度公式和选择定则,从而奠定了量子力学的基础。

4波动力学的创立 5波函数的物理诠释 6测不准原理和互补原理的提出 海森伯在创立矩阵力学时,对形象化的图象采取否定态度。但他在表述中仍然需要“坐标”、“速度”之类的词汇,这些词汇已不再等同于经典理论中的那些词汇。为解释这些词汇坐标的新物理意义,海森伯抓住云室实验中观察电子径迹的问题进行思考。他意识到电子轨道本身的提法有问题,人们看到的径迹并不是电子的真正轨道,而是水滴串形成的雾迹,水滴远比电子大,所以人们也许只能观察到一系列电了的不确定的位置,而不是电子工业的准确轨道。因此,在量子力学中,一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置,同时也只能以一定的不确定性具有某一速度 。可以把这些不确定性限定在最小范围内,但不能等于零。这就是海森伯对不确定性的最初思考。海森伯的测不准原理是通过一些实验来论证的,他还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析得出结论:能量的准确测定如何,只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。

海森伯的测不准原理得到了玻尔的支持,但玻尔不同意他的推理方式,认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。于是提出了互补原理。他指出,平常大家总认为可以不必干涉所研究的对象,就可以观测该对象,但从量子理论看来却不可能,因为对原子体系的作何观测,都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变,因此不可能有单一的定义,平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说互相排斥的不同性质在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。其他量子力学结论也可从这里得到解释。

三 关于量子力学完备性的争论

玻恩、海森伯等人提出了量子力学的诠释之后,遭到了爱因斯坦和薛定谔等人的批评,他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理,双方展开了一场长达半个世纪的大论战,许多理论物理学家、实验物理学家和哲学家卷入了这场论战,至今还未告结束。

正是由于以爱因斯坦为代表的EPR一派和以玻尔为代表的哥本哈根学派的长期争论,才使得量子力学越来越完备,很多问题得到了系统性的研究。

1965年,贝尔在定域隐参量理论的基础上提出了一个著名的关系,人称贝尔不等式,于是有可能对隐参量理论进行实际的实验检验,从而判断哥本哈根学派对量子力学的解释是否正确。从70年代开始,各国物理学家先后完成了十几项检验贝尔不等式的实验。这些实验大多数都明显地违反了贝尔不等式,而与量子力学理论预言的相符。但也不能就此对爱因斯坦和玻尔的争论作出最后裁决。目前这场论战还在进行之中,没有得出最后的结论。

[2]卢鹤绂.哥本哈根学派量子论诠释.上海:复旦大学出版社,1984

量子力学和相对论的意义范文4

19世纪末,20世纪初不但是世纪的转折点,更是人类知识体系的转折点。哲学上,尼采代表的存在主义哲学对理性主义发出了怒吼,那个抽象的上帝已死,感性的“人”回归。而在物理学上,一个叫爱因斯坦的年轻人和他同时代的物理天才们正在对牛顿体系发起反抗。尽管,爱因斯坦将自己做了传统理论的捍卫者,并对量子物理产生抗拒心理。不可否认的是,这些天才科学家已经整体被认为是新世界的奠基人。

从古希腊哲学到牛顿力学

对于过去300年来,人类对于牛顿体系的依赖,波普尔有过一句相当精确的描述:“自然和自然法则在夜间隐去。上帝说,让牛顿来!于是,一切变得光明起来。”

从古希腊时期,哲学家们就开始思考自然运行的法则。比如,物体下落是因为它们有趋于宇宙中心的本能(此时,人们认为地球就是宇宙的中心)。物体越重,本能越强,所以,重的物体会下落得更快。天体的运行估计是圆形的,因为这是天堂的完美形式。

古希腊的科学观由哲学家建立,缺少实验精神和更多的审美诉求。因此,在那个时期,出现了百家争鸣的局面。直到中世纪,亚理斯多德的科学观和托勒密的“地心说”被宗教所采用,成为描述天堂和地狱的依据。

16世纪,哥白尼和开普勒分别利用算法技巧对宗教宇宙观发起挑战,“地心说”在数学上被,“日心说”掀起了新的知识革命。但是,真正对后世物理思想产生影响的是帕多瓦大学的一位年轻教授,年仅27岁的伽里略。作为哥白尼的信徒,为了避免布鲁诺所遭受的宗教迫害,他放弃了哥白尼学说。但是,他直接对地心说的源头,也就是亚理斯多德的“本能论”进行驳斥。他的驳斥方法在当时被认为是开天辟地,即“实验”。其中,最著名的当属比萨斜塔的落球实验。

伽里略对物理学发展的意义极为深远:科学只应该处理能被证实的事情,直觉和权威是没有意义的。科学终于摆脱了空想和计算,带着“实验”精神取得了前所未有的进步。

1647年,伽里略去世,艾萨克・牛顿出生。这个声称自己是通过观察苹果落地而发现万有引力的天才,一手建立的“钟表”世界观影响了人类的方方面面。甚至可以说,伟大的工业革命以及曾经牢不可破的资本主义世界都是牛顿定律的产物。

牛顿世界观最直接打破了中世纪的物质世界和精神世界合一的世界观,比如天堂也无法摆脱物理规律的束缚。自牛顿开始,物理学就一直在构建一个日益精巧,且以力学为基础的世界观。整个宇宙被假定为一个巨大的机械钟表,所谓科学就是无限地去发现隐藏其中的错综复杂的运转细节。借助于万有引力、热力学、光学,物质世界的每个方面,原则上都可以显示为一个巨大的、联动的、合乎逻辑的机械装置的一部分。每一个物理原理都能产生可预知的结果,而每一个结果都能追溯出唯一的原因。

物理学家们认为穷尽一生探索的因果关系,正是我们了解过去和未来的线索。也正是因果关系,让爱因斯坦面对新的知识革命时纠结万分。没有了因果,科学探索还有什么意义吗?

牛顿体系的影响力远远超出了物理学范畴,社会学正是建立在“原子论”基础之上,引力被亚当斯密直接引用到了政治经济学中,生出了那只“看不见的手”。

牛顿理论也被称为经典物理理论,它在人类冲破宗教统治的过程中,起到了根本性作用,它贯穿了整个资本主义的黄金岁月,显得如此坚固。

惴惴不安的爱因斯坦

然而,物理学界在19世纪的最后一天,迎来了其崭新的篇章。英国著名物理学家开尔文爵士在欧洲物理学家的聚会上发表了著名的“两朵乌云”说。他认为,物理学的整体性日趋完善,但是“地平线上还有两朵乌云”。正是这两朵乌云,使得几乎封顶的物理学体系土崩瓦解。

“第一朵乌云出现在光的波动理论上”,“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上”。开尔文爵士所言的第一朵乌云,日后演化成了爱因斯坦的相对论,第二朵乌云则是量子力学。

19世纪,人们发现了光的波动性,按照经典物理学理念,光波的传播和水波一样,需要在某种介质中传播,这就是所谓的“定域性”。于是,“以太说”再次盛行(“以太”本是一个哲学概念,是古希腊人想象出来的空间介质)。在以太中静止的物体为绝对静止,相对以太运动的物体为绝对运动。

以太的假设事实上代表了传统的观点:电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变。这个“绝对静止系”就是“以太系”。其他惯性系的观察者所测量到的光速,应该是 “以太系”的光速,是这个观察者在 “以太系”上的速度之矢量

既然“以太”存在于宇宙之间,那么一定可以通过对光波的测量,来显示出地球相对于太阳的运动。然而,这样的实验以失败告终。按照“以太说”,地球并没有运动。这个失败的实验震动了整个物理学界,像一朵乌云一样,笼罩在经典物理理论大厦的上空。

年轻的爱因斯坦在20世纪初,发表了狭义相对论,他大胆抛弃了“以太说”,电磁场本身就是物质存在的一种形式,而场可以在真空中以波的形式传播。也就是说,没有绝对静止的空间。光速则是恒定的,且是速度最快的物质。

而要理解光速为何在所有的参照体系中都相同,就必须改变牛顿的时空观。

牛顿认为时间和空间是绝对的,毫无关联的存在。时间就像河流,延续不断,好比“逝者如斯夫”,它不依赖于我们的感慨而减缓流逝。但是,爱因斯坦抛弃了以太论,也就抛弃了绝对静止的概念。对时间的测量取决于观测者的运动。由于“空-时”体系的稳定性,时间变成相对的了,空间自然也就变成相对了。

虽然时间和空间各自不再绝对,但是它们的测量关系的稳定性导致了光速的不变。举一个例子:把一把尺子放在飞驰的火车上。如果我们在看台上,这列火车飞驰而过,那么尺子的长度会缩短,我们感受到的时间流逝得也会很快。但是,时空之间的测量关系保持不变。正如爱因斯坦的老师闵可夫斯基在提出四维理论时所说,“空间本身和时间本身都注定要蜕变为纯粹的幻影,只有两者的某种联合才能保持独立的实在性。”

狭义相对论的另一个重要定律是,质量和能量是一回事,两者可以进行转换。空间和时间随物质运动而变化,质量随运动而变化,质量和能量的相互转化。

爱因斯坦虽然不愿承认自己是在革牛顿的命,但事实上,正是他对牛顿体系中时空的重新定义,以及质量与能量的转换,推动了量子力学体系的建立。量子力学是开尔文爵士说的第二朵乌云。

1926年,量子力学的奠基人海森博格在柏林和偶像爱因斯坦进行了一次谈话,第二年,他便提出了量子力学的基础性概念“测不准原理”。海森博格认为:“在位置被测定的一瞬,即当光子正被电子偏转时,电子的动量发生一个不连续的变化,因此,在确知电子位置的瞬间,关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是,位置测定得越准确,动量的测定就越不准确,反之亦然。”

这是一个彻底摧毁牛顿体系的原理,即概率取代了确定性。如果说牛顿构建的世界是齿轮之间高度咬合的精密机器的话,海森博格带来的则是一个混沌的,对结果无法预知的生命体。因果论彻底失效,反而是带有中国传统文化味道的阴阳论占据了主导地位。定量与位置的关系,就像阴阳,彼此矛盾,此消彼长。

在量子力学确立的过程中,最为知名的假说便是“薛定锷的猫”。即在打开盒子的一刹那,我们无法预知猫是死还是活,只能认为它是既死又活。量子力学了牛顿体系中的“实在性”常识,也超越了唯物主义和唯心主义的争辩局面。

如果我们想知道未来,唯有通过行动,因为未来不可预知。

同时,量子力学对空间概念进一步颠覆。牛顿认为,重力来自于重力场,由地球统一发出。量子力学认为,磁场本身就是一种力。而在空间中,分布着各种各样的场。比如,在时间和空间形成的曲面中,地球就像脸盆中的乒乓球,始终围绕着太阳运行,而不是引力在起作用。

量子力学和相对论的意义范文5

关键词:量子力学;经典科学世界图景;非机械决定论;整体论;复杂性;主客体互动

Abstract:Asoneofthreerevolutionsofphysicsin20thcentury,quantummechanicshasgreatlytransformedtheworldviewofclassicalscienceinmanyaspects.Quantummechanicsbreaksthoughthemechanicaldeterminisminclassicalscience,transformingitintononmechanicaldeterminism;itchangesscientificcognitiveprocessfromthetheoryofreductionismtothetheoryofwholism;itshiftsthewayofthinkingfrompursuingsimplicitytoexploringthecomplexity;italsoestablishestheinteractionbetweensubjectandobjectinscientificresearches.

Keywords:quantummechanics;worldviewofclassicalscience;nonmechanicaldeterminism;wholism;complexity;interactionbetweensubjectandobject

经典科学基本上是指由培根、牛顿、笛卡儿等开创的,近三百年内发展起来的一整套观点、方法、学说。经典科学世界图景的最大特征是机械论和还原论,片面强调分解而忽视综合。以玻尔、海森伯、玻恩、泡利、诺伊曼等为代表的哥本哈根学派的量子力学理论三部曲:统计解释—测不准原理—互补原理所反映的主要观点是:微观粒子的各种力学量(位置、动量、能量等)的出现都是几率性的;量子力学对微观粒子运动的几率性描述是完备的,对几率性的原因不需要也不可能有更深的解释;决定论不适用于量子力学领域;仪器的作用同观察对象具有不可分割性,确立了科学活动中主客体互动关系。[1]量子力学的发展从根本上改变了经典科学世界

图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论,遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学,机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单,因为机械运动比较容易认识,牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学,获得了空前成功;说它最普遍,因为机械力学有广泛的用途,容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上,解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性,无论从因到果的轨迹多么复杂,沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果;机械决定论的核心在于只要初始状态一定,则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实,机械决定论仅仅适用于宏观物体,而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解,同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论,微观粒子运动遵守统计规律,我们不能说某个电子一定在什么地方出现,而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出,因果性是表示事件关系之中一种必然性观念,而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性,自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中,几率性是基本概念,统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变:统计描述代替了严格的因果描述,非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念,但未能从根本上动摇严格决定论,量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性,它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定,不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量,只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此,量子力学必须是几率的、统计的。而且,随着认识的发展,人们发现量子统计的随机性,不是由于我们知识和手段的不完备性造成的,而是由微观世界本身的必然性(主客体相互作用)所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法,是指把高级运动形式归结为低级运动形式,用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质,以及完全还原是不可能的,决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义,整体的特征绝非部分的叠加,而是部分包含着整体。部分作为一个单元,具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系,同时还要表现出“主体性”,可将自身的内在联系传递到周边,并直接参与整体的变化。因而,部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态,部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征,也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看,也就是按照还原论的思想,粒子与波毫无共同之处,二者难以形成直观的统一图案,这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法,是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下,只表现波动性;而在另一些实验条件下,只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是,玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾,并试图寻找一种解决矛盾的方法,这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性,即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”,即从整体到部分。同样,海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置,这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出,造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观,而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以,量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看,世界在本质上是简单的。牛顿就说过,自然界喜欢简单化,而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标,也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动,牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性,这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体,而且把研究对象的条件理想化,使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此,特别是进入微观领域,微观粒子运动的几率性、随机性;观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中,牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例,成为非线性科学中交互作用近似为零的情况,在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性,而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中,正如莫兰所说的,复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本,可能性比现实性更基本,演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式,不是以现实来限制可能,而是从可能中选择现实;不是以既存的实体来确定演化,而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性,在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通,而不是仅仅限于孤立和分离,它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是,认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们,根本不存在所谓的“真实”,除非你首先描述测量物理量的方式,否则谈论任何物理量都是没有意义的!测量,这一不被经典物理学考虑的问题,在面对量子世界如此微小的测量对象时,成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰,使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来,在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时,我们就会遇到一个矛盾:我们的观测仪器是宏观的,可是研究对象却是微观的;宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰,这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰;人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果,可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定,从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如,关于光到底是粒子还是波,辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排,人们可以看到光的波现象;另一种实验安排,人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言,它却表现出波粒二象性。因此,海森伯就说,我们观测的不是自然本身,而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明,不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够描述出自然“是什么”,而在于它能够明确,关于自然我们能够“说什么”。

参考文献:

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京:江苏科学技术出版社,2004:270-271.

[2]郭奕玲,沈慧君.物理学史[M].第2版.北京:清华大学出版社,1993:1-2.

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[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究,1995,11(9):25-30.

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[6]疏礼兵,姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究,2004,22(5):56-58.

量子力学和相对论的意义范文6

人类以新的视野观察和认识世界

相对论是研究时间、空间、运动这三者关系的理论体系的总称,它是这100多年来人类最伟大的两个理论之一(另一个伟大理论是量子力学)。相对论的伟大是不足以用诺贝尔物理学奖来评价的。如果真有一个上帝的话,上帝过去总是说:“人类一思考,上帝就发笑。”相对论诞生之后,上帝改口了:“人类一思考,上帝就发慌。”

相对论是关于时空和引力的基本理论,依据研究的对象不同,分为狭义相对论和广义相对论。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性场与普遍参照系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,著名的质能关系式,即E=MC2,可以用来计算核反应过程中所释放的能量,并导致了原子弹的诞生。广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。至今,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家为之奋斗。

相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”“四维时空”“弯曲时空”等全新的概念。它发展了牛顿力学,推动物理学发展到一个新的高度。一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦:“在我们这一时代的物理学家中,爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最光辉的巨星之一”,“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,将更加深入地进入人类思想基本要领的结构中。”

对称性原理对物理学研究有着十分重要的指导意义,爱因斯坦最善于应用这一原理,整个相对论都是在此基础上建立起来的。特别是在建立广义相对论的过程中,爱因斯坦还对原理做了创造性发展。过去是实验方程对称性,但爱因斯坦认为“这个链很有趣,如果从洛伦兹对称性以外的对称性出发,推导出方程,再利用它进行实验,不是更好吗”?爱因斯坦成功地实现了这个关系的倒置。他所说的这种新的对称性就是引力场方程在非欧几里德空间的协变。

相对论的建立也把化学和生物学推向了新的高峰。19世纪末,化学领域取得了巨大的成就,但也遇到了巨大的困难。其主要原因是“原子不可分,元素不能变”的观念根深蒂固。20世纪物理学的这场革命,从根本上改变了化学的基本概念,并使之获得了很多新的研究方法。由物理学家开创的化学键理论,X射线衍射法的运用,推动了结构化学的发展。20世纪后的化学,主要通过研究电子在分子和原子中的分布和运动,由此更深刻地揭示物质的性质和化学变化的规律。

分子生物学创立于20世纪50年代,物理学对其形成和发展产生了举足轻重的作用。X射线衍射方法的运用使生物大分子晶体结构分析成为可能。特别是薛定谔于1944年出版的《生命是什么》一书“从思想上唤起生物学革命”。该书在运用统计物理的概念分析生命现象后指出,生命物质的运动必然服从已知的物理学定律。这启发了人们用物理学的思想和方法探讨生命物质运动的规律。

科技和社会产生了诸多变革

100年前,爱因斯坦发表了具有划时代意义的5篇物理学论文,奠定了相对论的基础,并为量子理论的发展做出了重要贡献。原子能、晶体管、计算机、激光、纳米材料、宇宙飞船、生命科学等20世纪重大的发明,都是由爱因斯坦开创的近代物理学的结晶。

相对论和量子力学的建立使人类进入到信息时代。固体物理已有几个世纪的历史,直到20世纪初,由于X射线衍射的发现以及金属的自由电子论和能带理论的提出才使其成熟了。20世纪30年代后,量子力学使它成为一门研究固体多种物理性质、微观结构及其内部运动规律的学科。近年来,固体物理的研究对象由晶体扩展到非晶体和物体的表面,故更名为凝聚态物理学。半导体材料、磁性材料、纳米材料等是它研究的主要对象,这为计算机的诞生和发展奠定了科学和技术基础。 电路板

信息革命始于20世纪40年代,以计算机问世为标志,目前方兴未艾。从1904年发明二极管起,到1946年世界上第一台电子管计算机研制成功为止,是信息技术史上的“电子管时期”。1947年随着半导体晶体管的问世,信息技术史进入了“晶体管时期”。此后,集成电路的发明打破了电路与元件分离的传统观念,使电子设备微型化。经过大规模集成电路阶段后,超大规模集成电路又在迅猛发展。而计算机就是由这些物理元件组成的信息处理器。以激光器发明为标志的光电子技术,使信息技术上了一个新台阶。因为采用光子作为信息载体,其响应速度比电子快3个数量级,也不存在电磁串扰等。待到光子集成电路问世后,计算机的发展将更迅速,应用前景将更广阔。前两次工业革命延伸的是人的肢体功能,这次革命拓展的是人的大脑功能。因此,信息革命是更深刻的革命。海湾战争、科索沃战争和伊拉克战争就是最有力的证明。

20世纪初爱因斯坦相对论开启的科技革命和20世纪六七十年代开始的高科技时代,对人类思想文化的影响更是震撼性的。以网络信息技术为例,我们由此可窥一斑而知全豹。由于数字技术的应用,人类从观念到生活方式都发生了天翻地覆的变化。可以说,计算机、信息网络技术影响到了当今思想文化的每个角落。姑且不说数字技术改变了几百年来铅与火的印刷,上千年笔与纸的书写,现在文化的交流、知识信息的传播,甚至到了动一下指头,点击上网即可实现的地步。这与以前关山隔阻,需飞越千山万水,克服重重困难才能达到目的的情况相比,简直有天壤之别。

相对论与我们的生活息息相关

尽管大多数人至今还不知道相对论究竟是怎么回事,但事实上,它早就深刻地影响到整个人类社会,直接或间接地影响了我们每一个人的生活。1919年,爱因斯坦在与儿子埃德瓦的谈话中说:“当一只甲虫在一根弯曲的树枝上爬行的时候,它并没有觉察到这根树枝是弯曲的,我有幸觉察到了甲虫没有觉察到的东西。”爱因斯坦的这一觉察,在其后近100年中改变了整个世界,并且,这种改变现在还在继续。

GPS导航系统现在已经是一个满大街都可以看到的常用小电器了,可能每个司机都有一个车载的导航系统,或者手机里装有一个导航软件。如果没有相对论,那么导航系统就会出大问题。爱因斯坦指出:“传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定,当多种因素暂时联系起来的时候,传统的计时方法就会失去作用。”因为根据相对论,卫星上的时钟会比地面上的时钟走得快,每天大约快38微秒(0.000038秒),如果不校正的话,GPS导航系统每天积累的误差将超过10千米(这个误差是垂直方向上的,不是水平方向上的),如果美军用这个来导航导弹的话,那麻烦就大了。因此,在GPS卫星发射前,要先把其时钟的走动频率调慢100亿分之4.465,把10.23兆赫调为10.22999999543兆赫,这些数字全靠有了相对论才能那么精确地计算出来。