在17世纪时，牛顿主张光是粒子组成的概念，该理论就是“微粒说”理论。在牛顿的经典力学中，每个物体都有确定的位置和速度。18世纪光的波动现象已经令人信服地驳倒了“微粒说”，也就是“波动说”占据了主流的地位。但到了20世纪，却又发现光的某些特性常常需要当作粒子的集合，而又有些特征往往需要看成连续的波动。由此进一步揭示出粒子的“波粒二象性”。

　　20世纪物理学迈入量子力学的新时代。建立起了三项理论。第一个是1905年由爱因斯坦为主创建的狭义相对论。第二个是1915年由爱因斯坦独自创建的广义相对论。第三个是1925年创立的量子力学理论。
　　　[53]

日期：2009-11-16　09:53:23

　　这里需要说明一下，一般讲到量子力学时泛泛而谈是指20世纪后所兴起的所有物理理论的总称。其中主要含有两部分内容：一个是指以爱因斯坦为主的相对论，它是研究大尺度的宏观宇宙的。另一个则是指专门研究微观世界的微粒子的，可以称作量子理论部分。相对论的建立在前，有人将相对论称作经典理论。而通常讲到的后来在1925年所创建的量子力学，则主要是指研究微观粒子的量子理论部分；“测不准原理”、“不确定性原理”及“波粒二象性”都是属于量子理论中的内容；但经常有人说到“量子力学”时仅仅是指研究微观世界的量子理论。

　　其实，说到20世纪前的物理理论时往往会用牛顿力学一言以代之。而实际上那个时代应该说是经典物理时代，它主要也分为两部分内容，一是牛顿力学，另一是麦克斯韦的电磁理论。
　　20世纪前物理学基本上就是牛顿力学一统之天下。当时物理学研究的范围基本上都是在宏观物理世界中人们可以感知的范围。在这范围内牛顿力学是自洽的，并且也似乎没有遇到什么解决不了的问题。同时麦克斯韦电磁场理论也趋于完善。因而在19世纪末，许多物理学家甚至认为物理学的发展已经结束了，也就是说物理学的工作即将全部完成了。当时人们认为组成物质的最小的不可再分割的粒子——原子，也早就在1803年被发现了，因而人类掌握全部物质结构也就成了不成问题的问题了。但是在1888年赫兹发现了光电效应，人们开始意识到原子并不是想象中的不可再分割的最小粒子，因为光从它里面击出了更小的粒子。这时应用麦克斯韦的经典电磁理论也根本没办法解释光电效应现象。

　　1899年英国科学家汤姆逊发现了电子。1901年普朗克建立起量子论，这就是物理学从19世纪进入20世纪的关键性转折阶段，它标致着物理学已经由经典物理的宏观描述转入了对微观世界的分析。这是一次飞跃，从此以后它主导了整个20世纪的物理学思想，推动物理界改头换面掀起一场新的巨浪。从此一种新的思维观点：“即大的物质是由小的物质组成，小的物质是由更小的物质组成，只要真正找到最小的不可再分割的基本粒子，就可以知道最大物质的构造。”这一思想开始引导人们去思考、去探索。可以说量子力学是随着20世纪一齐齐头并进地来到人间。

　　量子力学时代的到来无疑是20世纪物理学划时代的伟大成就。对经典物理、麦克斯韦理论解决不了的当时称之为紫外灾的，似乎要给经典物理带来毁灭性打击的光电效应现象，爱因斯坦推广普朗克的辐射能量子的观点，成功地解释了这个问题。今天用量子力学的观点再回过头来看这个问题时，好像并不难理解。可是要是回顾一下当时的物理学的历史，自18世纪以来物质的波动说在物理学界已经占据了绝对主导的地位。源源不断的物质波早已将17世纪牛顿力学中的微粒说淹得几乎无影无踪了。同样川流不息的紫外线，照射在那顽固不化的、不可再分割的物质的最小单位原子上，竟然里面还会流出来什么不间断的某种波来，这根本是难以思议的。要是说里面被紫外线击打出来是不是波，而是竟又蹦出来了早已偃旗息鼓的17世纪微粒说中的鬼魂般的粒子来人们更是不能接受这种幽灵再现的说法了。

　　[54]

日期：2009-11-17　09:55:29

　　是普朗克的量子学说开始为物理学解了围，他提出了一个量子的观点。量子是波可被发射或被吸收的不可分割的单位，也就是讲量子是波或者说是波包也罢，反正不是那想借尸还魂的粒子，同时又隐示着人们可以理解成它能以一个又一个的波包出现，而不用费尽心机尚难以理解如何在那源源不尽的波中如何一段一段地取舍。其实也正是这个似波又似粒子难以言明的量子的新观点，解释了前面未能解释的问题，并且形成了量子力学的重要新概念——“波粒二象性”。对以后出现的，实际上也是为历史上遗留的，物理学中一直没法解决的波与粒子的矛盾谋求来了一个大荟萃。1900年普朗克提出了符合整个波长范围的黑体辐射公式。这个公式就是用能量量子化假设的理论推导出来的。

　　他所提出的普朗克量子原理是说：“光只能被发射或被吸收，其能量与它们频率成正比的分立的量子的思想。”这句话的意思可以这么理解，无论是光还是某种波，不能任意地减少传递的数量，而只能一份一份定量的按量子包的状态传递。这样就可以不言自明地领会一下这个非波又非粒子的量子这个名字的含义了。同时也可以就此理解一下为什么量子力学创立近百年以来，物理学界对这个已歌颂近百年的名称仍然含义不清地争论不休。

　　除了波粒二象性外，量子力学的基本理论内容则是“测不准原理”，也就是1926年海森堡的“不确定性原理”。牛顿力学是解决宏观物理世界的问题，它能很精确地描述被研究对象的运动状态，这是因为被研究对象的位置和速度是可以很准确地被测量出来。而“测不准原理”则只能很遗憾地告诉人们，这在微观世界中是根本没法办到的事。所以量子力学只能借助几率来描述它的运动状态。也就是说量子力学得到的答案只能是概率性的波或统计性的结论。

　　“测不准原理”也说明了，在原子状态下处于低能态的电子是不能静止地呆在核上，因为此时此刻如果电子有着原子核这一精确的停留位置，却又同时具有能被精确定义的速度为零，那是在“不确定性原理”中不可能出现的。
　　20世纪30年代前，量子力学在具有有限自由度的系统中，例如分子和原子的系统中得到了极其成功的应用。但是在具有无限自由度的电磁中的应用时，却遇到了困难。因为无限数目的自由度的能量会使电子的表现质量和电荷变成了无穷大。
　　直至20世纪40年代晚期人们才解决了这一问题。科学家应用重正化步骤克服了上述困难。在重正化步骤中允许相当任意地扣除某个无限的量，仅使它留下有限的余量。1971年特符夫特就是应用这一理论，建立起电磁力和弱相互作用力的一个统一模型。
　　在相对论及量子力学的基础上后来又建立起了量子场论。这是一个除了引力外，所有物理现象都能符合的相对论量子场论标准模型。它的研究是准备用以来描述包括电磁力、弱力、强力三种基本相互作用力在内的理论。
　　现代物理界权威之一霍金又发展了量子引力论。霍金认为：“任何有前途的理论都应具有某些特征，其中之一便是爱因斯坦思想”。在这个理论中充分贯彻了引力效应，由被物质和能量所弯曲、甚至卷曲的时空来体现。物体在弯曲空间中是沿最接近于直线的轨迹即“测地线”运行。当然，由于时空本身是弯曲的，所以它们所通过的路径也必然是弯折的，如同是被引力场所弯折了似的。

　　[55]

日期：2009-11-18　09:25:51