从宏观到微观,物质认知的百年变革

依据经典物理学,人们认知世界的维度是经典力学、经典电动力学等,但在科学实验与生产实践之间,对于物质认知的种种矛盾,经典物理学并不能充分解释。从20世纪开始,量子论逐步发展,一步步推翻经典物理学,最后给人类带来关于物质的新的认知革命,从而改变我们的生活,甚至世界观。

依据经典物理学,人们认知世界的维度是经典力学、经典电动力学等,但在科学实验与生产实践之间,对于物质认知的种种矛盾,经典物理学并不能充分解释。从20世纪开始,量子论逐步发展,一步步推翻经典物理学,最后给人类带来关于物质的新的认知革命,从而改变我们的生活,甚至世界观。

本文来自微信公众号:,授课老师:蔡一夫(中国科学技术大学物理学院教授),原文标题:《蔡一夫独家授课:物质认知的百年变革 | 文理学院》,支持:唐锦、赵哲,头图来自:视觉中国

20世纪的物理学是认知革命,但我想说,科学也是人类社会活动的一部分,脱离人类本身去谈科学没有太大意义。过去120年,人类取得了非凡的科学成就。作为世界观的组成部分,我们对整个世界的物质观念,发生了巨大改变。

课程分为四讲,第一讲,介绍1900年到上世纪50年代,我们对于世界的物质认知的改变。

而第二讲,会着重介绍该时间段我们在科学技术上的突破——核能,它打开了潘多拉的盒子。

第三讲内容从上世纪50年代开始,我们仍然在不断前行,去认知我们的物质世界,但是认知的方法发生了变化,不再是抽丝剥茧,也不是逐一突破,不同的思考方式出现了,即万物论理。

最后一讲介绍的是我们认知物质的解构主义,即我们如何利用对撞机科学,一层又一层地认知粒子世界。

量子论的诞生:宇宙由什么组成?

首先,我们进入第一讲的内容,关于量子论的诞生,所谓混沌初开。在此之前,人们对世界的认知停留在经典认知层面,比如,我们能通过五官察觉、感知我们面前的桌子、椅子、水杯,这些概念或者图像,组成了我们日常生活所熟悉的经典世界。每天,我们看到日升月落,这种通常的天体现象也都是经典世界。

一个非常自然的问题是,我们的宇宙由什么组成?

从1900年到上世纪50年代,科学家们提出了一整套完整的物理思想,之后,又进而发展出一套物理理论,这就是量子论的诞生与量子力学的发展。

事实上,早在春秋战国时期,楚国伟大的思想家和梦想家屈原,就有一篇《天问》,问询人类、社会及整个大自然体系,文章第一、二句就是对大自然、对世界的思考。“遂古之初,谁传道之?”追问远古时期,谁给予了我们的世界第一推动力。

接着,“上下未形,何由考之?”在物理学的概念里,人类生活在地球上,地球在太阳系里,太阳系在银河系猎户座的旋臂上,而银河系又在更大尺度结构范围内,最终勾勒出整个宇宙的图像,一步一步走到今天。那么,在此之前,世界的结构还没有成型,这些东西是怎么来的?

这两个问题代表了,中国人自2000多年前就开始思考关于宇宙的问题,宇宙是如何形成的?以及物质结构又是如何形成的?

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同时,国际上也在思考。2005年,联合国将其命名为世界物理奇迹年,这一年,Science期刊提出了125个当时他们认为最具挑战的科学问题。其中一个问题就回到了刚才屈原的追问,即我们的宇宙由什么组成?

如今,21世纪也跨过了20个年头,在这20年里,20次的诺贝尔物理学奖,其中7次颁给了天体、天文宇宙学,就是帮助大家去思考我们的宇宙由什么组成。

所以,2005年Science提出这一系列问题时,对我们整个世界科学研究的结构,进行了非常具有前瞻性的科学规划。我其实是个特别喜欢剧透的人,所以我先剧透一下,我们的宇宙是由什么组成。

在整个宇宙当中,我们肉眼可见的、能够感知的常规物质,在整个宇宙中占比不到5%。而暗物质、暗能量共同组成了暗黑的宇宙,在整个宇宙中占据大约95%的比例。

为什么是这样?今天,我们回顾发现,暗物质将整个宇宙时空吸引、压缩,而暗能量则尽可能将时空摊平、摊开。

就像一个孩子喜欢将衣服揉得皱皱巴巴,你要拿出熨斗将衣服熨烫整平。暗物质就是将宇宙时空弄皱,暗能量则是将它熨平,整个宇宙演化至今的138亿年,就是这两种物质互相竞争和制衡的过程。

而剩下不到5%的常规物质,在暗物质大背景的点缀之下,就像大尺度结构是可见的,银河系是可见的。科幻小说《三体》里将银河系猎户座旋臂叫做第三旋臂,第三旋臂中间生长着上千亿颗恒星,其中有一颗是太阳。离太阳不算远也不算近,第三个行星轨道,生活着的蓝色星球,就是地球。

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所有一切的开端,都来自于我们所知道的这可见的大约5%的常规物质。

如今,我们对物质认知已有标准理论,称之为粒子物理标准模型,其研究工作主要依托于1950年代到21世纪初,整个科学特别是基础科学的发展。

物质由基本粒子组成,基本粒子主要是夸克和轻子。轻子,大家可能觉得这个名词很奇怪,我举个最简单的例子,大家每天打开灯有电流,电流的运动由电子来实现,电子是我们所知的最基本的带电荷的粒子之一,也是轻子其中的一部分。

夸克是组成质子、中子这些基本粒子的内部结构的更基本的粒子。夸克、轻子之间会发生相互作用,有一定信息和力的传递,而这些力的传递方式叫做规范玻色子。

除此之外,还有非常特殊的粒子希格斯玻色子,也叫标量玻色子。2012年,粒子最终被发现,它的发现代表人类给整个粒子物理标准模型,画上完美的句号。它的基础来自于两个物理思想,即量子论的思想与相对论的思想。

量子论的起源:经典物理学的两朵乌云

1900年,当时物理学家们认为,整个经典物理的世界已经完成。但在当时一些高精尖的科学实验中,总有蛛丝马迹表明,经典物理面临着一些困难,这些困难看起来不太起眼,但是星星之后可以燎原,很快掀起新的科技革命思潮,并迅速建立起两大理论——即最初的量子论和相对论。

到了20世纪,人类的目光开始进入更加微观的世界,我们将它叫做亚原子的世界。进入原子内部,对原子结构进行认知,这是20世纪初科学家所取得的重大技术突破。

理论和实践二者交融,最终建立起全新的物质认知理论,也就是我们今天所说的量子力学或者量子理论。该理论有个特别酷的学派,哥本哈根学派,由玻尔等建立。这一学派里,有一大批非常优秀的科学家,其中一位,大胆提出了对于物质认知的革命性概念即波粒二象性

还是回到经典物理学,经典物理学在20世纪初已经建成,在此之前,有两位非常具有代表性的科学家,牛顿与麦克斯韦。

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牛顿建立起了经典力学,他当时完成了一本巨著《论自然哲学的数学原理》,这是一本改变人类社会历史进程的巨著,该书描述的就是牛顿运动三大定律。该书中,牛顿第一次提出万有引力的概念。关于万有引力,我举个例子,我们拿东西,往上抛,落下来的过程,由引力造成。八大行星围绕太阳运转,本质也是因为万有引力。

牛顿用一整套经典力学理论,对整个世界进行描述,所以他是人类历史上第一位敢于提出统一理论描述的科学家。麦克斯韦则是将电场和磁场进行统一,统一成经典电动力学,也就是我们今天所熟悉的电磁理论,这二者的交融构成了经典物理学的大厦。

1900年,苏格兰科学家开尔文在跨年物理学Party上,做了一个非常经典的演讲,致敬经典物理学大厦的建成。同时,他也说当时的经典物理学有两朵乌云,分别指的是迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射谱。当时,黑体辐射谱被发现之后,大家很难从理论上去解释。但开尔文说,这两个问题是两朵小小的乌云,如果进行更深入的研究,可以解决。

但他没想到,这两朵乌云最终酿成一场风暴,整个物理学的大厦崩塌了。

首先,迈克尔逊-莫雷实验。

迈克尔逊-莫雷实验是想协调经典力学和经典电动力学之间的矛盾,矛盾是什么?经典力学,特别是牛顿力学的建立,主要基于绝对的时空观和绝对的坐标系的描述。比如《谍中谍》中的男主角经常在火车上走着走着,就跳到火车上。若要计算他的速度,就是火车运动的速度和他在火车车顶上奔跑的速度的简单叠加,这是绝对时空观建立起来的坐标系概念,是牛顿力学赖以生存的理论基础。

同样的框架,麦克斯韦提出经典电动力学,他认为电磁波的传播是有速度的,这个速度就是光速。光速在不同的坐标系下,满足电磁波运转、传输的麦克斯韦方程,没有要求有什么变化,当时的物理学家们猛然意识到,光速难道是不变的吗?于是,一些科学家提出,也许光是有速度差的,只不过它跑得太快,我们赶不上,没有办法测量光速的变化。

人总喜欢挑战自己,越是当时技术实现不了的事情,越要去挑战它,由此,科技向前迈出了一步。

1887年之前,有人提出,可能有一种东西漫布在整个宇宙时空当中,我们将它叫做以太。以太是我们建立起来的宇宙的绝对坐标系,在绝对坐标系当中有常数叫光速。

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地球在以太中运转,就像图片所示,地球围绕太阳旋转,旋转的背景有着以太的布局。大家可以想象,四季当中,春季和秋季的光速会不会发生一定的变化?冬季和夏季的光速会不会发生一定的变化?当时的迈克尔逊-莫雷实验,用激光干涉来做实验,连续在不同的季节测量速度差,后来发现,一年四季速度都是相等的常数。实验结果给当时的物理学家们带来了疑惑,难道没有以太吗?

以太,也来自古希腊哲学体系,由亚里士多德所建立起的雅典学派提出。亚里士多德将那些不可见的东西,归类成第五元素,即以太。时至今日,当科学家发现,一些现象无法用现有的科学框架去描述时,也会用以太来代指。

第二个乌云就是黑体辐射谱。

19世纪中下叶,人类第二次科技革命正在进行当中,当时,人类的冶金工业已经达到了前所未有的高度,当时的冶金工业主要指炼铁,铁是什么颜色,是黑色,我们称其为黑铁。

为什么说炼铁有辐射?因为将铁放在高温下,不考虑外界的因素,只是将它加热,到一定温度时,它就开始发红,释放出光芒,虽然不是很耀眼,但这暗红色的光其实就是辐射,黑体辐射,来自于此。

对此,19世纪中下叶,两类科学家开始进行相关科学研究。其中一类为了描述黑体辐射,利用当时经典力学所发展出的热力学进行解释,叫做维恩公式。维恩公式可以在短波长范围内描述,但是当波长变长,也就是红外区域的时候,它的公式就和实验有了非常明显的偏离。

另一类是瑞利-金斯公式,它是基于麦克斯韦的电动力学去解释,能描述波长很长的区域范围。比如右边的图,其中有Classical theory,Classical theory是一条黑线,黑线越往外往右,它跟实验观测到的曲线越贴近。在波长很长时能吻合,但是在波长很短时,就不正确,我们将这个问题叫做紫外灾难。

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后来,有位颜值很高的帅哥普朗克,普朗克是位非常伟大的量子物理学家。他年轻,敢于变革,于是他手动将维恩和瑞利-金斯公式,凑到一起,给出来中间的这几条线,蓝色、绿色还有红色线,能很好地满足实验观测,这叫做普朗克公式

另外,虽然光电效应没有在两朵乌云的演讲里出现,但同样令科学家们百思不得其解。其实,在此期间,光电效应早已被发现,并且有一些初期应用。

光电效应指的是什么?当强光打到金属板上,金属板的表面会形成电流,这意味着一些电子被打出来。通常,我们认为,给金属板的能量越多,光强越亮,电流就越大,实际上并非如此。光电流的大小,只跟光的频率高低有关,跟光的照射强度没有太大关系。这在当时同样无法理解。

一位我特别尊重的老先生,北京大学的曾谨言教授,他当年最具代表性的工作,就是写了一系列关于量子力学的教科书巨著。大学时,我啃他这几个砖块书啃得挺郁闷,但我特别喜欢他说的一句话,他说,量子论就是在解决这些生产实践和科学实验同经典物理学的矛盾中逐步建立起来的,这就是量子论的起源。

最初的量子论:从普朗克公式到波粒二象性

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1900年10月,普朗克将两个公式凑成普朗克公式,两个月之后,他就给出了非常大胆的假说,叫能量子的假说,虽然今天,我们已经很少提及这个假说,它认为黑体在吸收和发射辐射时,能量是不连续的。这就是量子论的雏形,当时普朗克就已提出普朗克常数,尽管今天我们觉得这种说法并不严谨。

霍金在《时间简史》里讲过发生在他身上的一个小故事,他说他之前也没想去做科普,但为了养家糊口,不得不去写书。于是,他就问同事,做科普要注意些什么?同事说,在你的科普报告里不要出现公式,为什么?因为出现公式,你的听众或者你的读者就会少一半,于是霍金在他的书里只出现了爱因斯坦的质能公式,他说,如果这个公式拿掉了,我的书和讲座就进行不下去。

这对我的影响也很大,但我为什么放公式?给大家看一看。h就是普朗克常数,它等于6.626,前面是数,后面的单位是平方米,然后是千克/每秒。这些都是日常生活中的单位,很寻常,但我想强调的是中间有因子10的-34次方,数字为什么了不起?因为它解释了我们在日常生活中看不到,或者很难观察到的量子行为,量子行为通常非常微小,比我们想象的要小10的负34次方。

换个角度来想,假如你们可以去制造世界,世界里面的普朗克常数不再是10的-34次方,直接是6.626,怎么办?大家能不能想象这是一个怎样的世界?我们早晨沐浴的阳光会是什么样?如果将因子拿掉,我们感受到的阳光不再这么明媚,因为它发射出的是太阳光子,跟锤子一样,或者跟打铁一样,直接砸在我们身上,这样的世界就是量子的世界。但是因为因子的存在,让我们今天能安然地生活在地球上,并去寻找量子的世界。只有将我们的目光放到极小的世界当中,放在微观的尺度之下,才能够让量子行为表现得更加强烈。

到了1905年,爱因斯坦开始利用普朗克的能量子假说,去解释光电效应,并且提出更加接近现代量子观点的光量子假说。他说辐射就是电磁波,电磁波的能量不是连续的,而是一份又一份的。那么每一份光辐射的能量怎么计算?就是刚才的普朗克常数乘以光的频率。1921年,这项工作被授予诺贝尔物理学奖。

这里我也跟大家解释一下,为什么1905年会被联合国命名为世界物理奇迹年?这一年,爱因斯坦26岁,跟现在的很多学生一样,他也特别废,有天他终于发现,博士很难毕业,为了混博士文凭,得赶紧发点文章。这一年里,他总共发了5篇文章。其中第一篇文章,为他拿下博士学位。通常情况下,拿到博士论文,可能是整个博士期间的最高光时刻,但是爱因斯坦发现,写完博士论文还有时间再写点其他东西,于是他又发表了4篇文章。

第一篇文章描述微观粒子混沌状态的运动,也就是布朗运动。第二篇,用光量子的假说去解释光电效应,奠定了量子理论的雏形。后面两篇文章,一篇就是狭义相对论的提出,还有一篇就是质能方程的提出。这5篇文章里,相较而言,光电效应可能稍弱一点,但他提出了一种革命性的思想,所以这一年是世界物理奇迹年,所以我觉得,博士毕业是我们科学的第一生产力。

1905年,爱因斯坦提出狭义相对论。狭义相对论的提出是非常重要的,在此之前,我们认知微观世界的方式是连蒙带猜。但狭义相对论提出之后,将我们对时空的认知,从原来的绝对时空观变成了相对时空观。根据绝对时空观,我们相信宇宙中可能存在以太,但依据相对时空观,时间和空间的测度不再那么绝对,于是我们就可以将以太整个抛弃掉。相对时空观的横空出世,为后来量子论的发展提供了宝贵的土壤。

理论这一块告一段落,接下来,我们去看科学技术和科学实验的发展。到了20世纪初,实验的发展从物理衍生出化学,当时化学元素周期表已经告示,并且由此加强了一系列的工业发展。当时,人类对于微观世界的认知到了分子,接着穿过分子走到原子,比如两个氢分子和氧分子结合形成两个水分子。

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那么第一位开启探知亚原子世界的科学家是谁?是汤姆孙爵士。汤姆孙爵士不仅敢于挑战传统认知,而且他的学生里,很多都拿到了诺贝尔奖,包括威耳逊、卢瑟福、汤森德、理查森、布拉格、阿普尔顿,包括巴克拉、阿斯顿、奥本海默、玻恩、朗之万、泰勒、玻尔等等。汤姆孙爵士不仅是位科学家,还是教育家,他培养出来的学生非常了不起。

他所做的最重要的工作,就是穿过原子结构,进入亚原子的世界,首先发现了电子。我觉得他非常有趣,可能也跟我一样比较喜欢美食,所以有吃货本质,他发现电子的时候,想象出的原子结构是枣糕模型。他认为原子是圆球,上面铺着星星点点的电子,这就叫枣糕模型。

随后,他的学生开始了对他的无情打脸,第一位是卢瑟福。后来,卢瑟福在加拿大莫迪尔大学工作,针对老师提出的枣糕模型进行了实验检验,设计方案是用当时发现的粒子—α粒子去轰击一些重元素,例如金箔。如果枣糕模型是正确的,他认为α粒子可以穿透金箔,打到探测器的背面;但如果它不是枣糕模型,而是别的可能性,例如说是个核式模型,那么它就可以被反射出来,其它探测头就能够捕获到。这就是在1911年最早做的金箔实验。

卢瑟福将核式模型图像与地球和月亮的关系进行类比,即电子围绕原子核转,原子核很小,就像月亮绕着地球转,或者八大行星绕着太阳转。

仍有很多问题没法通过实验解决,20世纪初,研究发现不同的元素会产生分立的光谱。比如我们判断远处某天体含有某些元素,比如大概含2‰的氧,或者1%的碳,我们如何得知?这么遥远的地方,不能将人派过去做实验,我们就看它的光谱,看光谱里有哪一些线是丢失的,丢失的线就是因为这种元素会对特定频率的光进行吸收,于是我们就判断这里面有多少的元素。

分立光谱概念其实由来已久,但是核式模型没法解释。卢瑟福的老师汤姆森也跑过来给学生打脸,他告诉卢瑟福,你远,不像太阳跟地球和月亮的关系,事实上,月亮跟地球的距离也在不断增大,因为能量损耗,所以月亮会变得越来越自由,最终会逃逸掉。同样道理,如果说电子在微观的世界里围绕原子核运转,它也有能量损耗,随着引力它最终会落到原子核里面去,所以枣糕模型更科学。于是,老师跟学生两人吵得不可开交。

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这是当时遇到的一系列问题,但是我们知道,很多粒子的稳定性非常高,它们的年龄比我们的宇宙年龄还要长。到了1913年,另一位颜值很高的物理学家玻尔,提出了两个理论概念,即定态假设和量子跃迁

定态假设指的是我们原子的能量是分立的,它只能在分立的能态之间发生跃迁,是瞬间变换的,所以在我们对原子结构不进行额外干扰时,电子会围绕原子核进行稳定的旋转,即稳定态。稳定的周期,甚至会超过整个宇宙的年龄,这是玻尔最早发展出来的量子论的观点。

大家可以看下图,左边是太阳系的轨道结构,右边是原子核内部的轨道结构。微观与宏观的最大区别是什么?虽然说轨道似乎都是稳定的,但是我们仍然可以在宏观轨道上进行一些微调,例如发射卫星,如果发现卫星发射歪了,依旧可以微调。可是在微观世界里,电子围绕原子核运转,就必须固定,只能从能态到另外能态进行跃迁,然后同时释放的只有光子。这就解释了为什么黑体辐射的辐射能量是分立的,因为它是一份一份发射出去的,这就对玻尔的量子论进行了完整解释。

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大家可能会问,什么情况下量子行为最终走到了经典?其实很简单,如果一个系统有大量的粒子、大量的自由度存在,那么量子体系就自然而然地会趋向于经典体系。

举个例子,比如说碳。碳元素除了可以拿来做煤球取暖之外,其化学键还是非常有规则的六边形结构,化学键本质上也是量子相,量子论能保证它的稳定性。这样的结构堆积起来,到最后就形成了钻石。

为什么大家更喜欢大的钻石?因为整钻的量子体系行为更趋向于经典体系,也更加稳定,所以说碎钻的价格要便宜,整钻的价格要贵,当然这是一个小小的玩笑。

玻尔提出量子论之后,大家对于整个物质的微观世界进行了重新审视,包括如何保障电子的轨道是分立轨道,又如何保障互相之间的变化是量子跃迁?这时候,另一位法国科学家德布罗意出现了。他的人生也充满奇迹,1924年,他也在忙着博士毕业,我刚才说了博士毕业是科学技术发展的第一生产力,那个时候他也要为自己的生计着想,写博士论文,所以他当时写了一篇博士论文,大概10来页,非常短,按照今天的标准肯定无法过关。但在这篇非常短的博士论文里,他提出了波粒二象性,他认为所有的物质同时具备波动性和粒子性。因为这篇论文,他在1929年获得诺贝尔物理学奖。

怎么理解?我先做个简单的比喻,下图中,大家可以看到圆柱体,通过不同角度做投影,我们看到什么?是不同的投影,有圆形和方形,这就是物质同时具备的两个属性,只不过我们是从不同的角度去观察所捕获的信息。在同一时刻,我们可能只看到物质的波动性,也可能只看到粒子性,我们需要将这实验进行反复操作,然后进行统计分析,才能够将波动性和粒子性同时能体现出来。

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光是我们非常熟悉的物质,我们还是以此来进行举例说明。

对于光,在牛顿时代,有牛顿的微粒说,也有惠更斯的波动说,不同的学派互相掐架,最后惠更斯的波动说赢得了世人的公认。后来,爱因斯坦提出光量子,大家发现,原来光量子本身有一定的微粒性,所以当时很多人就开始做光的干涉衍射实验。下图就是单缝的干涉实验,可以看到形成的图像是连续图像,这是波动性的描述。

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但是如果将它变成两个缝,同时进行衍射干涉的话,图像中间会出现一段一段的就像小点一样,这是光的粒子性的表现。

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另外,1927年有个非常著名的实验,即电子衍射实验。

电子衍射实验是指电子通过两条缝时,会随机地选择从左边还是右边运动。通过显像管去接收电子的这种衍射,经过大量统计,我们发现,并不是只流出1到2个电子堆,而是呈现一条又一条的条纹。这种条纹状的形象,就说明我们的电子也是有波动性的

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我再举个例子,大家可能玩过保龄球。

如果我们在保龄球轨道上设置如上图的一个障碍,再将球瓶换成纸板,那么可以预测保龄球可能经过的轨道,有的球从轨道的左边或右边通过,有的则被弹回,因此最后纸板上的图案成像是两个洞。

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但是如果将保龄球换成是电子,将障碍设置为细、将纸板换成接收屏,我们会发现,最后在接收屏上的成像不是两个洞,而是一条又一条条纹状的成像。这就是量子描述的波动,波粒二象性,如果说保龄球是电子的保龄球,那么它也是波动性和粒子性并存。

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电子的波动性,可以理解成像水波一样,那么波是怎么来的?它其实是概率波。它能穿过缝,是因为它的动能,前面的波会挡住后面的波,当它穿过这两个缝会进行衍射,交叉又会形成干涉,于是有些波会叠加,有些波会相消,于是就变成了底下的图像,如同鱼鳞般的条纹。

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量子力学的诞生:对整个物质世界认知带来第一次挑战

1920年到1930年初,最初的量子论发展告一段落。

1927年,有个非常著名的索尔维会议,这张照片流传非常广泛,第一排是普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、郎之万、古伊、威耳逊,还有理查森。第二排是玻尔、玻恩、康普顿、狄拉克,这些人应该说改变了整个人类科学的历史。因此,我将这张照片叫做决战量子之巅,实际上,会议本身是量子论初期发展的收官之战。

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这时候爱因斯坦来了,虽然他是发展时空论非常著名的科学家,也提出了光量子假说,推动了量子论的发展,但他本人实际上是非常反对量子论,他当时说过一句非常有名的话——上帝是不会跟我们玩掷骰子的,也就是说,我们不会模棱两可地看见波粒二象性。因此,他参加会议实际上是跟这些量子论的科学家们,尤其是和玻尔,进行了一次科学大吵架。

不管怎么样,到了30年代,思想告一段落,接下来就是如何在思想上去生长或者发展出一套理论,也就是量子力学的建立。量子力学的建立基本上来自于两条线,一条是测不准理论的发展,另一条是波粒二象性的发展。这两个腿走出来的是两个学说,即矩阵力学和波动力学,后来将这二者结合,统一用统计的方法诠释,也就是后来我们所说的哥本哈根学派的量子力学。量子力学的概念被统计诠释之后,它很快对整个物质世界的认知,进行了第一次的挑战,它将所有的粒子分成两大类,费米子和玻色子。

粒子就像我们打台球,量子台球很有意思,它没有确定的轨道,因为它是量子的,是波粒二象性的。如果将它当作波,你就无法知道量子台球的波到底是左边还是右边,它到底在台子的哪个角落,你没有概念。在量子的世界里,粒子往往不喜欢将自己束缚在固定位置,也不喜欢将自己摁在特定轨道。

到了1925年,德国科学家海森堡将经典轨道的概念抛弃掉,提出在量子的世界里不能同时测量粒子的位置与速度,速度代表动量,这二者因为它们没有同时的确定值,之间会有小小的差值,差值多大?还是1900年所提出的普朗克常数。

从1926年开始,海森堡、玻恩、约尔丹等人通过测不准原理,发展出矩阵力学。矩阵力学的概念认为物质的形态,特别是它的量子形态随时间变化。

与此同时,几乎同一年,非常著名的科学家薛定谔通过波粒二象性,发展出薛定谔方程来描述波动性,也就是今天我们所说的波动力学。他的观点跟前面几位稍有区别,前面几位认为,粒子的量子态随时间变化,而薛定谔认为,随时间变化的不是量子态,是量子系统。

后来,我们将量子系统描述成物质的概率波概念。但是很快,他又证明矩阵力学和波动力学这二者在物理上是完全等价的,只不过是两种数学表述的语言不同。

1926年,玻恩提出概率波的概念,刚才我们说粒子怎么同时具有粒子性和波动性,波动性的体现就是概率波。波函数描述的是物质在微观世界的状态。例如粒子,它的波函数在某个地方幅度的大小,就描述了在这个地方能找到粒子的概率有多大。

值得一提的是,如果粒子一开始就被释放,那么在整个全空间找到粒子的概率永远是1,因为它已存在。同样的道理,回到刚才说的电子或者量子保龄球实验,我们投掷的电子,成像在最中间的概率最大,因为它最密集,但是在其他地方仍然有可能找到它。

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这里有个非常经典的假想实验——薛定谔的猫,它被视为诠释量子力学的试金石。薛定谔想象了这样一个实验,我不知道他有没有付诸于行动。他说,将一只猫关在密封的笼子里,并且无法发出任何声响,但它是活着的。同时,在笼子里放一瓶氰化氢气体,氰化物是剧毒,旁边再放置一瓶放射性物质,放射性物质旁有监测器,如果探测到放射性物质所释放出来的衰变粒子,就意味着氰化氢气体会被释放,将猫杀死。

因此,我们并不需要进行生物检验猫是否死亡,只要看到了衰变粒子,就能判断猫是死是活。但如果不做实验,那么猫在盒子里面的状态,就是既死又活的状态,是死与活两种状态的纠缠,这就是纠缠态的概念。

对于这一点,我要站在爱因斯坦的角度去说,爱因斯坦一定很爱护小动物,所以他觉得薛定谔的猫实验太残忍,于是他就对这个实验进行了无情的批判。在此前提及的1927年索尔维什会议上,他直指薛定谔,纠缠态并不存在,他提出可能背后会存在一些隐参变量的概念。

但时至今日,关于薛定谔猫的实验,已经衍生出非常多现代科学的实验版本,并且所有的实验都指向,猫或者是这种代指的状态,的确是纠缠态。

科技发展到今天,对于纠缠态的测量也有了新的发展。中科大有个很有趣的名词叫做量子GDP。现今量子科学技术的发展分别有三个方向,即量子光学、量子测量和量子通讯。量子GDP分别代指中科大这三个方向的三位院士:G是郭光灿院士,他进行量子光学;D是杜江峰院士,他进行量子测量;P是潘建伟院士,他做量子通讯。这一整套庞大量子体系的发展,最早就源自薛定谔在1935年对他所假想出来的一只猫进行的残酷实验。

波函数概念很重要的理论预言,就是量子隧穿效应。1927年,量子隧穿效应概念被提出,在经典的情况下,粒子要穿越障碍物,必须被给予足够大的动能。可是量子力学认为,物体粒子哪怕一开始的速度几乎为0,仍然有几率穿越或通过障碍物,这就是量子隧穿的概念。

形成概念之后,我们对整个微观粒子物质的认知,就开始进行统一的分类,即玻色子与费米子。其中,玻色子在1924年被提出,它认为粒子之间可以足够接近彼此,并且在能态非常低、速度非常低的情况下,会出现一种新的物质形态,这种物质形态叫做玻色爱因斯坦凝聚态,这其实就是今天凝聚态物理的重要起源。

另外就是费米-狄拉克统计,它描述的是另外一类粒子,这类粒子之间有攻击性、排斥性,满足泡利不相容原理,这种粒子叫做费米子,不能有两个或者两个以上的粒子处于完全相同的状态。

费米-狄拉克统计在大自然中比比皆是。比如银河系里有上千亿颗恒星,但并不是所有的恒星都像太阳一样友善、温暖,更多的是极端天体,例如说白矮星、中子星,这些星体之所以能稳定存在,主要是来自于里面的电子或者中子,由于它们是费米子,满足泡利不相容原理,保证了这些天体的稳定性。

从宏观到微观,物质认知的百年变革

另外就是狄拉克在1928年提出的狄拉克方程,融合了狭义相对论时空观,由此很快预言了正电子的存在。1932年,正电子才被观测到,宣告了反物质研究的开端。

打个比方,玻色子就像一团企鹅,这就是凝聚态的形象;费米子就像男士洗手间,会有一定的距离感,这种距离感体现出费米子的泡利不相容概念。当然,这是一个有点味道的笑话。

我反复强调,科学的发展与我们日常生活紧密联系。接下来讲几个例子说明量子论的一些应用,其中光电效应最为常见,主要比如太阳能的提取。我们经常说,太阳能是可再生能源,其实它不是真正的可再生,太阳大约还可以燃烧50亿年,但是对于我们人类文明,可以被称之为取之不尽、用之不竭,而且污染较低。

另外,比如现在我们人人都可以用手机、相机拍照,跟以前的胶片相机相比,非常便捷,这其中有很重要的元素就是CCD,Charge Coupled Digital Setup电荷耦合,应用的也是光电效应。通过光电效应,可以有效地将光电磁的影像电子化,我们就可以有效地获取、存储、传输、处理和复现图像。除了通常的相机、摄影机外,光电效应在天文望远镜、光学扫描仪中也有大量应用。

还有就是刚才提到的量子隧穿效应,比如笔记本电脑里的SSD硬盘,就是固态硬盘。它的存储和读取速度比以前快得多,原因很简单,以前用的是指针,就像唱片机上的唱针读取一样,很慢。但如果通过量子隧穿效应,直接穿过晶体管的浮栅层进行读取,然后很快再将它提回来,效率倍增。

到了上世纪30年至50年代,量子力学逐渐建立起来后,开始深度发展的是量子场论,而量子场论的最具代表性的就是量子电动力学。这里面有三位科学家,朝永振一郎,一位日本科学家;费曼,非常帅;还有施温格。量子电动力学先将原有的麦克斯韦电磁理论量子化,它描述的是物质和电磁波和光之间发生的相互作用,它用另外一种方式体现波粒二象性,典型的就是费曼图,由费曼提出,比如光打到电子,一开始电子是静止的,光打过去之后,电子跑掉,光也发生散射,从另外方向逃逸,那么这就是光子和电子之间的相互作用,可以用图来描述。

从宏观到微观,物质认知的百年变革

费曼也很有意思,他早年参加过美国的曼哈顿计划,除了科学上的贡献外,他还参与过很多社会服务,其中最有名的是在1986年,美国挑战者号航天飞机失事,费曼被选入到失事调查委员会,他敏锐地观察到航天飞机失事很重要的原因之一是密封环在零度的冰水里会失效。

最后,我来做个小结。

从宏观到微观,物质认知的百年变革

第一讲里,我们首先回顾了1900年,基于传统经典物质认知的经典物理学大厦的建立,以及它所面对的一些缺陷。这些缺陷,也促使当时的一批科学家一层又一层地提出量子论的雏形,通过实验开始对亚原子世界探索,并且将二者交融,最终建立起由玻尔带领的哥本哈根学派,也就是量子论的建立。

从宏观到微观,物质认知的百年变革

在框架当中,我们分别发现波粒二象性,就是物质既有波动性也有粒子性。同时对于粒子,在对它进行精确测量时,我们会发现它的位置和速度没有办法同时测准,就像大家无法确定我所在的具体位置和我所做的动作有多大,只不过误差很小,这个误差的差值是普朗克常数,也就是6.626乘以10的-34次方。

基于这两种观念,初期形成了矩阵力学和波动力学,在概率波物质的诠释之下,这两个理论统一到一起,也就是量子力学。根据统计性的诠释,我们发现,粒子的物质属性可以被分为两大类,即玻色子与费米子。其中玻色子在满足玻色爱因斯坦凝聚的情况下,催生出一种新的物质形态,这是传统经典物理没有办法重现的,在后期催生出今天大家所熟悉的凝聚态物理。而费米-狄拉克是很多天体稳定存在的重要保障。最后,我们也简单地介绍了量子论的进一步发展。

经过120年的探索,人类认识物质的方式从宏观到微观,并在微观世界里步步前进,这其中的发展并非一蹴而就,而是经过不断发现、论证,但也并未形成绝对真理。或许,这就是科学探索的魅力所在,翻过一座山仍有另一座山在等待,就如同文章开端提出的问题“宇宙到底由什么组成”?

我们依旧没有答案。

本文来自微信公众号:,作者:混沌大学

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