宏观和微观论文

如果说光在空间的传播是相对论的关键，那么光的发射和吸收则带来了量子论的革命。我们知道物体受热时会发出辐射，科学家想知道为什么。为了研究方便，他们假设了一个完美的辐射体，叫做“黑体”，它本身不发光，可以吸收所有照射在上面的光。科学家在研究过程中发现，根据麦克斯韦电磁波理论计算的黑体光谱中紫外线部分的能量是无穷大，这显然是错误的，被称为“紫外线灾难”。1900年，德国物理学家普朗克提出了物质中振动原子的新模型。他从物质的分子结构理论中借用了不连续性的概念，提出了辐射的量子理论。他认为，包括光在内的各种频率的电磁波，只能以其自身确定成分的能量从振子中发射出来。这种能量粒子叫做量子，光的量子叫做光量子，简称光子。该模型计算的黑体光谱与实际观测相一致。这翻开了物理学崭新的一页。量子理论不仅自然地解释了辐射能按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子理论不仅给光学，而且给整个物理学提供了一个新概念，所以它的诞生通常被视为现代物理学的起点。

量子假说和几百年来自然界没有跳跃的信念是直接矛盾的，所以量子理论出现后很多物理学家都不会接受。普朗克自己也非常动摇，后悔自己的大胆举动，甚至放弃了量子理论，继续利用能量的连续变化来解决辐射问题。但是，历史已经把量子论推到了物理学新时代的先锋地位，其发展势不可挡。

爱因斯坦第一个意识到量子概念的普遍意义，并将其应用于其他问题。他建立了光量子理论来解释光电效应中的新现象。光的量子论的提出使关于光的本质的历史争论进入了一个新的阶段。自牛顿以来，光的粒子论和波动论此起彼伏。爱因斯坦的理论重申了粒子理论和波动理论在描述光的行为方面的重要性。两者都反映了光的本质的一个方面:光有时表现为涨落，有时表现为粒子，但既不是经典粒子，也不是经典波，这就是光的波粒二象性。主要是由于爱因斯坦的工作，量子理论在提出后的前十年得到了进一步的发展。

1911年，卢瑟福提出了原子的行星模型，即电子围绕原子中心一个微小但质量很大的原子核，即原子核运动。在接下来的20年里，物理学的大量研究集中在原子的外围电子结构上。这项工作创立了微观世界的新理论——量子物理学，为量子理论应用于宏观物体奠定了基础。但是原子中心的微小原子核仍然是个谜。

细胞核是微观世界中的一个重要层次。量子力学是研究微观粒子运动规律的理论，是现代物理学的理论基础之一，也是探索原子核奥秘不可或缺的工具。原子量子论提出后不久，物理学家开始探索原子中的微小质量核-核。在原子中，带正电荷的原子核在静态条件下会吸引负电子。但是是什么使原子核本身结合在一起呢？原子核中含有带正电荷的质子和不带电荷的中子，它们之间存在巨大的排斥力，质子之间相互排斥(不带电荷的中子没有这种排斥力)。这是一种新的强大的力量，将原子核结合在一起，克服了侄子之间的排斥。它只在细胞核内起作用。原子弹的巨大能量来自这种强大的核力。对原子核性质和核力的研究对20世纪产生了重大影响。辐射现象、同位素、核反应、裂变、聚变、原子能、核武器、核药物都是核物理的副产品。

丹麦物理学家玻尔首先将量子假说应用于原子，并解释了原子光谱的不连续性。他认为，电子只是以一定的圆形轨道围绕原子核运转。在这些轨道上运行时，它不发射能量，只在从较高能量轨道跃迁到较低轨道时发射辐射，否则吸收辐射。这一理论不仅在卢瑟福模型的基础上解决了原子稳定性问题，而且应用于氢原子时完全符合光谱分析得到的实验结果，从而在物理学上引起了一场震动。玻尔在19年指导1920年代到1920年代的物理学家了解量子理论的基本结构，听起来很矛盾。事实上，他既是这个理论的助产士，也是护士。

玻尔的量子化原子结构明显违背了经典理论，也引来了很多科学家的不满。然而，它在解释谱分布的经验规律方面出人意料的成功，使它获得了很高的声誉。但是玻尔的理论只能用来解决氢原子这种简单的情况，对于多电子原子光谱是无法解释的。旧的量子论面临危机，但很快被突破。这方面的第一个突破是由法国物理学家德布罗意取得的。他在大学主修历史，但他的哥哥是一位研究X射线的著名物理学家。受他的影响，从德布罗意大学毕业后，他转而学习物理，和哥哥一起研究X射线的涨落和粒子。经过长时间的思考，德布罗意突然意识到，爱因斯坦的光量子理论应该推广到所有的物质粒子，尤其是光子。从1923年9月到10年9月，他连续发表了三篇论文，提出了电子也是一种波的理论，并引入了“驻波”的概念来描述原子中电子的无辐射静态。驻波与在湖上或线上运动的行波相反，吉他弦上的振动是驻波。这样，电子的位置可以用波函数的形式来描述。但它给出的不是大家熟悉的确定量，而是统计学上的“分布概率”，很好地反映了电子在空间的分布和运行。德布罗意还预言，电子束通过小孔时也会发生衍射。1924年，他写了博士论文《量子论研究》，比较系统地阐述了物质波理论，爱因斯坦非常欣赏。不出几年，实验物理学家真的观测到了电子的衍射现象，证实了德布罗意物质波的存在。

是奥地利物理学家薛定谔继续沿着物质波的概念前进，创立了波动力学。他从爱因斯坦的一篇论文中了解到德布罗意的物质波概念，并立即接受了这一观点。他提出粒子只是波动辐射上的气泡。1925年，他推导出相对论的一个波动方程，但与实验结果并不完全一致。1926年，他改处理非相对论电子问题，得到的波动方程在实验中得到证实。

1925年，年轻的德国物理学家海森堡写了一篇题为《关于运动学和力学关系的量子理论的重新解释》的论文，建立了求解量子波动理论的矩阵方法。玻尔理论中的电子轨道、运行周期等经典但不可测量的概念被辐射频率和强度所取代。在海森堡和英国青年科学家狄拉克的共同努力下，矩阵力学逐渐成为一个概念完整、逻辑一致的理论体系。

波动力学和矩阵力学的支持者曾经争论不休，互相指责对方的理论有缺陷。直到1926，薛定谔发现两种理论在数学上是等价的，双方的敌意才消除。从此这两种理论统称为量子力学，薛定谔的波动方程因为更容易掌握而成为量子力学的基本方程。

海森堡的测不准原理是量子理论中最重要的原理之一。它指出不可能同时精确测量粒子的动量和位置，因为仪器会干扰测量过程，测量它的动量会改变它的位置，反之亦然。量子理论已经越过了牛顿力学的死角。在解释事物的宏观行为时，只有量子理论才能处理原子和分子现象的细节。但是，这个新理论产生的悖论比光的波粒二象性更多。牛顿力学用确定性和果断性回答问题，量子理论用可能性和统计数据回答问题。传统物理学告诉我们火星的确切位置，而量子理论让我们赌上电子在原子中的位置。海森堡的不确定性绝对限制了人类对微观世界的认识，告诉我们如果完全不影响结果就无法测量。

量子力学的创始人之一薛定谔在1935年认识到量子力学中的不确定性问题，并假设了一个著名的猫思维实验:“一只猫被关在一个钢铁盒子里，盒子里有下面这个极其残忍的装置(必须保证这个装置不受猫的直接干扰):盖革计数器里有一小块放射性物质，很小，也许在65438+。也许没有一个原子以同样的概率衰变。如果它衰变，计数器管放电并通过继电器释放一个锤子，压碎一个小氰化物瓶。如果人们让整个系统逍遥自在1小时，那么人们就会说，如果这期间没有原子衰变，猫就是活的。第一次原子衰变一定会毒死猫。”

常识告诉我们，猫不是死就是活。但是根据量子力学的规则，盒子里的整个系统是两种状态的叠加，一个是活猫，一个是死猫。但是现实生活中有谁见过猫活着死了？猫应该知道自己是生是死，但量子理论告诉我们，这种不幸的动物正处于生死未卜的状态，直到有人偷偷往盒子里看是怎么回事。此时，它要么变得活着，要么立即死去。如果把猫换成人类，神秘感就变得更加敏锐，因为这样一来，被囚禁在箱子里的朋友就会自始至终意识到自己是否健康。如果实验者打开盒子发现他还活着，那么他可以问问他的朋友在这个观察之前是什么感觉。很明显，这个朋友会回答，他在任何时候都是绝对活着的。但这与量子力学是相悖的，因为量子理论认为，在盒子里的东西被观测到之前，朋友仍然处于生死叠加的状态。

玻尔敏锐地意识到它代表了经典概念的局限性，于是他在此基础上提出了“互补原理”，认为在量子领域总是存在两个互斥的经典特征，正是它们的互补性构成了量子力学的基本特征。玻尔的互补原理被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦一直不同意。他一直认为统计量子力学是不完整的，互补原理是一种绥靖哲学，所以多次提出假说和实验来指责量子理论，但玻尔总是给出自洽的答案来捍卫量子理论。爱因斯坦和玻尔的争论持续了半个世纪，直到两人都去世才结束。

薛定谔的猫实验告诉我们，原子领域中现实的悖论性与日常生活和经验无关，量子幽灵以某种方式被限制在原子的阴影微观世界中。如果我们遵循量子论的逻辑直到它的最终结论，大部分物理宇宙似乎消失在一个模糊的幻想中。爱因斯坦永远不会接受这个逻辑结论。他问:没人看的时候月亮是真的吗？科学是非个人化的客观原因，把观察者作为物理实在的关键要素的想法似乎与整个科学精神相矛盾。如果没有“外在”的具体世界让我们去实验和测量，所有的科学不就都沦为追逐想象的游戏了吗？

量子论的革命性特征从一开始就引起了关于其正确性和解释内容的激烈争论，这种争论一直持续到20世纪。自然法则会从根本上随机吗？我们的观察中有实体吗？我们被观察到的现象影响了吗？爱因斯坦率先从几个方面质疑量子论。他否认自然法则是随机的。他不相信“上帝在和世界玩骰子”。在与玻尔的一系列著名辩论中，爱因斯坦再次批判并试图巩固量子论潜在的漏洞、错误和不足。玻尔巧妙地挫败了爱因斯坦的所有攻击。在65438到0935的一篇论文中，爱因斯坦提出了一个新的证据:他断言量子论不能完全描述自然。按照爱因斯坦的说法，一些量子理论无法预测的物理现象是应该被观测到的。这一挑战最终导致阿斯帕特做了一系列著名的实验，他打算用这些实验来解决这一争端。阿斯帕特的实验详细证明了量子理论的正确性。阿斯帕特认为量子理论可以预见但无法解释一些奇妙的现象，爱因斯坦断言这是不可能的。信息传播的速度似乎超过了光速——显然违反了相对论和因果律。阿斯帕特的实验结论仍有争议，但它们促成了更多关于量子理论的奇异理论。

玻尔和海森堡发展的理论以及哥本哈根学派的观点，虽然仍有争议，但逐渐得到大多数物理学家的认可。这个学派认为，自然法则既不是客观的，也不是确定的。观察者无法描述独立于他们的现实。正如测不准定律和测不准定律告诉我们的那样，观察者只能受到观察结果的影响。根据自然法则的实验预见总是统计的而不是确定的。没有规律可寻，只是可能性的分布。

两个不同实验中电子的涨落和粒子性的明显矛盾，就是互补原理的一个例子。量子理论可以正确连续地预测电子的涨落或粒子性质，但不能同时预测两者。按照玻尔的观点，这种矛盾是我们大脑在不断探索电子本质的过程中产生的，并不是量子论的一部分。而且从自然界只能获得量子理论提供的有限的、统计的信息。量子理论是完整的:它未能告诉我们的可能是有趣的猜测或隐喻。但这些东西既不可观察，也不可测量，所以与科学无关。

哥本哈根解释未能满足爱因斯坦关于完全客观和决定性的物理定律应该是什么的要求。几年后，他通过一系列思考和推理实验向玻尔发起挑战。这些实验计划用于证明量子理论中的预测存在不一致和错误。爱因斯坦用两难理论或量子论中的矛盾挑战玻尔。波尔对这个问题思考了几天，然后他可以提出一个解决方案。爱因斯坦过分关注了一些东西或者忽略了一些效应。具有讽刺意味的是，爱因斯坦曾经忘记考虑他自己的广义相对论。最后，爱因斯坦承认了量子论的主观一致性，但他仍然固执地坚持一个致命的批判:EPR思维实验。

1935年，爱因斯坦和两位同事波多尔斯基、罗森写了一篇反驳量子论完备性的论文，在物理学家和科学思想家中广为流传。这种纸叫EPR纸，有三个姓氏的首字母。他们假设有两个电子:电子1和电子2碰撞。因为它们带相同的电荷，这种碰撞是弹性的，符合能量守恒定律。碰撞后，两个电子的动量和运动方向是相关的。因此，如果测量电子1的位置，就可以推断出电子2的位置。假设碰撞后精确测量电子1的位置，然后测量其动量。因为一次只测量一个量，所以测量结果应该是准确的。因为电子1和2的关联，虽然我们没有测量到电子2，也就是没有扰动它，但是我们仍然可以准确地推断出电子2的位置和动量。换句话说，我们通过一个测量知道了电子的位置和动量，这是量子理论说不可能的，量子理论没有预见到的。爱因斯坦和他的同事证明了量子理论是不完整的。

经过一段时间的思考，玻尔反驳说，EPR实验不仅没有证明量子论，而且证明了量子论的互补原理。他指出，测量仪器，电子1和电子2***构成一个系统，是一个不可分割的整体。在测量电子1位置的过程中，电子2的动量会受到影响。所以电子1的测量不能解释电子2的位置和动量，一次测量不能代替两次测量。这两个结果是互补的，也是不相容的。我们既不能说系统的一部分受另一部分的影响，也不能试图把两个不同的实验结果联系起来。EPR实验假设客观性和因果性的存在，得出量子理论不完整的结论。其实这种客观性和因果性只是一种猜想和推测。

虽然人们并不清楚量子理论的意义，但它在实践中取得的成就令人惊讶。尤其是在凝聚态物质——固体和液体的科学研究中。用量子理论解释原子如何结合合成分子是必不可少的，这样才能理解物质的这些状态。成键不仅是石墨、氮等一般化合物形成的主要原因，也是许多金属和宝石形成对称晶体结构的主要原因。用量子理论来研究这些晶体可以解释很多现象，比如为什么银是电和热的良导体却不是光的良导体，钻石不是电和热的良导体却是光的良导体？在实践中更重要的是，量子理论很好地解释了半导体介于导体和绝缘体之间的原理，为晶体管的出现奠定了基础。1948年，美国科学家约翰·巴丁、威廉姆·肖克利和沃尔特·布拉顿根据量子理论发明了晶体管。它可以在非常小的电流和功率下有效工作，体积可以做得非常小，从而快速取代笨重昂贵的真空管，开创一个全新的信息时代。这三位科学家获得了65438年到0956年的诺贝尔物理学奖。此外，量子理论还应用于激光的发明和超导性的解释。

而且，量子理论在工业领域的应用前景也非常光明。科学家认为量子力学理论将对电子工业产生巨大影响，是一个尚未开发的物理学新领域，前景广阔。目前半导体的小型化已经接近极限。如果更小，微电子技术的理论就无能为力，必须依靠量子结构理论。科学家预测，到2010年，人们可以使半导体上蚀刻的线条宽度小到十分之一微米(一微米等于千分之一毫米)。电信号通过这么窄的电路，只会是几个电子，增加或减少一个电子，差别很大。

美国威斯康星大学的材料科学家马克斯·拉加尔(Max Lagall)根据量子力学的理论，制作了一些被称为“量子点”的微小结构，可以容纳单个电子。这种量子点非常微小，一个针尖可以装几十亿。研究人员使用量子点制造晶体管，可以通过单个电子的运动来控制。他们还通过巧妙地排列量子点，使这种排列成为可能，成为一台微型而强大的计算机的心脏。此外，德州仪器、IBM、惠普和摩托罗拉都对这种由分子组成的微小结构感兴趣，支持这一领域的研究，并认为在这一领域取得的进展“肯定会获得巨大回报”。

科学家研究量子结构的主要目标是控制非常小的电子群的运动，即通过“量子约束”使其不与量子效应相冲突。量子点可能会实现这个目标。量子点是由一簇直径不到20纳米的物质组成的，大约相当于一串60个硅原子的长度。使用这种量子限制方法，有可能制造许多光盘播放器中使用的小型高效激光器。这种量子阱激光器由两层其他材料和一种超薄半导体材料制成。中间的电子被圈在一个量子平面里，电子只能二维运动。这样，给电子注入能量就变得更容易了。因此，电子可以用更少的能量产生更多的激光。

美国电话电报公司·贝尔实验室的研究人员正在对量子进行更深入的研究。他们试图将量子平面降低一个维度，制作基于量子线的激光器，这可以大大减少通信线路上所需的中继器数量。

美国南卡罗来纳大学詹姆斯·图尔斯的化学实验室已经从单个有机分子中制造出量子结构。使用他们的方法，人们可以在一平方毫米的面积内压缩数十亿个分子装置。一平方毫米可以容纳的晶体管数量可能是当前个人计算机的65，438+0，000倍。纽约州立大学的物理学家康斯坦丁·利哈列夫(Konstantin Likharev)制作了一个带有量子存储点的存储芯片模型。理论上，他的设计可以在一个与今天使用的芯片大小差不多的芯片上存储1万亿比特的数据，容量是目前芯片储备的1.5万倍。许多研究小组已经制作了Likharev模型装置所必需的单电子晶体管，有些还制作了在室温下工作的单电子晶体管。科学家认为，量子力学理论在电子行业的应用还有很多问题需要解决。因此，大多数科学家都在尝试研究新的方法，而不是像现在的计算机一样设计量子器件。

宏观世界的法则仍然是顽固可验证的，而微观世界的法则是随机的。我们对抛射体和彗星的动力学描述具有明显的视觉特征，而对原子的描述则没有。桌子、凳子、房子这样的世界似乎无时无刻不在我们的观察之下，但电子、原子的实际或物理状态并没有缓解这种矛盾。如果这些解释有什么作用的话，那就是它们扩大了两个世界的差距。

对于大多数物理学家来说，这个矛盾解决与否并不重要。他们只关心自己的工作，忽略哲学上的争论和冲突。毕竟物理工作是准确预测自然现象，让我们控制这些现象，哲学是无关紧要的。

广义相对论在大尺度空间取得了辉煌的成功，量子理论在微观世界也取得了辉煌的成功。基本粒子遵循量子理论的定律，而宇宙学遵循广义相对论的定律。很难想象他们之间会有很大的差异。许多科学家希望将两者结合起来，创建一个新的理论，统一从宏观到微观的所有物理定律。但到目前为止，所有寻求统一的努力都失败了，因为20世纪物理学的这两大学科是完全矛盾的。我们能不能找到一个新的理论，比现有的两个理论更好，让两个都变得过时，就像各种理论流行之前遇到的那样？