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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 量子论创立(4)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 02:54:00 2000), 转信


    矩阵力学和波动力学的殊途同归
    对于同一对象竟然出现两种形式完全不同的理论，在开始的时候，创立者双方各
对对方的理论反感并进行挑剔。海森伯公开写文章指责薛定谔的方法并没有得到德布
罗意义上的波动方程。鲍里在一封信中说：“我越掂量薛定谔理论的物理部分，我越
感到憎恶。锹拉克在晚年的回忆中承认，当初他对波动力学有点敌意，理由是，他觉
得既然已经有了一种完美的量子力学，为什么还要回到海森伯以前的阶段。同样，薛
定谔对海森伯理论也很反感。在1926年的一篇文章中说，他对那种蔑视任何形象化的、
颇为困难的超越代数方法感到厌恶和沮丧。但老一代物理学家几乎都倾向薛定谔的理
论。爱因斯坦在致薛定谔的信中称赞他的天才思想。索末菲为之高兴。普朗克像一个
孩子读谜语那样反复读他的文章。
    历史的发展往往出人意料。1926年 3月，薛定谔在发表了他的第二篇论文以后发
现，矩阵力学和他的波动力学在数学上是等价的，原来两个理论殊途同归。他发表了
题为《论海森伯—玻恩—约丹的量子力学和我的量子力学的关系》的论文。同时鲍里
也独立地发现了这种等价性。后来，经过变换理论和希尔伯特空间的引用，这种等价
性得到了更加明确的表述和证明。
    量子力学有了一致的数学表述形式，但是关于它的物理意义还完全不清楚。人们
知道怎样描述原子的定态，但不知道怎样描述一个通过云室的电子。薛定谔理论的波
代表什么?它具有怎样的物理意义?也是不清楚的。薛定谔曾经把它看作在空间存在的
真实的波，粒子是波的密集，称为“波包”。但是这种波包随着时间的演进将扩散开
来，不复存在。这是和粒子的稳定性这一基本事实不符的。因此有人开玩笑地说，薛
定谔的方程比他本人还聪明。
    1926年 6月，玻恩结合电子碰撞实验对波函数提出一种统计诠释，认为电子波函
数的平方代表电子在某时某地出现的几率。物质波是一种几率波而不是真实的波。不
久这种见解就得到了公认。可是薛定谔还坚持他的看法。1926年 9月，玻尔邀请薛定
谔到哥本哈根讲学。薛定谔坚持物理学的连续性，抨击玻尔的量子跳跃(即跃迁)观念。
他们从早到晚地争论。最后，当玻尔引用爱因斯坦1916年关于跃迁几率的论文为自己
辩护时，薛定谔有点绝望地说，如果一定要坚持这个该死的量子跳跃，他将为他对量
子理论作的贡献而感到遗憾。
    薛定谔离开以后的几个月之内，哥本哈根的物理学家们继续讨论这个问题。最后
的解答又是从两条不同的道路逐渐接近的。一条是改变问题的提法，不问“人们怎样
才能在已知的数学方案中表示出一给定的实验状况”，而是问“只有数学形式系统中
表示出来的实验状况才能在自然中发生，也许这是正确的？”海森伯接受了爱因斯坦
关于“只有理论才能决定什么被观察到”的观点，相信对这后一种提问应作肯定的回
答。据此他寻求并发现了量子力学的形式系统对古典力学基础上的那些概念的应用的
限制。人们不能像在牛顿力学中那样谈论电子的位置和速度，不能以任意精度同时测
定这两个量。这两个量的不准确度的乘积不应小于普朗克常数除以粒子的质量。这就
是测不准关系，也称测不准原理。海森伯1927年 3月发表的题为《关于量子力学的运
动学和力学的直觉内容》的论文论证了他的测不准原理。
    另一条接近的道路是玻尔的互补原理。玻尔把粒子图像和波动图像看作是同一个
实在的两个互补描述。这两个描述中的任何一个都只能部分正确，使用粒子概念和波
动概念都必须有所限制，否则就不能避免矛盾。如果考虑到测不准关系表示的那些限
制，矛盾就消失了。玻尔于1927年9月在意大利科摩举行的纪念伏打（1745—1927年)
逝世一百周年的国际物理学讨论会上首次公开发表了他关于互补原理的一些思想。至
此，量子力学就有了一个前后一致的解释，它通常被称为“哥本哈根解释”。1927年
10月在布鲁塞尔召开的索尔维物理学会议上被大多数物理学家接受。但是爱因斯坦不
接受这种观点，在会议期间同玻尔就此进行了激烈的争论。自此开始两种观点争论一
直延续到今天，它是物理学史上最富哲学意义的论战。
    量子论的影响
    量子论成功地揭示了微观物质世界的基本规律，但是不等于说它只是关于微观世
界的特殊规律而与宏观世界毫无关系。实际上整个物理学都是量子物理学，我们今天
所了解的量子物理学的一些定律都是自然界最普遍的定律。支配微观世界的规律原则
上也可以预言由大量基本粒子构成的宏观物理体系的行为。这意味着经典物理学定律
来自微观物理学定律。从这个意义上讲，量子力学在宏观世界中也一样适用。事实上
量子论极大地加速了原子物理学和凝聚态物理学的发展，为核物理学和粒子物理学开
辟了道路。量子论在天体物理学领域的应用发展出量子天体物理学。量子论运用于化
学产生的量子化学成为化学理论的前沿。量子论对分子生物学的产生也起了重要的启
迪作用，使生物学发生了革命。可以说量子论是多产的科学理论。量子论作为理论基
础对技术发展的作用惊人地广泛，现代技术标志的原子能技术、激光技术、电子计算
技术和电讯技术无一能够离开量子论这个基础理论。
    量子论的产生和发展不仅是科学上的一场深刻的革命，而且在哲学上提出了许多
值得研究的问题，无论在认识论方面还是在方法论方面，都促进着哲学的变革。量子
论的新见识之一是微观客体的波粒二象性。在原子范围内真正的实在既不是粒子也不
是波，真正的实在是量子态。无疑量子态有一个难以捉摸的特征。它有潜在能力，依
据与其相互作用的仪器的类型，或者呈现波动性或者呈现粒子性。只有当它不被观察
所破坏时才显现其真貌。量子论的新见识之二是弱型因果律。力学因果律是指在不同
时间客体状态的关系。在古典力学中状态的定义不包含几率的概念，因此古典力学的
因果律是决定论的因果律。在量子论中状态的定义包含几率的概念，因此量子力学的
因果律是非决定论的，相对古典力学的强型因果律，它是弱型因果律。量子论的新见
识之三是关于认识主体和认识客体关系的。因为观察仪器不可逆地改变客体的状态，
并且观察结果依赖于仪器类型的选择，所以我们所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。在生活的戏剧中，我们既是演员又是观众。
    科学技术作为人类社会最有生命力的力量，越来越支配人们的思想和行为。这是
因为现代生活广泛使用的科学技术产品渊源于它的理论，在量子论的指引下，出现了
原子物理学、固体物理学、量子化学和原子能技术等新兴学科和新技术。这一切开辟
了人类认识自然、征服自然的新天地，成为当代科学技术发展的重要理论基础之一。

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