量子物理- 第1节

转自盟狐之约的博客

一、近代物理学发展过程

18、19世纪：牛顿运动定律　　　　　麦克斯韦电磁学
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　　　　　　　　　　　　　　　｜　　　　　　　　　＼／　　　　　　　　　　↓　　　（融合）
　　　　　　　　　　　　　　　｜　　　　　（光速冲突）　　　波动理论—┬—粒子理论
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20世纪初期：经典力学　　　狭义相对论　　　　　　　　　　　　　↓
　　　　　　　　　　　（低速运动）（高速运动）　　　　　　　波粒二象性
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　　　　　　　　　　　　　　　　　（引力冲突）　　　　　　　　　　　　（能量困境）
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20世纪中期：　　　　　　　广义相对论　　　　　　　　　　　　　　量子力学
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（宏观世界）　　　　　　　　　　　（微观世界）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜　　　　　　（水火不容）　　　　｜
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20世纪80年代：　　　　　　　　　　　　　　　　　超弦理论
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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（衍化）
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20世纪末21世纪初：　　　　　　　　　　　　　　　M理论
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未来：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　？？？
二、近代物理学简介

1。光速冲突与狭义相对论

　　　　　牛顿运动定律认为，一个物体只要以光速运动就会发现光是静止的；而麦克斯韦电磁学认为，任何物体的运动都不可能达到或超过光速。于是引发了爱因斯坦的狭义相对论，彻底改变了人们对时空的认识。

　　　　　狭义相对论的几个核心思想：
　　　　　第一，空间和时间都是相对的——相对性原理；
　　　　　第二，光的速度永远是30万千米每秒——光速不变原理；
　　　　　第三，质量和能量可以转化——质能方程。
　　　　　关于第一点，空间和时间是一个整体，空间能够影响时间，时间也能够影响空间。例如：运动的物体长度会缩短，时间也会变慢。另外，任何物体都可以认为自己是静止的，而其他参照物在动——也就是说，运动的观测者和静止的观测者都可以认为是对方的时间变慢，即没有“绝对”，只有“相对”。

　　　　　关于第二点，传统运动定律认为，如果你沿着光的方向运动光与你的相对速度就会减小，而如果你朝向光运动光与你的相对速度就会增加并且超过光速。而狭义相对论认为，无论你向哪个方向运动，光与你之间的速度都是30万千米每秒，永远不变。

　　　　　关于第三点，爱因斯坦认为质量与能量可以相互转化，其间满足E=mc^2的关系。一个物体运动越快，质量也越大，当接近光速的时候质量会接近无穷大，需要无穷大的能量推动，因此任何物体的运动速度都不可能比光快。

2。引力冲突与广义相对论

　　　　　牛顿万有引力定律认为，一个物体与另一个物体之间的引力仅取决于质量和距离，而与时间无关——即引力现象是瞬间发生的。而狭义相对论则认为任何速度都不可能超过光速，由此引出了广义相对论。

　　　　　广义相对论的引力思想：

　　　　　第一，引力等效于加速度；
　　　　　第二，引力形成的原因是空间扭曲。
　　　　　爱因斯坦认为引力并不神秘，加速运动就会形成引力，按相反的方向加速度就能平衡引力。引力形成的根本原因在于空间扭曲：任何有质量的物体都会使周围的空间扭曲，质量越大扭曲也越大，而物体总是沿着阻力最小的方向运动，因此便会形成加速度。想象一个平滑的薄膜，中间放一个大球，球体会在薄膜中间压出一个凹陷；再在周围放置一些小球，小球则会沿着凹陷滚向大球——这就是引力的本质。同样，加速运动也会导致空间和时间的弯曲。

　　　　　当没有物质存在时空间是平滑的，但只要有物质存在就会形成各种各样的扭曲并产生引力，爱因斯坦证明了空间扭曲是以一定速度传播的，这个速度就是光速。



3。黑洞和大爆炸



　　　　　爱因斯坦的广义相对论发表不久，一位科学家就从数学上证明了，只要星体质量集中在一个足够小的区域，质量除以半径超过某个临界值，时空就会发生强烈扭曲并形成黑洞。另一些科学家也从广义相对论推断并证明了，宇宙正在膨胀中，宇宙起源于一次大爆炸。这是广义相对论的两个主要贡献。



4。从波粒二象性到量子力学



　　　　　随着宏观世界研究的深入，微观世界的波动理论和粒子理论也在发展着。对于光波究竟是波动还是粒子争论了很多年，双缝干涉实验证明了光是一种波，而光电效应实验则证明了光是一种粒子，从而产生了光的波粒二象性原理。最后由德布罗意提出物质波理论，认为所有的物质都是波，当物体的动量乘以波长小于普朗克常量的时候就会表现出波动特性。



　　　　　量子理论起源于普朗克的猜想，目的是为了解决无限能量困境。想象一个普通的火炉，按照传统波动和热力学理论计算，这个火炉的能量是无穷大的，这显然不可能。后来普朗克提出了量子假说，认为火炉辐射的能量并不连续，而是以“团”为单位的。波长超过某一值的团不会携带能量，这个值就是后来的普朗克常量，即波的最小能量单元与频率的比例因子。



　　　　　量子理论主要思想：

　　　　　第一，能量以间断形式传播；

　　　　　第二，量子论以概率论为核心；

　　　　　第三，不确定性原理。



　　　　　在电子双缝干涉实验里，对于电子究竟通过哪条缝一直令人困惑。而费曼认为，电子实际上同时穿过了两条缝，由此延伸，每一个从发射器到荧屏的电子其实都“同时经历了所有可能路径”，而这就是费曼著名的量子力学“路径求和”方法。爱因斯坦认为，在某一时刻电子具有确定的位置和速度；而量子力学则证明了，电子永远不可能具有确定的位置和速度。费曼证明，当考虑比原子大的物体的时候，为每条路径的赋值会保证，所有路径在求和时都会相互抵消，只留下惟一一条路径。这也是量子力学只适用于微观尺度的原因之一。由于量子力学以概率论为核心，需要用波函数描述粒子运动状态，这个方程最早被薛定谔找到，被称为薛定谔方程。



　　　　　关于量子理论有一条重要原理——海森堡的不确定性原理。比如我们想在电子双缝干涉实验里确定电子的确切路径，并用光子去撞击。用高频光照射能够精确地知道电子的位置，可是却会干扰电子的速度；用低频光能够将对电子的影响降低到最小，可是却得不到电子的精确位置。海森堡量化这些数据并发现，无论采用什么测量仪器、运用什么测量方法，测量精度与速度总是成反比的。在微观世界存在一种均衡行为，一个物理量越精确另一个物理量就越不精确。



5。量子场论与第三次冲突



　　　　　量子力学主要适用于微观尺度，广义相对论主要适用于宏观尺度，两者在各自的领域运行得很好。可是当涉及到黑洞或大爆炸那种质量极大、尺度又极小的极端情况就无法解决了，两者的方程式结合到一起求出来的不是无穷大就是概率大于1。这也是近代物理学的第三次冲突。



　　　　　量子力学与广义相对论更大的冲突在于，根据相对论原理，没有物质的空间应该是平直的。而根据量子论不确定性原理，微观世界的尺度越小，就会经历越强烈的量子涨落。那里有极度扭曲的空间和时间、能量的瞬间涨落、微观粒子的生成和湮灭、电磁场的疯狂振荡，与宏观尺度的宇宙大相径庭。



　　　　　后来科学家们将量子理论和狭义相对论融合，形成了量子场论——这也是人类到目前为止可观测和证明的最终理论。量子场论的主要思想：第一，量子场由粒子构成；第二，量子场整体呈现波动能量。量子场论将自然界三种力——弱力、强力和电磁力统一起来，并将三族微观粒子结合起来，形成粒子物理学家的标准模型。然而，自然界第四种力——引力始终没有融合到量子场论里，这也是第三次冲突之一。



三、超弦理论与M理论



　　　　　爱因斯坦在晚年一直想要找出一种“大统一理论”融合量子力学与广义相对论，许多科学家也想找出一个包罗万象的理论来解释世间的一切，可惜一直未能成功，直到超弦理论的出现。超弦理论是真正的颠覆性理论，初次接触这一理论并能保持镇定的人是不多的。超弦理论的困难在于缺乏实验证明和数据支持，以现有的技术水平还无法获得那么大的能量，因此还不能被认为是正确的。可因为相对论和量子力学近几十年似乎都发展到了尽头，长期没有突破性进展，而超弦理论能够出色地解决量子论和相对论的矛盾，并能将许多物理学分支融合到一起，因此许多物理学家都转移到超弦理论的研究当中，并发现这一理论的博大精深。



超弦理论的核心思想



1。万物的基础都是弦



　　　　　在亚原子世界里存在很多种微观粒子：电子、中微子、上夸克、玻色子……超弦理论认为，所有微观粒子都是由一根一维的弦振动形成的，弦的不同振动模式形成不同质量和电荷。而这条弦是宇宙的最小基元，无法再分，其尺度大约是普朗克长度（原子核的一千亿亿分之一，小数点后18个零）。两个点粒子撞击，如正电子和负电子湮灭产生光子，其实是两根振动的弦相遇形成第三根弦。万物都是弦，整个宇宙就是一个伟大的交响曲。



　　　　　广义相对论认为，宇宙膨胀到一定程度之后会收缩，一直收缩到一个无穷小的点；而超弦理论认为，宇宙收缩到普朗克长度以后就达到极限，之后会再次大爆炸，一直这样循环往复下去……



　　　　　在广义相对论里，空间和时间形成一个光滑弯曲的几何结构；而在量子力学中，空间和时间都在经历着量子涨落，而且在越小尺度上涨落越激烈，从而产生冲突。而在弦理论主宰的宇宙中，我们不可以将大自然无限地分割下去，在量子力学预言的那种疯狂涨落出现以前，就会达到极限。



2。超对称宇宙



　　　　　量子论、相对论……我们有很多物理学定律，那么这些定律是在宇宙的所有时间、所有地点都成立，还是仅在某种条件下成立呢？我们认为物理学定律不随运用的时间或地点而改变，称之为自然界的“对称性”。此外，物理学认为所有的方向都是平等的，这也是一个对称性原理。此外，还有什么我们忽略的对称性吗？有，超对称。



　　　　　物理学家发现电子存在自旋，并且永远以固定不变的速率转动；进而发现，所有的微观粒子——光子、引力子等都存在自旋，只是速率不同。而在弦理论里，不同的自旋也关联着不同的振动模式，而弦理论数学也使人发现了一种“不可能存在于现有宇宙的、完全相反的振动模式”，称之为“超对称”，这也是“超弦理论”名称的来源。



　　　　　超弦理论预言，所