惊奇与敬畏
粒子物理学家西德尼·科尔曼(Sidney Coleman)说过,如果说成千上万的哲学家花了几千年的时间寻找世界上最为奇异的东西,那么,他们再也找不到比量子力学更为离奇的了。
量子力学之所以难以理解,是因为它的结果是那么地有悖于常理,又是那么地出人意料。它的基本原理不仅有悖于以前所有已知物理的基本前提,也有悖于我们自己的经验。
量子力学看上去如此奇怪,其中一个原因是,我们的生理机能根本就不能够让我们观察到物质和光的量子本性。通常只有在一埃的尺度上,也就是原子的大小,量子作用才会有意义。如果没有特殊仪器,我们根本不可能观察到那么小的尺度,即使是高分辨电视或电脑显示器的像素通常都小得我们根本看不见。
再有一个原因是,我们看到的只是大量原子的集合,这么多的原子,足以让经典物理掩盖量子作用,通常我们看到的光也是大量的光量子集合。尽管眼睛的感光器官非常灵敏,足以捕捉到光的最小单位——单个量子,但是通常我们的眼睛要处理这么多的量子,以至于任何可能的量子效应都被更明显的经典行为淹没了。
如果说量子力学让人难以解释,那也有充足的理由。量子力学意义深远,它足以容纳经典物理的预言,但反过来并非如此。在许多情况下,例如,当涉及大物体时,量子力学与牛顿经典力学的预言是一致的,但没有一个尺度可以让经典力学作出量子预言,因此,当我们试图用熟悉的经典术语和概念去理解量子力学时,我们必然是要遇到麻烦的。试图用传统的观念去描述量子作用,就好像是要将法语译成一个只有100个单词的有限的英语词汇,以这么有限的英语词汇,常常只能含糊地解释某些概念和词语,而有一些则根本无法表达。
量子力学的先驱之一,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)意识到,要描述原子内部的活动,人类的语言远远不足。他在回顾这一主题时,讲了他的模型是如何“像图画一样,本能地闯进了他的脑海”。正如物理学家沃纳·海森伯(Werner Heisenberg)解释的:“我们只能记得,通常的语言完全失去了作用,在这一物理领域里,语言已毫无意义。”
因此,我不会尝试用经典模型去描述量子现象,相反,我要描述一些使量子力学与以前的经典理论如此不同的、重要的基本假设和现象,我们会逐个回忆那些对量子力学及其发展作出贡献的重要发现和见解。尽管这一讨论大致循着它们的历史顺序,但我真正的目的是要把量子力学内在的许多新观点、新概念逐一地介绍给大家。
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