我們憑什么說經(jīng)典物理不能真正描述我們的世界呢?

主要的原因來自實(shí)驗(yàn)。

量子理論不是理論家們加在我們身上的預(yù)言，大多數(shù)理論家是被無可奈何地被趕到這一個(gè)在哲學(xué)的許多方面不滿意的、奇怪的世界觀上去。其根本的原因在于兩種物理現(xiàn)象必須共存:

粒子，每一粒子只由很少的有限數(shù)目(6)的參數(shù)(3個(gè)位置和3個(gè)動(dòng)量)來描述;

還有場，它需要無限多的參數(shù)來描。

在粒子和場處于平衡的系統(tǒng)中，所有粒子的能量都會(huì)被場抽走。(即″能量均分'現(xiàn)象的結(jié)果:系統(tǒng)處于平衡時(shí)，能量被公平地分布在所有的自由度上。由于場具有無限多自由度，所以根本就沒有給可憐的粒子留下任何能量!)

尤其是，經(jīng)典原子不能是穩(wěn)定的，粒子的所有運(yùn)動(dòng)都轉(zhuǎn)移到場的波動(dòng)模式中去。

另一種場和粒子不能共存的不穩(wěn)定性的呈現(xiàn)是″黑體輻射″現(xiàn)象。(具有某個(gè)確定溫度的物體，電磁輻射和粒子處于平衡態(tài)，所有能量都會(huì)被場吸光一一沒有極限!

這些迷惑如何得到解決?

1900年，才氣橫縊的、但又保守謹(jǐn)慎的普郎克提出了一個(gè)革命性的思想用以壓制'黑體'的高頻率的模式:

電磁振動(dòng)只能以'量子'的形式發(fā)生，量子的能量E和頻率v之間有一確定的關(guān)系

E=hv

h為一自然的基本常數(shù)(現(xiàn)被稱為普郎克常數(shù)，約為6.6ⅹ10^-34焦耳秒)，令人嘆為觀止的是，普郎克利用這個(gè)'荒謬絕倫'的因素，能夠在理論上得到和觀察一致的作為頻率函數(shù)的強(qiáng)度(普郎克輻射定律)。普郎克憑此壯舉揭示了量子理論光臨的曙光。

某些實(shí)驗(yàn)事實(shí)很清楚地顯示光是粒子，而另一些事實(shí)則指出光為波動(dòng)。

1923年，富有洞察力的德布羅意提出物體的粒子本身有時(shí)應(yīng)像波動(dòng)那樣行為!任何質(zhì)量為m的粒子的頻率v也滿足普郎克關(guān)系式。這與愛因斯坦的E=mc2相結(jié)合:

hⅴ=E=mc2

1913年，玻爾再次極其漂亮地利用了普郎克關(guān)系。一個(gè)繞核公轉(zhuǎn)的電子角動(dòng)量只能為h′/2π的整數(shù)倍(即玻爾規(guī)則)。后來狄拉克為了省事引進(jìn)了符號(hào)h′:

這樣，繞著任何軸的角動(dòng)量的可允許值為:

玻爾漂亮的設(shè)想雖然極其成功，卻只是提供了稱之為″舊量子論'的某種臨時(shí)'湊合物'的理論。

我們今天所知道的量子理論是由后來的兩套獨(dú)立的方案產(chǎn)生的。一位是海森堡(矩陣力學(xué))，另一位是薛定諤(波動(dòng)力學(xué))。

在初始時(shí)上述兩套方案顯得完全不同，但很快被狄拉克發(fā)現(xiàn)它們是等同的，并且很快就被狄垃克包攝到一個(gè)更合理、更一般的框架中去。

雙縫實(shí)驗(yàn)

我們來考慮一'原型的'量子力學(xué)實(shí)驗(yàn):

一束電子或光或其他種類的'粒子-波'通過雙窄縫射到后面的屏幕上(如上圖所示)。

為了確定起見，我們用光做實(shí)驗(yàn)。按照通常的命名法，光量子稱為'光子'。光作為粒子(即光子)的呈現(xiàn)最清楚地發(fā)生在屏幕上。光以分立的定域性的能量單位到達(dá)那里，這能量按照普郎克公式E=hⅴ恒定地和頻率相關(guān)。從未接收到'半個(gè)'(或任何部分)光子的能量。光接收是以光子單位的完全有或完全沒有的現(xiàn)象。只有整數(shù)個(gè)光子才被觀察到。

然而，光子通過縫隙時(shí)似乎產(chǎn)生了類似波動(dòng)的行為。先假定只有一條縫是開的。光通過該縫后就被散開來，這是被稱作光衍射的波動(dòng)傳播的一個(gè)特征。但是，這些對于粒子的圖像仍是成立的?？梢韵胂罂p隙的邊緣附近的某種影響使光子隨機(jī)地偏折到兩邊去。當(dāng)相當(dāng)強(qiáng)的光子(大量的)通過縫隙時(shí)，屏幕上的亮度顯得非常均勻。但是如果降低光強(qiáng)度，則其亮度分布由單獨(dú)的斑點(diǎn)組成(和粒子圖像相一致)

(為了比較，一個(gè)60瓦的電燈泡每秒鐘大約發(fā)射10^20個(gè)光子)

然而，當(dāng)我們打開另一條縫隙時(shí)就出現(xiàn)了粒子圖像的關(guān)鍵問題!

假設(shè)光子是來自于一個(gè)黃色的鈉燈(單色的)，此處波長約為5x10^-7m，縫隙寬約0.001mm，而且兩縫隙相距0.15mm左右，屏幕大概在1m那么遠(yuǎn)。在相當(dāng)強(qiáng)的光源照射下，我們?nèi)匀坏玫搅艘?guī)則的亮度模式。但是現(xiàn)在我們在屏幕中心附近可看到大約3mm寬的干涉模式的條紋的波動(dòng)形狀:

量子水平就是分子、原子及次原子粒子的水平。這通常被認(rèn)為是非?！逍〕叨?現(xiàn)象的水平，但是這個(gè)″小'實(shí)際上并非是指物理尺度。我們將會(huì)看到量子效應(yīng)能在許多米甚至一光年的距離上發(fā)生。如果認(rèn)為只牽涉到非常小的能量差，這才有點(diǎn)接近于認(rèn)為某種東西是'處于量子水平上'的特征。