Question

物理的基础是什么？

Answer 1

量子理论又称为量子力学或量子物理学，是一组在极小尺度上主要应用于原子或更小实体的微粒定律。量子理论的核心是测不准原理和波粒二象性概念的结合。
量子世界的每个实体都同时具有我们习惯视为截然不同事物——波河粒子的特性。例如，通常被视为电磁波的光，在某些情况下的行为就像是粒子（称为光子）流。19世纪末马克斯•普朗克发现，黑体辐射的本质，仅当原子以不连续的量子（光子）发射和吸收光时，才能得到解释。这一发现使物理学家明白了量子物理学和经典力学之间的区别。普朗克的发现的最根本要点是，原子能量的变化究竟可以多么小是有极限的；用现代术语说就是，这一变化的极限相对于发射或吸收单个光子。“量子跳变”的要点是，这种跳变是最小可能的变化；因此，当广告和政治家说取得了量子跃进般的进步时，他们无意间显露了他们的诚实。
普朗克本人并未提到光子，他不过将黑体辐射解释为原子除了以不连续份额方式外便不能发射能量的结果；他也没有想到光本身可以看成由粒子构成。是阿尔伯特•爱因斯坦最先在1905年发表的论文（他因该论文获得诺贝尔奖）中证明可以把光看成粒子。这一思想在1920年代发展为光的玻色子学说。也是在1920年代，实验证明典型的基本粒子——电子同样具有波的特性。但波粒二象性的实质在展示电子的波和粒子双重性质的现代实验中表现得罪清楚。
这些实验的基础就是经常用来（例如在中学的科学课堂上）证明光像波那样传播的“双缝”实验。在这样的实验中，光通过屏幕上的一个小孔，射到有两个小孔的第二屏幕上。从第二屏幕上两个孔的任何一个来的光继续向第三屏幕前进，并在那里形成由明暗相间斑纹组成的图样。对这种斑纹图样的传统解释是，从两孔中的每一个来的波抵达了最后那个屏幕的所有各处。在两束波步伐一致的地方，它们相加而成亮斑；在两束波的步调错乱的地方，它们相互抵消饿留下暗斑。与此完全相同的现象也发生在同时把两块小石头投进池塘所引起的涟漪之中——有些地方涟漪增强，另一些地方涟漪消失。所以这个双孔实验证明了光像波那样传播。
1980年代末日本科学家进行的现代实验中，光源被一支能每次发射一个电子的电子“枪”取代，两个孔的角色由磁场扮演，最后的屏幕则是类似电视机荧屏的探测器。通过实验装置的每个电子必须经由两条路线中的一条（两个“孔”中的一个）到达探测器的荧屏。果然，当一个一个的电子射进实验装置，每个电子在荧屏上引发一个对应着单个粒子到达事件的确切光点。但是，当一个一个射入实验装置的电子达到很大数量时，荧屏上引发的大量光点却形成了明暗分明的图样，它和同时通过两孔到达屏幕的波显示的干涉图样完全一样。
伟大的物理学家理查德•费恩曼（1918-88）曾经说，双孔实验包藏了量子力学的“核心秘密”，无人懂得其中究竟发生了什么。它不仅仅表示量子实体运动时像波，到达和出发时像粒子，而且它们似乎还知道过去和未来。情况好像是，电子以粒子形式从电子枪出发，然后变成波旅行并经由两条路线进入实验装置，再后重新变成粒子而到达荧屏上一个确切地点。不仅如此，每个电子还选择了一个正确地方引发光点，以使它对很长时间内才得以形成的干涉图样做出它的贡献。它究竟是如何“了解”所有其它电子，以及其它电子将落在图样中的什么地方呢？在经典双孔实验中也曾经用过及其微弱的光源，使得每次只有一个光子进入实验装置。同样，它们也在最终屏幕上形成一个干涉图样。
对这一切的标准解释叫哥本哈根解释（因为它主要是哥本哈根的学者们提出来的），这个解释认为，量子实体运动时就像严格遵守概率法则的波那样扩散，使得有可能计算什么地方的波最强（也就是什么地方找到电子或其它任何粒子的机会最大），什么地方的波最弱。当进行一次观察或测量时（例如，当电子波撞上探测器荧屏时），“波函数”瓦解成为点状的粒子。就在那一瞬间，在其它任何地方发现电子的概率变为零，但只要量子实体不再被观察，概率立刻又从它最后观察到的地点向外扩散。
尽管存在很多不尽如人意之处，哥本哈根解释可以用来预言涉及诸如电子和质子等量子实体的实验结果，而且它还是研制激光器、电脑芯片和许多其它器物，以及理解复杂生物分子如脱氧核糖核酸所依据的物理基础。但哥本哈根解释的突出地位也和其它任何事物一样在很大程度上乃历史偶然。虽然哥本哈根解释由于是第一个可用的解释而被物理学家当作量子理论的标准版本，但它仅仅是好几种都有着不尽如人意之处、但也都能在类似计算中给出完全相同“答案”的解释中的一种。对很多人来说，这意味着这些解释全部不能正确洞察量子视界究竟在发生什么事情；因此，在量子理论牢牢站稳脚跟之前，还需要一种对有关物理现象的全新的理解。
要获得全新的理解，可能需要完成某种理性的飞跃。量子力学的有些解释要求在时间上倒过来传播的信号，而所有解释都要求即使粒子相距很远也能彼此瞬间交换信息。这些也许就是理性飞跃的标志。
然而，量子理论就像烹调全书中的食谱，可以用来计算原子和其它粒子系统的性质。你可以按照食谱烘烤出蛋糕而不必了解烤炉中发生的物理过程，同样你可以利用量子法则计算比如氢的光谱而不必了解量子世界发生了什么。所以，利用光谱学方法研究宇宙，就直接依赖于量子理论提供的关于原子和分子的知识。原子核的性质也取决于量子过程，因此我们对核合成和恒星内部产能反应的认识也依赖于量子理论。例如，正是量子不确定性解释了α粒子如何在发生α衰变时（通过隧道效应）从原子核中逃出，也解释了原子核何以能够在恒星内部条件下克服自身正电荷的排斥力而聚合在一起。由于原子核的位置不确定，它们比对应的经典粒子伸展得更大，因而即使经典力学说它们相隔太远无法汇合时，它们却能彼此“交搭”而聚合。描述太阳内部这一切如何发生的模型在预言太阳的诸多观测性质（包括它的中心温度）方面所取得的成功，是表明量子物理学确为这一层面事物的恰当描述（至少在烹调全书意义上）的最佳大尺度象征之一。
量子物理学和宇宙学之间最重要的交汇是1920年代魏纳•海森伯提出的测不准原理。它和波粒二象性有关，并且可用物体的位置和动量的不确定性——即物体对正往何处去的了解程度——予以最清楚的说明。位置显然是粒子的属性，你可以准确说出一个经典粒子在何处。同样显然的是，你无法说出经典的波在哪里，而只能指出波通过的空间区域，因为波动本性决定了它是一种向外扩展的东西。在经典力学世界，波没有与粒子同一意义上的位置，但它们确实有方向——它们有动量，并且知道它们正在走向何方。
海森伯证明，在量子世界，存在着一种了解位置和动量的内在不确定性。你永远不可能同时知道比如电子那样一个实体的位置和动量，就会加强实体的“波动性”，使它扩大从而位置不确定。如果你试图精密测量它的位置，就将使它的波动性变得不确定，以致它无法肯定正在走向何方。位置不确定性的大小，乘以动量不确定性的大小，必须永远等于或大于一个确定数值，它等于普朗克常数除以2π（这个数值记为h，读成“h杠”）。
这并不是测量试验中的困难导致的后果。当然，测量单个电子的位置和动量无疑是困难的，就在你进行测量时（大概会用光子从电子反跳回来的办法），你也在改变你试图测量的性质，因为电子因光子撞击而反弹。但量子不确定性是量子世界实体的内在本质的真正属性。一个像电子那样的实体不能既有精密的动量，又同时有精密的位置；它自己确实不能同时准确“知道”它身在何处和走向何方。
就日常标准来看，这个效应是非常小的——在质量以克计的标准单位体系中，数值h大约等于10-34；这就是重约1克的物体的位置不确定性的量度（以厘米计）。物体的质量越大，不确定性越小。对于质量仅10-27克的一个电子来说，其影响就十分显著了。
这种不确定性对天文学的重要性在于，一个物体或甚至一个虚无空间区的能量与它被观测的时间长度之间存在同一类型的关系。如果你长时间仔细观察某个事物，你想多精密就能够多精密地测量它的能量。但如果你仅仅一瞥，则能量——不单单是你测量的能量，而且也指真正存在的能量——总是不确定的。和量子实体不“知道”它自己的准确位置一样，它（以及整体宇宙）在一个短时间隔内也不“知道”它拥有能量的准确数量。正是这个量子不确定性使得电子-正电子对（和其它粒子-反粒子对）能从完全空无一物之中出现，条件是它们要在量子不确定性允许的短短一瞬间彼此湮灭。这就是与黑洞关联的霍金辐射的来源。甚至可能整个宇宙也是以这种方式、通过真空量子涨落中出现的暴涨而创生的。
（抄于《大宇宙百科全书》）339页