日期：2009-10-2 14:38:00

　　说明：
　　本帖楼主是位60年代名校毕业的机械工程师，平生热爱物理学并试图使更多人了解前沿物理，本帖的目的旨在以大众化的语言将物
　　理科学前沿的《量子力学》平易近人地展示在广大普通读者面前，以期教育和启迪青年学子能够轻松了解现代物理学。
　　本帖楼主承诺，一定坚持写完，绝不会弃楼不顾。天涯水大人杂，请各位看官有砖慎拍，若不喜则请离开，勿留恶言。
　　简 介

　　本科普读物集知识性与趣味性为一谈。书中用大众化的语言将物理科学前沿的《量子力学》，平易近人地展示在广大普通读者面前；在通俗易懂的叙述《相对论》时，书中丰富的内容、趣谈也可供读者兴味盎然地在休闲时赏心悦目地消遣。
　　国民“科学素养”也是一种国力。现在有四分之一的美国成年人能够阅读并理解每周发表在《纽约时报》科学版面上的故事。即将重新启动的欧洲大型强子对撞机是潘多拉魔盒吗?它的主要目的是揭开宇宙诞生之谜；一系列实验将模拟宇宙大爆炸发生时的状态。部分学者认为这可能会导致整个地球毁灭,导致“世界末日”。向欧洲和美国法庭提起诉讼。专家驳斥毁灭地球说：“------这些微型黑洞仅仅是一些小黑洞,它们实际上只有亚原子大小,也就是跟电子或质子差不多大。”但是，别忽视了宇宙大爆炸是起源于一个直径近似于零的奇点。如今科学研究带来的风险,也许要由整个地球来承担。公众对此有判断能力对它说“是或否”吗?书中就此有所阐述。

　　同时书中不少发人深省的新论点有着开拓境界的作用。宇宙的诞生、生命的起源、外星人在哪里？人类来自何方又会去向何方？均有专门篇章予以陈述。

日期：2009-10-02　15:09:45

　　本书面向普通读者，用通俗的语言向广大读者介绍了目前物理学领域较前沿的知识。
　　进入20世纪，物理学迈入了量子力学时代。在这一百多年的时间里有着突飞猛进的发展，将整个人类带入了一个新的物理学境地。人们在物理界的视野，由20世纪前牛顿力学时代所研究的主要针对看得见，摸得着的较为容易知晓的较小的宏观宇宙范围；扩大到了小至亚原子的微粒子，大到150亿光年之远的宏观宇宙天体范围。
　　物理学经过几千年的发展，直至19世纪末，整个经典物理取得了较圆满的发展，尤其是在人们可接触到的宏观物理世界范围，基本上能自洽地解决整个自然界带来的物理问题。经典物理学中总结出来的各个公式、定理、定律早已是物理学界运用起来得心应手的工具。整个经典物理的知识还是比较通俗易懂的。
　　但是经典物理在面对微观物理世界时遇到了难以解释的麻烦。也就是说牛顿力学在面对超越他们那个时代认知范围的问题时适应不了。20世纪初，以爱因斯坦为首的物理学家，应时代的要求责无旁贷地担负起新的历史使命，创建了量子力学。这也就是至今仍肩负着引领全人类行进在整个物理科学前沿的最新物理科学。
　　量子力学主要包含有两部分内容，一是针对微观世界的量子理论部分，另一个是针对大尺度宏观宇宙的相对论部分。也可以这么理解，量子力学是经典物理学向宏观及微观世界；也就是向大与小两端的物理世界范围的延伸。

　　但是，在具体理论上量子力学却又与以前的物理理论有着截然不同之处。量子力学是建立于崭新的观念的基础上。在量子力学中人们固有的“绝对时间”、“绝对空间”都不复存在；量子的“速度与位置”已是不可能同时测准的；量子既是波又是粒子，呈现“波粒二象性”。时间、空间、质量、能量、都已经不是固定不变的而是可以相互转化的；万有引力是以“空间的弯曲”这样的几何性质出现在人们面前，……。正由于量子力学是突破人们旧理念的一种新理论，所以往往人们一时半会对这与旧思维方式几乎格格不入的方法，不很容易理解，这也就是一般人对量子力学这位于物理科学最前沿的知识，时而会有一种不太好接近的感觉，因而比较普遍出现了一些敬而远之的现象。这不由让我想起著名的“奥卡姆剃刀”原理：对于给定现象的最好解释通常是最简单、假设最少的那个。

　　本书使用浅显的语言，将量子力学展现在读者面前，将这物理学中目前最先进的科学理论，融会到普通的无须有多少科学背景的大众中。对量子力学中一些有违普通人习惯性思维的论述，用通俗易懂的话表达出来。或用一些简单的事例将其中深奥不易理解的理论表述成一看就明的、易于领会的道理。通过阅读此书会打消人们对量子力学的一种“深不可测”的误解，从而感到它正是我们身边经常发生的亲切可见的东西。


日期：2009-10-03　10:05:03

　　本书开篇，对整个物理科学的发展史作了一些简介。全书重点内容是对有关目前物理学前沿的科学理论知识作以介绍。书中分别就有关内容按章予以陈述。在当前最先进的物理理论量子力学中，主要采用的是自20世纪以来，以爱因斯坦所发展创建的相对论、量子力学知识，这也是如今一直占据物理学主流地位的科学知识。其中按章重点在前面部分介绍量子力学中的有关量子理论及相对论的两大部分内容。由于在前沿物理科学中除了这些主流理论知识外，还分门别类地存在着许多不同的旁类理论和见解，每章主要是在后面部分，也汇综阐述了一些另类的看法，其中也不乏有最新的视点。

　　在科学的发展的过程中，出现不同的见解是很正常的，并且也正是这些不同意见的争论，大大推动了科学进步的加速发展。本书并非仅仅立足于对似乎玄奥的量子力学的理解上；而是更希望人们在对量子力学这一先进理论理解的同时，并非因循守旧地将其奉若圣明而束之高阁。更主要的是应在了解的基础上得以启迪。更进一步推陈出新探索更为先进的科学知识。书中出现的一些不落俗套的另类观点，也许会对有志于物理科学探索的人，能起到一种以新的观念去进一步创新的开拓视野的作用。

　　书中除了述及量子力学这一物理前沿科学知识外，对由其进一步发展起来的宇宙论、微粒论均有所述及。并介绍了目前杰出的物理学家霍金所主要研究的，人类甚为关心的宇宙的起源。还有关系到人类生死存亡的，寻找外星人这一人类数千年来一直关心的问题。
　　科学一直在发展中不断前进，人们若不能随同时代的发展而停步于百年前的陈旧理论上，自身就会有如隔时代的不舒服感觉。时代的进步不是光靠几个少数人所能推动得了的，只有在广大普通大众全都加入推动历史澎湃发展的洪流中，科学才会汹涌向前。而目前处于物理科学前沿的量子力学并不神秘。它也很有希望成为大众所喜闻乐见，饭后茶余闲聊的内容；并且在众人的笑谈风声中形成物理学精华理论之结晶。

　　量子力学将人类领进了原子能时代，获取了巨大的能源。而似乎深奥莫测的相对论，早就是科幻小说家的丰富题材：不仅将人类送入了太空，并且还飞向了未来理想的宇宙天际。数千年来人类一直在探索我们的世界究竟是什么样的？生命又是怎么起源的？人类一直在问自己，我们是从哪里来的？我们又将会到哪里去？
　　而这一切人类急切关注的问题的答案，只能在将来科学的继续发展中去探索解开悬念。
　　物理学承担着向所有各门科学提供最基础的正确依据的重要责任。物理知识海洋的丰富宝藏，全靠群体的聪明与力量去寻求。人类社会的发展也永远企盼着人类科学智慧的结晶，以奉献出物理科学那颗闪闪发亮的明珠。
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日期：2009-10-03　13:03:53

　　第一章物理史话
　　寻求一切物质的基本结构及其运动的统一规律是物理学最最根本的目的，经历了数千年，自从物理学问世以来就孜孜不倦地追循着这一目的而从未改变。
　　关于基本粒子的学说可以追述到古希腊德漠克里特斯（公元前460~公元前370年）。大约在公元前四百年，德漠克里特斯就提出了原子论。他认为大千世界由虚空和原子构成，原子不生不灭是物质能够分割的最小单位，这种观点持续了两千多年。
　　公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德（公元前384~前322年），在他的《论天》一书中，就对地球不是平板而是一个圆球这一论点提出过很好的论据。从亚里士多德——托勒密（100~170年）的地心说到哥白尼——伽利略的日心说的演化过程就用了2000年的时间。
　　1514年波兰天文学家哥白尼（1473~1543年）提出了“日心说”的正确观点：太阳静止地位于中心，而地球和其它行星绕着太阳作圆周运动。日心说与圣经不符，这一观点对当时占统治地位的教会势力来说是大逆不道的，当时他们一贯宣扬的是唯心主义的“地心说”，唯恐哥白尼的“日心说”冲击他们的统治地位，他们对哥白尼进行了迫害。哥白尼所创立的“日心说”使自然科学从宗教神学的桎梏中解放了出来，开创了天文学的新纪元，是人类在天体认识史上的一个里程碑。他所阐述“日心说”的不朽著作《天体运行论》在刚开始出版时就被列为禁书，遭到残酷迫害。继哥白尼之后，布鲁诺，伽里略等人为了捍卫宣传哥白尼“日心说”而壮烈地献出了自己的生命，写就了科学史上的两大惨案：天文学家布鲁诺（1548~1600年）因为拥护哥白尼，竟然敢说地球不是宇宙的中心，被教会活活烧死。伽里略用自制望远镜首次观察了天体，宣告了一个和哥白尼学说完全符合的世界，并对“日心说”作了严密的论证，他的论著《对话》也被列为禁书，自身被终生软禁，最后双目失明死在狱中。经过100多年长期艰难曲折的历程，“日心说”使科学大步向前发展。

　　值得再用重笔一描的是伽里略（1564~1642年）可能比任何其它人更有资格称为近代科学的奠基人。他最早做出论断：“人类有望理解世界是怎样运行的，而且我们还能通过观察现实世界来做到这一点。”为此与天主教会发生了名闻遐迩的冲突。他举证公开支持了哥白尼的“日心说”遭到教会的镇压。他在教会的严密监视审查下获准出版的《关于两个主要世界体系的对话》，也是被世人欢呼为文学和哲学的杰作，1642年他第二本专著《两种新科学》一书，甚至比哥白尼更进一步成为现代物理学的起源。他在比萨斜塔作的自由落体试验被牛顿在1687年出版的《数学原理》中首次叙述出来，并被称为牛顿第一定律。　

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日期：2009-10-04　10:19:33

　　伊萨克•牛顿（1642~1727年）这位被人们形象描述为由苹果掉到脑袋上而发现了万有引力的科学巨匠，可称之为人类历史上具有划时代意义的最伟大的科学家。曾任过英国剑桥大学的卢卡逊数学教授。在富有学术传统的剑桥大学，这是一个崇高的教授职位。他被任命为皇家学会主席并成为第一个被授予爵士的科学家。1687年牛顿爵士出版了他的《数学的自然哲学原理》，这是一本物理学有史以来最有影响的书。也是物理学中一块最重要的里程碑。很快他就成为名重一时的人物。牛顿三大定律，成为今后千百年照亮整个物理学光辉前程的指路明灯。牛顿从经典物理学的研究成果中提出了“绝对时空观”。牛顿和德国哲学家高特夫瑞德•莱布尼兹各自独立地发展了微积分的数学分支。它是大部分近代物理学的基础。现在大家已知牛顿发现微积分要比莱布尼兹还要早若干年，可惜他很晚才出版他的著作，以至于落后于莱布尼兹出书之后；为此两人之间发生过激烈的长期的争吵。

　　1609年德国天文学家开普勒（1571~1630年）曾对哥白尼理论进行过修正，认为行星不是沿圆周而是沿椭圆运动。从而使预言最终和观察相互一致。1687年牛顿在他的著作中进一步指出，根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其它行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。
　　可以说从牛顿时代起物理学掀开了新的一页篇章，由牛顿创建的经典力学，开始几近完美地揭示了物理的奥秘，而整个物理世界也总是那么循规蹈矩地沿着经典力学所刻划出来的规律近乎一丝不苟地演变。而以后的几百年时间里，整个物理学的工作也就是为这经典力学再增加些的内容，为这牛顿所构筑的经典物理大厦添砖加瓦，使其更加完美，除此之外整个物理界好象也就没有什么其它实质性的工作，也没有什么新的发展。几百年中物理学好象也没遇到过什么解决不了的问题，就是偶而出现了什么新东西，用经典物理的理论敷衍一下也就没有什么解释不了的了。

　　早在19世纪初，英国化学家道尔顿（1766~1844年）发表了著名的原子学说，他认为自然界存在着不可分割的原子，不同元素的原子具有不同的质量。原子各自以简单整数比结合成化合物。原子学说合理解释了当时已知的化学现象和有关的化学反应重量关系定律，所以迅速为当时的化学界所承认；对化学的发展做出了重大贡献。但它还有些不正确的地方：认为单质是同类原子的堆积而忽略了单质分子的存在。这一错误论断也给以后化学发展带去了巨大的困惑。另外，它采用了原子这一名称和公元前400年时德漠克里特斯的关于基本粒子的原子论混淆了。以至于在原子核、质子、中子、电子、夸克、轻子被发现时给德漠克里特斯的原子论带去了不应有的抵毁；关于这点其实在1899年汤姆逊发现电子时人们开始知道原子内部还有更小的粒子在运动。

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日期：2009-10-05　08:44:28

　　在此之前，1811年意大利物理学家阿伏伽德罗先提出了分子学说。但很可惜的是这一学说竟然被长期摈弃，冷落了整整50年之久。这段曲折的化学发展史，发人深省地告诉世人任何新生事物的发展往往不会一跃而就，而是要伴随长期艰难的痛苦过程才被人们认可。
　　同样类似的事例、在19世纪的人类科学发展史上值得书一笔的是罗巴切夫斯基（1792~1856年）这位伟大的俄国数学家创建非欧几何。这也是人类认识史上一个富有创造性的伟大成果。虽然这一重要数学发现，在提出后的相当长的时间不仅没有赢得社会的承认和赞美，反倒遭致种种歪曲、非难和攻击，迟迟得不到科学界的公认。但是瑕不掩玉，非欧几何的创立却带来了数学的巨大进步。它对现代物理学、天文学以及人类时空观念的变革都产生了深远的影响。爱因斯坦当年研究狭义相对论时非欧几何理论就曾起到关键性的作用。1893年在喀山大学为他树立起世界上第一座数学家的塑像。

　　给19世纪带来辉煌的还有美国发明家爱迪生（1847~1931年），他为人类带来了光明，值得人们追忆。仅仅为了试制灯丝，他就试了1600种金属材料和6000种植物纤维。1882年他在纽约建起发电厂把电送入家家户户，他去世时，美国全国同时关闭电灯一分钟，以表示对他的感谢。
　　我们不该忘记19世纪末，为人类留下科学财富的瑞典科学家阿尔费雷德•诺贝尔（1833~1896）。他是安全炸药的发明人，他有一句名言：“对研究家来说，是没有终点站的。”他一生独生，终身埋头于发明和事业，最后留下一笔巨大的财产离开了人间。按照他的遗嘱，这笔钱就是向为和平与科学做出贡献的人所颁发至今的诺贝尔奖金。

　　到19世纪末经典物理、经典热力学、统计物理学和经典电动力学分别明晰而深刻地描述了机械运动、分子热运动和电磁运动。其中经典力学最为成功，它利用微积分建起了一系列严格的因果关系。科学家曾利用行星轨道的偏差，依据万有引力定律准确地预言了海王星和冥王星的存在。法国天文学家拉普拉斯（1749~1827年）说：“只要知道初始条件及力的变化规律就完全可以确定粒子的运动轨迹。经典物理学家进一步将物质设想成由刚性微粒组成，应用统计方法和经典力学理论，对热学领域开拓研究。法拉弟、麦克斯韦用非经典粒子形态的波或场将电、磁和光统一为同一的电磁现象，创建了经典电动力学，并推导出电磁波在真空中传播的速度刚好是光速。

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日期：2009-10-05　10:31:54

　　也就是在19世纪末。经典物理大厦更是内外均装饰得金碧辉煌。全体物理界人士都在里面舒适地享用牛顿所赐给他们的这一成果，他们也确实再也没有什么需要做的了。19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家）麦克斯韦（1831~1879年）电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束。”
　　但是在这至善至美的经典物理大厦中当人们运用伽里略变换解释光的传播等问题时。发现了一系列尖锐矛盾，从而对经典时间观开始产生疑问。
　　1888年德国物理学家赫兹在实验中发现了光电效应。他发现接收线路中的两个小锌球中的一个受到紫外线照射时，两球之间很容易跳过火花，随后斯托列托夫进一步研究了光对带电物体的影响，发现各种不同金属的板极在紫外线的照射下，都能放出带电粒子形成电流。于是他假定被紫外线击出来的粒子是电子，把这种现象称为光电效应。而光的经典电磁波理论却很尴尬地解释不了光电效应现象。

　　俗语说时事造就英雄，在经典物理大厦里的纭纭众生中有凭借自己超常智力来寻求新奇剌激的娱乐者，也有纯粹为了功利目来的掘金者，在这物理学面临困难的转折关头，历史的重任责无旁贷地落到了另类——物理学的辛勤耕耘者普朗克（1858~1947年）身上。
　　1900年普朗克提出了辐射的量子理论来解决黑体辐射的紫外灾问题。他提出光辐射必须采取一种量子的波包形式，首开了量子理论的先河。他在实验的基础上，提出了能量子概念，开辟了量子力学的探索之路，这也是物理学领域的最伟大发现之一。但可惜的是他把已确立的牛顿力学、麦克斯韦电磁理论奉为绝对不变的圣典，而未能将自己这一伟大发现贯彻到底。整整在量子力学的大门口徘徊了15年而最终并没有迈入，最后又经过先后两次修改后竟又几乎完全否定了自己这一重要的科学发现，并险些放弃他的量子学说。就在这时两位名不经传的小人物——青年科学家爱因斯坦和玻尔，先后从不同的方面推进量子假说，同时创立和发展了量子力学。但当爱因斯坦在1905年推广普朗克量子概念、提出光量子假说并用来解释光电效应时，竟然遭到了普朗克本人的斥责，他大声疾呼，爱因斯坦失足于量子论，背离经典物理学走得太远了。玻尔同样受到了苛刻的非难。1913年秋季，玻尔把普朗克量子假说用于原子结构，引起了物理界的震惊，认为是对经典物理学的亵渎和疯狂。物理学的泰斗们集中质问玻尔，并进行了种种质难，……但玻尔并没有因此而止步，他将毕生精力贡献给量子理论，成为左右量子力学发展的主流学派——哥本哈根学派的公认领袖。量子力学的成长道路也是一波三折异常艰难的。而普朗克直到逝世时也只能遗憾地属于量子力学的怀疑派。

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日期：2009-10-06　11:28:44

　　20世纪初物理学发生了三件大事，一是1905年的狭义相对论；二是1915年的广义相对论；三是1925年的量子力学。而量子力学的诞生则在当时物理界很大范围的人们思想中，意味着宣告了经典物理大厦的彻底崩溃，或者说是与过去的物理学理论体系告别。以后又随之产生了量子场论。
　　爱因斯坦（1879~1955年）是继牛顿之后最伟大的科学家，他是狭义相对论的重要发现者，对最先量子力学的创立具有重大的贡献，独自创建了广义相对论即现代引力论。在牛顿绝对时间、绝对空间中万有引力是以无限速度传递的，而电磁波是以有限速度传播的、当时已经认定光也是电磁波中的一种。最先有人认为它的传递是需要通过一种叫做以太的介质来进行，以太是一种充满整个空间绝对静止的刚体物质，而迈克尔逊——莫雷的实验结果否认了以太的存在。爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论中，将空间和时间组成四维时空，以太的存在就是多余的了。狭义相对论抛弃了牛顿的绝对时空观，导致物理学上一场新的革命。它用尺缩、钟慢来解释真空中的光速是宇宙中的最大的速度。而著名的质能等效公式则是以后核能发展的理论依据。而这时候的年青的爱因斯坦在大学毕业以后，连中学教员的职务都没有谋到，借助于朋友的帮忙才得以在伯尔尼专利局任一名小职员。爱因斯坦说，如果他不发表狭义相对论，五年内必有他人发表。

　　1915年爱因斯坦发表了广义相对论，实质上就是进一步将引力论与狭义相对论结合在了一起。它以时空的曲率来体现引力场，广义相对论将物理定律扩展到对任何坐标的范围。他成功地预言了光线在太阳引力场附近会受到折射。实际上正是他的引力场方程引导人们在以后开创了理论宇宙学。爱因斯坦说如果他没有发表广义相对论则人们至少得等五十年，这个估计还是合情理的。当年伽利略在比萨斜塔所做的自由落体实验，在实质上是说明了引力质量等于惯性质量的等效性，但这一结论却是在整整等待了三百年后才由广义相对论发现的。

　　爱因斯坦提出光子理论，使人们才真正接受光子的存在，这些就是量子力学发现的前奏，1921年爱因斯坦因光子理论而获得诺贝尔物理学奖。其实有不少人认为他在相对论上的贡献更为重要，只是诺贝尔评奖委员会对激进的相对论一直持有相当谨慎的态度，事实上也正因为这，诺贝尔奖迄今为止还未曾对相对论理论颁发过。爱因斯坦在布朗运动、作为激光机制的基础的辐射理论等方面都有着关键性的贡献。

　　相对论是研究大尺度的宇宙的理论，它仅能称为经典理论，它里面没有考虑研讨微观粒子世界的量子力学的不确定性原理。由于爱因斯坦因循守旧地认为宇宙应该是处于一种稳定状态的思想太根深蒂固。虽然他的引力场方程明白显示出宇宙决非是静止的，他却满怀忧心地为此在自己的引力场方程中，特地引进了一项宇宙常数，而心安理得地将宇宙禁锢于稳态；而恰恰是这一不慎之举，从而使人类失去了一次重大的科学预言的机会。直到1929年哈勃根据观察到的光谱红移现象推出哈勃定律。将宇宙归结为正处于膨胀状态，爱因斯坦才后悔地说：“引入宇宙常数是我一生所犯的最大的错误。”他的场方程还得出紧致物体的引力塌缩的解。也就是描述黑洞的解，出于同样的道理他却认为物质不可能如此紧密，著文认为这是荒谬的。

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日期：2009-10-07　10:07:15