量子力学发展简史
文/汪小波
量子力学和相对论是20世纪初最伟大的物理学成就,至今的物理学仍在这两大学科框架内作修修补补的工作。没有量子力学,就没有高科技发展。没有相对论,现代宇宙学就失去了研究基础。“想象比知识更重要”(爱因斯坦)。普朗克对量子概念百思不得其解,爱因斯坦也不接受概率性(“上帝是不掷骰子的”)。但毎一次争论都以量子力学和相对论的正确性而告终,这是科学在走向成熟过程中的一个必经阶段。“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论”(玻尔)。量子力学改变了我们的观念和世界,代表了先进的文化和生产力,成为现代文明发展的基石。量子力学已将我们带入量子计算机这一全新的信息时代。
1900年普朗克提出了量子概念;1905年爱因斯坦提出了光量子概念;1913年提出玻尔原子模型;1915年索末菲修改了玻尔模型;1918年玻尔提出对应原理;1923年康普顿的X射线散射实验证实光的粒子性;1924年德布罗意提出物质波概念;1925年海森堡提出测不准原理和矩阵力学;1926年奥地利物理学家薛定谔建立薛定谔方程,薛定谔、泡利各自独立地发现矩阵力学和波动力学的等价性,狄拉克进一步把矩阵力学和波动力学统一起来,1932年计算机之父的冯·诺依曼也证明了矩阵力学和波动力学的数学等价性。1927年,德布罗意和革末用实验证明了电子的波动性,同年,G.P.汤姆逊通过实验进一步证明了电子的波动性。玻尔对波粒二象性的研究、波恩的概率解释、海森堡的不确定性构成了量子力学哥本哈根的学派;1944年薛定谔在《生命是什么》中试图把量子力学、热力学和生命科学的研究结合起来,他预言生命系统中可能存在迄今未知的其他物理定律;1948年美国科学家根据量子理论发明了晶体管(1956年诺贝尔奖)。1954年鲍林因对化学键本质的研究获诺贝尔化学奖,1962年获诺贝尔和平奖;1966年马利肯因提出分子轨道理论获诺贝尔化学奖;1981年日本科学家福井谦一提出前线轨道理论获诺贝尔化学奖;1981年霍夫曼提出分子轨道对称守恒原理获诺贝尔化学奖;1998年波普尔因发展量子化学计算方法获诺贝尔化学奖,使得根据需要进行分子设计并用实验验证成为可能。由于核能未用于和平目的,一大批国际顶尖物理学家转行研究生物学,引发20世纪生物学革命。1990年将量子共振技术用于肿瘤早期诊断研究。2002年将量子化制剂用于各种疑难杂症以及癌症的治疗。
曼哈顿计划、阿波罗计划和人类基因组计划是20世纪人类科技发展史上的三大创举。通过基因图谱可从分子层次深入到电子的量子层次来治疗人类的各种疑难之症。约尔丹认为突变是一种量子过程,为克里克和沃森提出DNA结构奠定了基础。连续的生命过程是非连续的量子事件构成。人体在宏观上遵循牛顿力学;微观上遵循量子力学。细胞内的生物化学过程都是由超分子体系来执行,像DNA与RNA的合成、蛋白质的表达与分解、脂肪酸合成与分解等,这些会涉及许多量子力学问题。
不慬量子力学原理的医务工作者将很难适应医学的发展。量子力学在医学领域中还有诸多语焉不详之处,但随着研究的深入,会变得越来越清晰。爱因斯坦认为,当知识的圆圈不断扩大时,未知的圆圈也在不断扩大。人体这个分子复合体远比单个分子复杂,量子医学的研究将会遇到许多困难。
1982年法国物理学家证实了微观粒子之间存在量子纠缠现象。同源的两个微观粒子不管被分开多远,对一个粒子扰动,另一个粒子即刻知道。量子纠缠证实了超距作用的存在,宇宙是不可分割的和有联系的整体。量子纠缠也证明了微观粒子具有意识,物质和意识是宇宙中万事万物的两个不同侧面。意识是物质的一个根本特性。物质和精神(意识)是统一不可分割的。科学家认识到在大脑神经层次上无法解释意识,意识是在大脑的微观下出现的,即要研究意识就要在微观的量子的层次上进行研究。“心理是大脑的生理机能” 正在被颠覆。如果人的眼睛能够看到微观,那么就可以看见意识的存在。量子力学可描述微观粒子的物质的一面,意识那一面则无法用量子力学描述。这个新世界观会导致科学和宗教界限的消失。
汪小波,四川省夹江中学退休教师,四川省特级教师。曾任多届夹江县政协常委、夹江中学教科室主任。曾获乐山市优秀人才、乐山市优秀教师、夹江县首届名教师等称号。发表论文论著80多篇(部),有多个教育科研课题获省市成果。
赵文碧,四川省青神县河坝子人,三苏文学社社长、主编,擅长写散文与地方传说,代表作品有《火烧玉蟾寺》、《丞相敬师》等,作品常见于《三苏文学》微信公众号、江山文学网、都市头条、金榜头条、美篇、百度等。
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