張永德《近代量子力學(xué)及疑難問(wèn)題》專題講座lecture5

1、 科學(xué)、物理學(xué)、量子力學(xué) 張永德西方近代科學(xué)科學(xué)中的物理學(xué)物理學(xué)中的量子力學(xué)1 前 言 科研教學(xué)之余，偶或自問(wèn)并思索：現(xiàn)在的眾多自然和工程學(xué)科，習(xí)慣統(tǒng)稱之為近代科學(xué)技術(shù)，它們有沒(méi)有共同的本質(zhì)特征？特別是近代科學(xué)，它如何界定？最基本的特征是怎樣的？它為什么只發(fā)源于西方而未能發(fā)源于中國(guó)？它有局限性嗎？ 從近代科學(xué)問(wèn)題上將眼光收攏，轉(zhuǎn)向物理學(xué)，關(guān)于它也可以提出許多傻問(wèn)題。將眼光再收攏，聚焦在量子力學(xué)上，同樣也可以發(fā)問(wèn)不少傻問(wèn)題。 思索之后，再返回去，就可以用更高、更廣泛的視角再一次來(lái)凝視一番我們?yōu)橹畤I心瀝血的量子力學(xué)。這樣就能更清楚地看到它們的本質(zhì)、相互間的關(guān)聯(lián)、將來(lái)可能發(fā)展的趨向。 所談的個(gè)人思索

2、結(jié)果，當(dāng)然說(shuō)不上是什么結(jié)論。事實(shí)上，其中就可能有片面的，甚至是錯(cuò)誤的東西。作為不成熟的“一得之見(jiàn)”提出來(lái)，是為了交流參考，活躍思想。 2 （一）西方近代科學(xué)3I）近代科學(xué)范圍的界定（1） “實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證” 從實(shí)踐出發(fā) 實(shí)踐檢驗(yàn)?！斑壿嬻w系” 理智、自洽、普適、可量度。 “西方近代科學(xué)” 的五要素：因果性：有因果關(guān)聯(lián)、有實(shí)驗(yàn)響應(yīng)的。 無(wú)任何相互作用、不受任何影響的事物不屬于科學(xué)研究范疇。 “人世界” “鬼世界”；“黑洞” “白洞”世界。普適性：滿足前提下，結(jié)論普適，與觀察人無(wú)關(guān)。 “規(guī)范變換不變?cè)怼?。自洽性：體系內(nèi)部所有結(jié)論是自洽的。4近代科學(xué)范圍的界定（續(xù)2）可重復(fù)性、可檢驗(yàn)性：所有結(jié)論都可以接

3、受檢驗(yàn)。不能重復(fù)、不可檢驗(yàn)的事，不屬于科學(xué)的范疇。可量度性：不可量度的事物不能算近代科學(xué)的范疇。 愛(ài)情 不屬于科學(xué)。那是“糊里又糊涂的”、缺乏理智的、不可度量的。 作曲家的激情。沒(méi)有理性基礎(chǔ)、無(wú)因果關(guān)聯(lián)、不可重復(fù)、無(wú)法檢驗(yàn)、不可量度的命題屬于文學(xué)、藝術(shù)和宗教等的范疇。如來(lái)佛頭上有多少根頭發(fā)？孫悟空體重是多少？梁山伯與祝英臺(tái)的愛(ài)情、人類各種情感各種“笑”; 宗教信仰; 音樂(lè)靈感；5 II）近代科學(xué)的本質(zhì)現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)+ 邏輯演繹 + 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 = “邏輯實(shí)驗(yàn)主義”從經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)象出發(fā)，運(yùn)用邏輯演繹建立一個(gè)邏輯自洽體系。再返回實(shí)踐，經(jīng)受檢驗(yàn)，得到進(jìn)一步修正和發(fā)展 。近代科學(xué)的本質(zhì)是否可以歸納為：唯物的邏輯

4、實(shí)驗(yàn)主義？ 不是只承認(rèn)經(jīng)驗(yàn)、不是概念復(fù)合、符號(hào)主義。而是：承認(rèn)物質(zhì)的客觀存在性、承認(rèn)客觀規(guī)律的物質(zhì)性。 例如：桌子、月亮。物質(zhì)與精神對(duì)立統(tǒng)一體。人腦思維過(guò)程既是精神過(guò)程也是物質(zhì)過(guò)程，是同一過(guò)程兩個(gè)不可分割的側(cè)面。 大致像計(jì)算機(jī)的硬件與軟件。近來(lái)牛津：信息是物理的。哲學(xué)上的對(duì)立統(tǒng)一，人們應(yīng)當(dāng)著重于 “對(duì)立”為斗爭(zhēng)哲學(xué)尋找理論依據(jù)呢？！還是應(yīng)當(dāng)著重于“統(tǒng)一”強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一、強(qiáng)調(diào)共性、強(qiáng)調(diào)團(tuán)結(jié)呢？！ 不管哲學(xué)家如何， 腦科學(xué)家感興趣的是：兩者之間的關(guān)聯(lián)、對(duì)應(yīng)和統(tǒng)一。6 III）近代科學(xué)發(fā)源于西方（1） 西方近代科學(xué)的搖籃是歐幾里德的 “幾何學(xué)原本” 其思維的模式為： 從實(shí)踐中抽出公設(shè) + 邏輯演繹 =構(gòu)成

5、理論 用于實(shí)踐。這種“邏輯 + 實(shí)證”的傳統(tǒng)有曲折的發(fā)展： 15-16世紀(jì)，科學(xué)曾經(jīng)淪為神學(xué)的奴仆（“天使博士”托馬斯阿奎那主張：“科學(xué)是神學(xué)的奴仆”）。 經(jīng)過(guò)哥白尼、布魯洛、加里略的斗爭(zhēng)，使科學(xué)掙脫了侍奉上帝的束縛。對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行觀察、測(cè)量、實(shí)驗(yàn)和分析的近代科學(xué)的理性思維模式逐漸形成。7近代科學(xué)發(fā)源于西方（續(xù)2）中國(guó)有雄厚的技術(shù)史，但確實(shí)沒(méi)有雄厚的科學(xué)史。四大技術(shù)發(fā)明（指南針、造紙術(shù)、火藥、活字印刷）。當(dāng)然，在中國(guó)3千年文明史中有不少科學(xué)成果的亮點(diǎn)。中國(guó)古代對(duì)自然界研究的基本特征：總體而言，中國(guó)古代研究者常常是： “天人合一”的、直覺(jué)的“綜合” 邏輯的、理性的“分析”；中國(guó)古代學(xué)者一般缺乏大

6、塊邏輯思維模式的訓(xùn)練。所以未能生長(zhǎng)出“幾何學(xué)原本”西方近代科學(xué)的胚芽。例證：中醫(yī)和西醫(yī)的基本特征東西方文化和思維模式的對(duì)照。8IV）近代科學(xué)的局限性(1) 西方科學(xué)總體思維模式的局限性：1）人類實(shí)踐有局限性認(rèn)識(shí)局限性公設(shè)局限性。 歐氏幾何羅氏幾何。 中醫(yī)，特別是針灸和肋絡(luò)學(xué)說(shuō)。2）人類認(rèn)知能力有局限性。3）邏輯演繹能力有局限性。 牛頓力學(xué)的創(chuàng)立、量子力學(xué)的創(chuàng)立、基本規(guī)律本身， 都是邏輯推理無(wú)能為力的地方。朗道：理論物理中追求 數(shù)學(xué)嚴(yán)格性往往是自欺欺人其真意也正在此處。4）科學(xué)只能解決物質(zhì)文明問(wèn)題， 并不能夠解決道德文明問(wèn)題。9近代科學(xué)的局限性(續(xù)2)科學(xué)本身是雙刃劍。既可以造福人類，也可以危害

7、人類。 戰(zhàn)爭(zhēng)、環(huán)境污染、高科技犯罪。科學(xué)是振興中國(guó)所必須的、重要的，但不是萬(wàn)能的、包容一切的。 走向極端科學(xué)主義。 科學(xué)與信仰、科學(xué)與宗教 本應(yīng)并行不悖：不能說(shuō)“信仰科學(xué)”：實(shí)質(zhì)上，科學(xué)不是個(gè)“信仰”問(wèn)題，而是一個(gè)“信服”問(wèn)題。 科學(xué)解決物質(zhì)文明； 信仰解決精神文明。 公共汽車車門(mén)踏腳板變心板問(wèn)題。 紐約報(bào)紙載文：“我們已經(jīng)可以把人送上月球，卻無(wú)法讓人從車門(mén)口向車中間挪動(dòng)一步?！?0近代科學(xué)的局限性(續(xù)3)孫中山： 佛教有救世之仁， 佛學(xué)是哲學(xué)之母， 研究佛學(xué)可補(bǔ)科學(xué)之偏。 愛(ài)因斯坦： 沒(méi)有宗教的科學(xué)是瘸子； 沒(méi)有科學(xué)的宗教是瞎子； 楊振寧在五臺(tái)山寺廟的題詞： 科學(xué)與宗教是一家。 （注：未經(jīng)核

8、實(shí)） 只有科學(xué)，沒(méi)有信仰的社會(huì)是自私、放縱的社會(huì)； 只有信仰，沒(méi)有科學(xué)的社會(huì)是貧窮、愚昧的社會(huì)。 世界上，信仰是多種多樣的。 學(xué)會(huì)尊重別人的信仰。11V）科學(xué) + 技術(shù) = 科技？！ 科學(xué)與技術(shù)兩者之間的差別：科學(xué)：對(duì)原理問(wèn)題的研究，是發(fā)現(xiàn)。為滿足人類求知欲望，不帶（或基本不帶）功利目的。 只有第一。技術(shù)：只涉及原理的應(yīng)用，是發(fā)明。有明確的功利目的。不是“只有第一”。英、日、俄各國(guó)文字中，這兩個(gè)詞都是分開(kāi)的！ 吳大猷先生90高齡時(shí)著文近數(shù)百年我國(guó)科學(xué)落后于西方的原因中說(shuō)：“很不幸的，我們?cè)诂F(xiàn)代創(chuàng)用了科技這個(gè)名詞，代表科學(xué)與技術(shù)兩個(gè)（而不是一個(gè)）觀念。但我們目前所注重的問(wèn)題，二者的分別是重要的點(diǎn)

9、?！?現(xiàn)在的關(guān)鍵問(wèn)題是：通過(guò)“科技”一詞， “科學(xué)”被“技術(shù)”所取代！ 李約瑟巨著“中國(guó)的科學(xué)與文明（Science and Civilization in China）”竟被譯成為 。 12（二）科學(xué)中的物理學(xué)13I）甚么是物理學(xué)？它是研究物質(zhì)世界最基本、最深層次規(guī)律的科學(xué)分枝，是在最基礎(chǔ)層面上研究物資運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。杜甫：公元758年唐肅宗乾元元年曲江二首之一： 物理學(xué)是西方邏輯實(shí)證主義科學(xué)的典型體現(xiàn)。一片飛花減卻春 風(fēng)飄萬(wàn)點(diǎn)正愁人且看欲盡花經(jīng)眼 莫厭傷多酒入唇江上小堂巢翡翠 花邊高冢臥麒麟細(xì)推物理須行樂(lè) 何用浮名絆此身錄全唐詩(shī)上四函三冊(cè)分目杜甫第五四七頁(yè)14II）物理學(xué)與人類文明之一物理

10、學(xué)是自然科學(xué)的領(lǐng)袖：重大進(jìn)展都與它密切相關(guān)：原子能、計(jì)算機(jī)、電子技術(shù) 。本身分流眾多：近代力學(xué)、近代熱機(jī)學(xué)和燃燒學(xué)、電子工程、半導(dǎo)體工程、光機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)向其他科學(xué)滲透巨大：近代化學(xué)、近代生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)（24對(duì)遺傳基因、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、經(jīng)典通訊 量子通訊 ）15物理學(xué)與人類文明之二物理學(xué)是人類文明的第一推動(dòng)力。1687年，牛頓自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理發(fā)表，標(biāo)志經(jīng)典物理學(xué)的誕生。經(jīng)典物理學(xué)一誕生便推動(dòng)了其后的第一次工業(yè)革命，帶給人類第一次物質(zhì)文明的飛躍。19世紀(jì)末到20世紀(jì)末，以量子力學(xué)和相對(duì)論（以及電磁理論）為支柱的近代物理學(xué)推動(dòng)了第二次科學(xué)和技術(shù)的大發(fā)展。為人類帶來(lái)第二次物質(zhì)文明的大

11、飛躍20世紀(jì)物質(zhì)文明的大飛躍。16物理學(xué)與人類文明之三“經(jīng)典物理學(xué)”和“近代物理學(xué)”已經(jīng)分別為人類帶來(lái)了兩次物質(zhì)文明的大飛躍。 下一次第三次物質(zhì)文明的大飛躍又由誰(shuí)來(lái)發(fā)動(dòng)呢？將由量子力學(xué)，量子力學(xué)向生命科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)等各門(mén)學(xué)科的應(yīng)用所發(fā)動(dòng)。17（三）物理學(xué)中的 量子力學(xué)18I）量子理論的誕生 量子論的生日1900年12月14日。 M. Planck： 在柏林物理學(xué)會(huì)上報(bào)告他的公式（普朗克公式）的量子說(shuō)明輻射能量在吸收或發(fā)射時(shí)以整個(gè)量子進(jìn)行，頻率為 的輻射振子的能量為 。 這就宣告了量子論的誕生。 M. Planck, , 4(1901)553.19 II）量子力學(xué)是甚么？量子力學(xué)是什么

12、？ 量子力學(xué)，更廣泛地說(shuō)量子理論，是研究微觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的基本規(guī)律的科學(xué)。 由于我們宏觀物質(zhì)全是由微觀物質(zhì)組成的，宏觀世界全部建立在微觀世界上面。因此，量子力學(xué)便無(wú)處不在、普遍適用。20III）自誕生起至今，它的勢(shì)頭（1） 自從量子理論誕生以來(lái)，它的發(fā)展和應(yīng)用一直廣泛深刻地影響、促進(jìn)和觸發(fā)人類物質(zhì)文明的大飛躍。近80年的人類全部歷史可以作證。 如果還不信，舉例，可以把所有學(xué)科名稱前面冠以“量子”二字，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：已經(jīng)形成或?qū)⒁纬梢婚T(mén)新的理論、一門(mén)新的學(xué)問(wèn)。物理學(xué)內(nèi)部就有很多這種情況。不必說(shuō)物理學(xué)中以量子力學(xué)為主要理論支柱的學(xué)科；單是直接添加這兩個(gè)字就形成新學(xué)問(wèn)的就有：光學(xué)量子光學(xué)電子學(xué)量

13、子電子學(xué)電動(dòng)力學(xué)量子電動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)經(jīng)典場(chǎng)論量子場(chǎng)論在物理學(xué)之外也是大量的：化學(xué)量子化學(xué)生物學(xué)量子生物學(xué)宇宙學(xué)量子宇宙學(xué)網(wǎng)絡(luò)量子網(wǎng)絡(luò)信息論量子信息論計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)就連投機(jī)家所羅斯的基金會(huì)也時(shí)髦的冠以“量子”二字：“量子基金會(huì)”21自誕生起至今，它的勢(shì)頭（續(xù)2）百年（19012002）來(lái)總共頒發(fā) Nobel Prize 96 次（其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未頒獎(jiǎng)） 單就物理獎(jiǎng)而言：直接由量子理論得獎(jiǎng) 或與量子理論密切相關(guān)而得獎(jiǎng)的次數(shù)有 57 次 （直接由量子理論得獎(jiǎng)25次）22自誕生起至今，它的勢(shì)頭（續(xù)3）Nature雜志2000年總結(jié)10

14、0年來(lái)在它上面發(fā)表的文章。從登載的數(shù)千篇文章中精選出21篇具有里程碑性的文章。其中與量子力學(xué)有關(guān)的竟占14篇。量子理論自20世紀(jì)20年代創(chuàng)立以來(lái)，直到現(xiàn)在，已逐步成為核物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理、超流和超導(dǎo)物理、半導(dǎo)體物理、激光物理等眾多物理分支學(xué)科的共同理論基礎(chǔ)。而且在量子理論的框架內(nèi)建立了弱電統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模型；量子理論進(jìn)入了宇宙起源和黑洞理論。總之，量子理論誕生后這80年來(lái)的發(fā)展，使得： 量子理論成為整個(gè)近代物理學(xué)的共同理論基礎(chǔ)。23IV）自20世紀(jì)80年代以來(lái)，量子力學(xué)又有很大發(fā)展（除BEC及其應(yīng)用這一大塊之外）量子信息論和量子計(jì)算機(jī)：位(bit)量子位(qubit)既是Yes又是No：

15、|Yes+|No存貯器量子存貯器各個(gè)位不一定有確定的狀態(tài)邏輯門(mén)量子邏輯門(mén)網(wǎng)絡(luò)量子網(wǎng)絡(luò)算法量子算法DeutschDFTShorGrover并行計(jì)算、超高速、超大容量通訊量子通訊超大容量、天然保密編碼量子編碼密碼量子密碼密鑰量子密鑰經(jīng)典可克隆量子不可克隆經(jīng)典克隆是硬件克??；量子克隆是軟硬件全部克隆，原理上不可能經(jīng)典通訊的定域傳播量子通訊的非定域傳播24 例如：Lov K. Grover“Quantum Mechanics Helps in Searchingfor a Needle in a Haystack”P(pán)hysical Review Letters, Vol. 79, No. 2, 199

16、7“量子力學(xué)幫助在干草堆里找一根針”物理評(píng)論快報(bào)，第79卷，第2期，1997年25V）當(dāng)前量子力學(xué)的重要應(yīng)用量子生物學(xué)量子生命科學(xué)量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)量子化學(xué)量子材料科學(xué)量子信息科學(xué)量子計(jì)算機(jī)科學(xué)BEC器件、原子器件目前，它正在向材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)大規(guī)模滲透。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)它將會(huì)成為整個(gè)近代科學(xué)共同的理論基礎(chǔ)26VI）量子力學(xué)的基礎(chǔ)和邏輯框架（1）量子力學(xué)的主要線索： 2兩組基本實(shí)驗(yàn)：波性、粒子性實(shí)驗(yàn) 1一個(gè)基本圖象：波粒二象性 3三大基本特征：或然、分立、不確定性 5五大基本公設(shè)：波函數(shù)、算符、測(cè)量、 動(dòng)力學(xué)方程、全同性原理 另有： 3測(cè)量過(guò)程的3階段：糾纏分解、波包塌縮、

17、 初態(tài)演化 2兩種因果律：決定論的、或然的 1一個(gè)中心任務(wù)：幾率幅計(jì)算27量子力學(xué)的基礎(chǔ)和邏輯框架（續(xù)2）兩類實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)微觀粒子具有波粒二象性光原是“波”現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它又具有粒子性電子原是“粒子”現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它又具有波動(dòng)性實(shí)驗(yàn)給出微觀粒子一個(gè)基本圖象波粒二象性（對(duì)波動(dòng)的）Einstein 關(guān)系：（對(duì)粒子的）de Broglie 關(guān)系：量子力學(xué)的總結(jié)：（派生出的）三大基本特征：幾率幅描述量子化現(xiàn)象不確定性關(guān)系28量子力學(xué)的基礎(chǔ)和邏輯框架（續(xù)3）（歸納成）邏輯結(jié)構(gòu) 五大公設(shè)：第一公設(shè)波函數(shù)公設(shè)第二公設(shè)算符公設(shè)第三公設(shè)測(cè)量公設(shè)第四公設(shè)動(dòng)力學(xué)演化公設(shè): Schrdinger 方程公設(shè)第五公設(shè)微觀粒子全同性原理公設(shè)量子測(cè)量的三個(gè)過(guò)程：糾纏分解波包塌縮（隨機(jī)、不可逆、破壞相干性、非定域）初態(tài)演化兩種因果律的交織第一類態(tài)變化：狀態(tài)演化 運(yùn)動(dòng)方程初條件。決定論的、可逆的、保持相干性。第二類態(tài)變化：狀態(tài)測(cè)量 這是一次隨機(jī)的、不可逆的、破壞相干性的、非定域的 “選擇”。一個(gè)中心任務(wù)的改變：“ 非對(duì)易代數(shù)運(yùn)動(dòng)方程 算符方程求解 ” 到“ 幾率幅約束條件 路 徑積分計(jì)算 ”。29假如一個(gè)人不為量子論感到困惑，那他就是沒(méi)有明白量子論。 尼爾斯