科學(xué)前沿與哲學(xué)量子力學(xué)

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1、第5講量子力學(xué)哲學(xué)相對(duì)論：突破牛頓主義的前奏牛頓力學(xué)（1687）：歐幾里得空間，確定慣性系的絕對(duì)時(shí)空，因果決定論的可逆自然律，原子論的粒子本體論。麥克斯韋電磁場(chǎng)論（1873）：靜止以太的絕對(duì)空間，因果決定論的可逆自然律，法拉第力線的場(chǎng)本體論。熱力學(xué)（19世紀(jì)）：因果決定論的不可逆唯象定律，從熱素說(shuō)到分子運(yùn)動(dòng)論（玻爾茲曼）再到唯能論（馬赫）的本體論演變。相對(duì)論以徹底貫徹麥克斯韋的電磁場(chǎng)論，宣告了牛頓力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀和粒子本體論的破產(chǎn)而導(dǎo)致物理學(xué)革命的降臨，但仍然堅(jiān)持牛頓力學(xué)的因果決定論理想：從牛頓力學(xué)，到狹義相對(duì)論，再到廣義相

2、對(duì)論，物理定律的對(duì)稱性不斷擴(kuò)展：不隨慣性系變化的Galileo群→Poicare群→不隨任何參照系變化的Einstein群。牛頓主義勝利在望？麥克斯韋企圖引入以太漩渦來(lái)解釋電磁場(chǎng)，把電磁場(chǎng)論徹底歸結(jié)為牛頓力學(xué)，這是牛頓主義的立場(chǎng)。玻爾茲曼與麥克斯韋的統(tǒng)計(jì)力學(xué)似乎能夠把熱現(xiàn)象歸結(jié)為牛頓力學(xué)支配的分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的宏觀效應(yīng)，但洛西米特提出了可逆性佯謬，彭加勒提出了回歸佯謬；熵的統(tǒng)計(jì)解釋導(dǎo)致了微觀層面因果絕對(duì)論的弱化，而熱力學(xué)時(shí)間箭頭看來(lái)是不可還原的突現(xiàn)性質(zhì)。時(shí)間箭頭似乎來(lái)自初始條件的設(shè)定，或是引入諸如拉普拉斯變換。吳大猷認(rèn)為，經(jīng)典統(tǒng)

3、計(jì)力學(xué)（麥克斯韋，玻爾茲曼，達(dá)爾文-富勒，吉布斯）發(fā)端于微觀概念（分子及分子間的相互作用），但借助系綜和配分函數(shù)來(lái)定義宏觀函數(shù)以描述熱力學(xué)平衡時(shí)物質(zhì)的性質(zhì)。量子統(tǒng)計(jì)也是系統(tǒng)在熱力學(xué)平衡時(shí)的理論。在所有這些理論中，都不包含“隨時(shí)間變化”的概念：如同普里高津所說(shuō)，這是否定“活性物質(zhì)”的理論。量子力學(xué)必須預(yù)設(shè)平衡態(tài)（熱力學(xué)第零定律），但廣義相對(duì)論由于存在大量“同時(shí)性無(wú)法傳遞”的參照系，其中熱力學(xué)第零定律必然失效，進(jìn)而導(dǎo)致普朗克黑體輻射定律失效。也許在熱力學(xué)有效的前提下，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)的任何變化，都要求我們修改量子力學(xué)與廣義相對(duì)論。也

4、許相對(duì)論基本正確，統(tǒng)計(jì)力學(xué)與量子力學(xué)必須修改。A.量子史話普朗克（1900）：黑體輻射定律要求引入能量子概念與微觀粒子全同性的量子統(tǒng)計(jì)，否則可能破缺熱力學(xué)第三定律（瑞利-金斯的紫外災(zāi)難：電磁場(chǎng)無(wú)限自由度+能量均分）。愛(ài)因斯坦：電磁輻射具有熵和比熱，可以視為光子理想氣體系綜（1905）。獨(dú)立的光量子導(dǎo)致維恩公式，經(jīng)典波導(dǎo)致瑞利公式，兩者的結(jié)合才導(dǎo)致普朗克公式（1909）。1916年，密立根等證實(shí)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)解釋。玻色-愛(ài)因斯坦氣體符合熱力學(xué)第三定律（1925）。1926年，劉易斯把光量子稱為“光子”。光子也許就是自約束的

5、電磁波，使得電磁場(chǎng)能量自由度減小，避免高頻的電磁駐波在黑體中無(wú)限擴(kuò)增。1917年，愛(ài)因斯坦考慮熱平衡輻射，引入了自發(fā)輻射，吸收和“負(fù)吸收”的躍遷概率概念。與“負(fù)吸收”有關(guān)的誘發(fā)輻射的概念導(dǎo)致1954年湯斯微波的發(fā)展和1960年激光的發(fā)展。全同粒子與h的物理意義○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○在普朗克的統(tǒng)計(jì)法中，事件就是在以任一頻率振動(dòng)的特定振子中的量子ε的數(shù)目，這與獨(dú)立量子ε在振子系中的分布是截然不同的。例如，取P=3個(gè)全同量子，N=2個(gè)全同盒子，獨(dú)立的可以分辨的量子給出8個(gè)事件，而獨(dú)立的不可分辨的量子只給出

6、4個(gè)事件。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)用相空間dxdp量度事件數(shù)（對(duì)于一個(gè)自由度）。量子的有限性導(dǎo)致與經(jīng)典瑞利公式的偏離，而計(jì)數(shù)事件的非玻爾茲曼方法導(dǎo)致了與維恩公式的偏離。1913年，德拜提出h是統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)中單個(gè)事件相空間的單位，周期運(yùn)動(dòng)的量子化條件：△Φ=△玻色子交換，波函數(shù)不變（對(duì)稱）；費(fèi)米子交換，波函數(shù)變號(hào)（反對(duì)稱）。愛(ài)因斯坦光量子理論愛(ài)因斯坦的光量子理論E=hν及P=h/λ(ν和λ是光波的頻率和波長(zhǎng)光量子愛(ài)因斯坦的光康普頓效應(yīng)根據(jù)經(jīng)典電磁理論，散射的光波長(zhǎng)是不會(huì)改變的。A.H.康普頓（1892~1965）于1922~1923年，在研究X射

7、線射入石墨，金屬等物質(zhì)的散射現(xiàn)象時(shí)，用光子與靜止電子的彈性碰撞解釋了散射光波長(zhǎng)的改變，還得出了波長(zhǎng)移動(dòng)的公式，這就是康普頓效應(yīng)。h?/c=p+h?’/c，h?+m0c2=h?’+mc2。得到Δλ=λc(1-cosθ)=(h/mc)(1-cosθ)λc為康普頓波長(zhǎng)。量子力學(xué)的發(fā)展盧瑟福的原子模型，電子繞核運(yùn)動(dòng)。（按照Maxwell理論，輻射電磁波而不穩(wěn)定）玻爾的理論：定態(tài)式電子唯一可以存在的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，原子具有分立的能量，而躍遷是電子唯一可以進(jìn)行的改變能級(jí)的運(yùn)動(dòng)。這不僅解釋了原子穩(wěn)定性，還理解了氫原子的離散光譜。玻爾定

8、態(tài)與躍遷盧瑟福量子躍遷玻爾綜合了三方面的工作：1，普朗克和愛(ài)因斯坦的E=hv；2，光譜學(xué)經(jīng)驗(yàn)材料?=R[1/n12-1/n22]；3，盧瑟福原子模型。他認(rèn)為，在亞微觀領(lǐng)域，能量仍然守恒。并提出了對(duì)應(yīng)原理：即為新理論設(shè)置經(jīng)典極限（相對(duì)論也有經(jīng)典極限）。當(dāng)躍遷發(fā)生在能量、振動(dòng)頻率等相差極小近乎