天大考研资料 物理化学第八章 量子力学3

1第八章第八章 量子力学基础量子力学基础2 物理的书都充满了复杂的数学公式。可物理的书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。论的开端。爱因斯坦爱因斯坦3引言引言光是什么？光是什么？自古以来光在人们心目中，光永远代表着生命、自古以来光在人们心目中，光永远代表着生命、活力和希望，更由此演绎出了数不尽的故事与传说。活力和希望，更由此演绎出了数不尽的故事与传说。让光来吧！让光来吧！创世纪创世纪自然及其规则隐藏在黑夜之中；自然及其规则隐藏在黑夜之中；上帝说：上帝说：“让牛顿去吧让牛顿去吧”于是，一切豁然开朗。于是，一切豁然开朗。蒲柏为牛顿撰写的墓志铭蒲柏为牛顿撰写的墓志铭4 自古以来人们一直认为自古以来人们一直认为光是白色的，光速是无穷大光是白色的，光速是无穷大的。的。公元前公元前350350年，年，亚里士亚里士多德多德提出光速是无穷大的。提出光速是无穷大的。可是可是光究竟是一种什么东西？光究竟是一种什么东西？公元前公元前384384前前322322 古希腊时代，人们倾古希腊时代，人们倾向于把光看成是一种非常向于把光看成是一种非常细小的粒子流，认为光是细小的粒子流，认为光是由一粒粒非常小的由一粒粒非常小的“光原光原子子”组成。这种理论人们组成。这种理论人们称之为光的称之为光的“微粒说微粒说”。5 微粒说从直观上看来很有道理，首先它可以很好微粒说从直观上看来很有道理，首先它可以很好地解释光为什么总是沿着直线前进，为什么会严格而地解释光为什么总是沿着直线前进，为什么会严格而经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同介经典地反射，甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度不同得到解释。质里的速度不同得到解释。但粒子说也有一些显而易见的困难：比如当时人但粒子说也有一些显而易见的困难：比如当时人们很难说清为什么两道光束相碰时不会弹开？这些细们很难说清为什么两道光束相碰时不会弹开？这些细小的光粒子在点灯之前藏在何处？它们的数量是不是小的光粒子在点灯之前藏在何处？它们的数量是不是无限多？无限多？在黑暗的中世纪过去之后，人们对自然界有了进在黑暗的中世纪过去之后，人们对自然界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究，声音是一步的认识。波动现象被深入地了解和研究，声音是一种波动的认识也进一步深入人心。十七世纪初，笛一种波动的认识也进一步深入人心。十七世纪初，笛卡尔率先提出，光可能是一种压力，在媒质里传播。卡尔率先提出，光可能是一种压力，在媒质里传播。6 不久，意大利的一位数学教授不久，意大利的一位数学教授格里马格里马第做了一个实第做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔，照到暗室的屏幕上，发验，他让一束光穿过两个小孔，照到暗室的屏幕上，发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。他联想到水波现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。他联想到水波的衍射，提出光可能是一种类似水波的波动。这是最早的衍射，提出光可能是一种类似水波的波动。这是最早的光的光“波动说波动说”。波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由介质的波动说认为，光不是一种物质粒子，而是由介质的振动而产生的一种波。但波动说有一个基本的难题：既振动而产生的一种波。但波动说有一个基本的难题：既然波本身是介质的振动，那它必须在某种介质中才能传然波本身是介质的振动，那它必须在某种介质中才能传播。比如声音沿着空气、水乃至固体前进，但在真空里播。比如声音沿着空气、水乃至固体前进，但在真空里无法传播。无法传播。波动说假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的波动说假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮的名字，叫做传播，这种介质有一个十分响亮的名字，叫做“以太以太”。7 光的波动说就是在这样一种奇妙的气氛中，登上光的波动说就是在这样一种奇妙的气氛中，登上了历史舞台。这个新生力量似乎与微粒说是前世冤家了历史舞台。这个新生力量似乎与微粒说是前世冤家，它们注定要展开一场长达数个世纪的战争。，它们注定要展开一场长达数个世纪的战争。1717世纪世纪中期，正是科学黎明将要到来之前那最后的黑暗，谁中期，正是科学黎明将要到来之前那最后的黑暗，谁也无法预见着两朵小火花即将要引发一场熊熊大火。也无法预见着两朵小火花即将要引发一场熊熊大火。两支力量起初并没有什么大的冲突。导致第一次两支力量起初并没有什么大的冲突。导致第一次“波粒战争波粒战争”的导火索是波义尔在的导火索是波义尔在16631663年提出的一个年提出的一个理论：他认为我们看到的各种颜色，其实不是物体本理论：他认为我们看到的各种颜色，其实不是物体本身的属性，而是光照上去才产生的结果。这本身不牵身的属性，而是光照上去才产生的结果。这本身不牵涉到波粒问题，但却引起了对颜色属性的激烈争论。涉到波粒问题，但却引起了对颜色属性的激烈争论。8 波义尔的助手波义尔的助手胡克胡克重复重复了格里马第的实验，并仔细了格里马第的实验，并仔细观察了光在肥皂泡里映射出观察了光在肥皂泡里映射出的色彩及光通过云母片而产的色彩及光通过云母片而产生的光辉。根据他的判断，生的光辉。根据他的判断，光是某种快速的脉冲。他在光是某种快速的脉冲。他在16651665年出版的年出版的显微术显微术中中明显的支持波动说。明显的支持波动说。显显微术微术是一本划时代的伟大是一本划时代的伟大著作，它很快为胡克赢得了著作，它很快为胡克赢得了世界性的学术声誉。波动说世界性的学术声誉。波动说由于他的加入，一时占了上由于他的加入，一时占了上风。风。罗伯特罗伯特胡克：胡克：1635-1703 9 但但1666年，年，牛顿牛顿用三棱用三棱镜发现白光是由多种彩色光镜发现白光是由多种彩色光组成的，并提出光是由类似组成的，并提出光是由类似“微粒微粒”的东西所组成，的东西所组成，光的复合和分解是不同颜色光的复合和分解是不同颜色的微粒的混合与分开。的微粒的混合与分开。牛顿牛顿Sir Isaac Newton （16421727）10 胡克与牛顿之间展开了一场长达二十多年的战争，胡克与牛顿之间展开了一场长达二十多年的战争，直到直到1703年胡克逝世后年胡克逝世后 ，牛顿终于出版了他的辉煌巨，牛顿终于出版了他的辉煌巨著著光学光学。在之后的。在之后的100100年间微粒说始终占据了主导年间微粒说始终占据了主导地位。地位。1676年，丹麦天文学家年，丹麦天文学家罗默罗默发现光的速度为发现光的速度为298050 km/秒秒。（与现在的。（与现在的299792 km/秒秒 非常接近）非常接近）光是白色的，但它包含多种颜色；光是以有限速度光是白色的，但它包含多种颜色；光是以有限速度传播的；光似乎是由粒子组成的。这些是人们在传播的；光似乎是由粒子组成的。这些是人们在18世纪世纪初得到的共识，之后初得到的共识，之后200年间几乎没有多大发展。年间几乎没有多大发展。11 然而然而1867年英国科学家年英国科学家托托马斯马斯.杨杨出版了出版了自然哲学讲自然哲学讲义义一书，书中第一次描述了一书，书中第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉双缝干涉当光穿过两道平当光穿过两道平行的狭缝时，会在后面的幕布行的狭缝时，会在后面的幕布上形成一系列明暗交替的条纹上形成一系列明暗交替的条纹。这个实验成为物理学史上最。这个实验成为物理学史上最 杨的著作点燃了物理史上的杨的著作点燃了物理史上的“第二次波粒战争第二次波粒战争”。1821年法国科学家年法国科学家菲涅尔菲涅尔提出光的横波理论，成功提出光的横波理论，成功解释了偏振现象。解释了偏振现象。经典的五个实验之一。杨从波的叠加完美地解释了波的经典的五个实验之一。杨从波的叠加完美地解释了波的干涉和衍射现象。干涉和衍射现象。红滤色片单缝双缝S1SS2屏幕12 1856年、年、1861年和年和1865年伟大的年伟大的麦克斯韦麦克斯韦连连续发表了三篇关于电磁理续发表了三篇关于电磁理论的论文，预言光实质上论的论文，预言光实质上是一种电磁波。是一种电磁波。1887年赫年赫兹在德国兹在德国Karlsruhe大学用大学用实验证明了这一理论预言实验证明了这一理论预言。一时间波动的光辉达到。一时间波动的光辉达到了顶点，而它所依赖的基了顶点，而它所依赖的基础，就是麦克斯韦不朽的础，就是麦克斯韦不朽的电磁理论。电磁理论。（1831-1879）13 物理学征服了世界。在物理学征服了世界。在19世纪末，它的力量控制着一世纪末，它的力量控制着一切人们所知的现象。经典力学、经典电动力学、经典热力切人们所知的现象。经典力学、经典电动力学、经典热力学加上统计力学形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地学加上统计力学形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一起，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。这是一段结合在一起，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。这是一段伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。人们开始倾伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。人们开始倾向于认为：物理学已经终结，不会再有任何激动人心的发向于认为：物理学已经终结，不会再有任何激动人心的发现了。有人甚至说，物理学的未来只能在小数点六位后面现了。有人甚至说，物理学的未来只能在小数点六位后面去寻找了。去寻找了。在在19世纪最后几年，一连串意想不到的事情发生了：世纪最后几年，一连串意想不到的事情发生了：1895年，伦琴发现了年，伦琴发现了X射线；射线；1896年，贝克勒尔发现了铀元素的放射现象；年，贝克勒尔发现了铀元素的放射现象；1897年，居里夫妇发现了更多的放射元素：钍、钋年，居里夫妇发现了更多的放射元素：钍、钋 、镭；、镭；1897年，研究阴极射线时，发现了电子；年，研究阴极射线时，发现了电子；14 1900年年12月月14日德国物理学家日德国物理学家普普朗克朗克在德国物理学会上宣读了他那篇在德国物理学会上宣读了他那篇名留青史的论文名留青史的论文黑体光谱中的能量黑体光谱中的能量分布分布，他指出：，他指出：黑体被加热时辐射黑体被加热时辐射的能量是一份一份的的能量是一份一份的，为一最小能量为一最小能量 h 的整数倍的整数倍，他将这一份份的东西，他将这一份份的东西称为称为“量子量子”。Ludwig Planck1858-1947这是量子物理的第一篇文章。其中这是量子物理的第一篇文章。其中 h 后来被称为普后来被称为普朗克常数，它竟是构成我们整个宇宙最为重要的朗克常数，它竟是构成我们整个宇宙最为重要的3个基本个基本物理常数之一（另两个是引力常数物理常数之一（另两个是引力常数g和光速和光速c）。）。15 1905年，年，爱因斯坦爱因斯坦阅读了阅读了普朗克的论文并研究了光电效普朗克的论文并研究了光电效应的实验，他感到，对于光来应的实验，他感到，对于光来说，量子化也是一种必然。他说，量子化也是一种必然。他提出了提出了“光量子光量子”的概念，的概念，提出了提出了光的粒子性光的粒子性。并提出了。并提出了关于光速的关于光速的狭义相对论狭义相对论。Albert Einstein1879-195516 光电效应与电磁理论是矛盾的：电磁理论认为，光电效应与电磁理论是矛盾的：电磁理论认为，光作为一种波动，它的强度代表了它的能量，增强光光作为一种波动，它的强度代表了它的能量，增强光的强度应能打出更高能量的电子。但实验表明，增加的强度应能打出更高能量的电子。但实验表明，增加光的强度只能打出更多数量的电子，而不能增加电子光的强度只能打出更多数量的电子，而不能增加电子的能量。的能量。而用光量子的概念则非常容易解释光电现象：频而用光量子的概念则非常容易解释光电现象：频率高的光线，它的单个量子要比频率低的光线含有更率高的光线，它的单个量子要比频率低的光线含有更高的能量高的能量(E=h)，因此当它的量子作用到金属表面时，因此当它的量子作用到金属表面时，就能够激发出更高动能的电子来。而量子的能量和，就能够激发出更高动能的电子来。而量子的能量和光线的强度没有关系，强光只不过包含了更多数量的光线的强度没有关系，强光只不过包含了更多数量的光量子而已，所以它只能够激发出更多数量的电子。光量子而已，所以它只能够激发出更多数量的电子。17 科学史上有两个年份可称为奇迹年，它们和两个科学史上有两个年份可称为奇迹年，它们和两个天才的名字紧紧相连。这两个年份分别是天才的名字紧紧相连。这两个年份分别是1666年年和和1905年年，那两个天才便是，那两个天才便是牛顿牛顿和和爱因斯坦爱因斯坦。1666年年23岁的岁的牛顿牛顿为了躲避瘟疫，回到了乡下的为了躲避瘟疫，回到了乡下的老家度假。在那段日子里，他一个人独立完成了几项老家度假。在那段日子里，他一个人独立完成了几项开天辟地的工作：发明了开天辟地的工作：发明了微积分微积分，完成了，完成了光分解的实光分解的实验验分析、以及分析、以及万有引力万有引力的开创性思考。在那一年，他的开创性思考。在那一年，他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础，而其为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础，而其中的任何一项工作，都足以让他名列有史以来最伟大中的任何一项工作，都足以让他名列有史以来最伟大的科学家之列。很难想象，一个人的思维何以能够在的科学家之列。很难想象，一个人的思维何以能够在如此短的时间内涌动如此多的灵感，人们只能用奇迹如此短的时间内涌动如此多的灵感，人们只能用奇迹来表示这一年，称之为奇迹年。来表示这一年，称之为奇迹年。18 1905年年26岁的岁的爱因斯坦爱因斯坦也是如此。在专利局里蜗居也是如此。在专利局里蜗居的他在这一年写出了的他在这一年写出了6篇论文：篇论文：3月月18日是关于日是关于光电效应光电效应的文章，这成为了量子论的文章，这成为了量子论的奠基石之一；的奠基石之一；4月月30日，关于日，关于测量分子大小测量分子大小的论文，的论文，这为他赢得了博士学位；这为他赢得了博士学位；5月月11日和后来的日和后来的12月月19日，日，两篇关于两篇关于布朗运动布朗运动的论文，成了分子论的里程碑；的论文，成了分子论的里程碑；6月月30日题为日题为论运动物体的电动力学论运动物体的电动力学的论文，后被加上的论文，后被加上了一个如雷贯耳的名称了一个如雷贯耳的名称狭义相对论狭义相对论；9月月27日，关日，关于于物体惯性和能量物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的进一步说的关系，这是狭义相对论的进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程明，并且在其中提出了著名的质能方程E=mc2。很难想象这一切都是在专利局的办公室里，一个人很难想象这一切都是在专利局的办公室里，一个人用纸和笔完成的，这只能用奇迹来描述。用纸和笔完成的，这只能用奇迹来描述。为了纪念为了纪念1905年的光辉，人们把年的光辉，人们把100年后的年后的2005年年定为定为“国际物理年国际物理年”。19 光量子的假说引发了光量子的假说引发了“第三次波粒战争第三次波粒战争”，卷土重，卷土重来的微粒军团装备了最先进的武器：光电效应和康普顿来的微粒军团装备了最先进的武器：光电效应和康普顿效应，令波动军团节节败退。效应，令波动军团节节败退。虽然在光电问题上波动论无能为力，但波动之父虽然在光电问题上波动论无能为力，但波动之父托托马斯马斯杨杨的精神在他身后百年之后仍然光耀着波动的战的精神在他身后百年之后仍然光耀着波动的战旗。在每一间中学物理实验室中，明暗相间的干涉条纹旗。在每一间中学物理实验室中，明暗相间的干涉条纹不容置疑地向人们表明它的波动性。麦克斯韦芳华绝代不容置疑地向人们表明它的波动性。麦克斯韦芳华绝代的方程组仍然每天给出预言，而电磁波也仍然按照那优的方程组仍然每天给出预言，而电磁波也仍然按照那优美的预言以美的预言以30万公里每秒的速度行动，既没有快一点，万公里每秒的速度行动，既没有快一点，也没有慢一点。也没有慢一点。波粒之争陷入了僵局。波粒之争陷入了僵局。光到底是什么？光到底是什么？20 1910年，年，卢瑟福卢瑟福和他和他的学生们进行了一次名留的学生们进行了一次名留青史的实验：用青史的实验：用 粒子轰粒子轰击金箔，结果发现了击金箔，结果发现了原子原子核核，进而提出了被称为，进而提出了被称为“行星系统行星系统”的原子核模型的原子核模型。但该模型却不能用麦克。但该模型却不能用麦克斯韦电磁理论来解释，因斯韦电磁理论来解释，因按电磁理论，这样的体系按电磁理论，这样的体系会不可避免地释放出辐射会不可避免地释放出辐射能量，最终导致体系的崩能量，最终导致体系的崩溃。溃。Ernest Rutherford 1871193721 1912年年玻尔玻尔以极大的勇以极大的勇气选择放弃伟大的电磁理论气选择放弃伟大的电磁理论，他预言，在原子这样小的，他预言，在原子这样小的层次上，经典理论将不再成层次上，经典理论将不再成立，新的革命性思想必须被立，新的革命性思想必须被引入，这就是普朗克的量子引入，这就是普朗克的量子以及他的以及他的h 常数。常数。玻尔研究了当时发现的玻尔研究了当时发现的许多元素的光谱线，提出了许多元素的光谱线，提出了一个大胆的假设：电子在围一个大胆的假设：电子在围绕原子核运动时，只能处于绕原子核运动时，只能处于一些特定的能量状态一些特定的能量状态(轨道轨道)，而这些能量状态是不连续的而这些能量状态是不连续的，因此电子在这些轨道之间，因此电子在这些轨道之间跃迁时，只能释放出符合一跃迁时，只能释放出符合一定规律的能量来。定规律的能量来。Niels Bohr，1885-196222 玻尔的模型异常精确地说明了氦离子的光谱，并预玻尔的模型异常精确地说明了氦离子的光谱，并预测了一些新的谱线，这些谱线都很快为实验所证明。波测了一些新的谱线，这些谱线都很快为实验所证明。波尔为此获得尔为此获得1922年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。谁也没想到，如此伟大的一个理论，就像一颗耀眼谁也没想到，如此伟大的一个理论，就像一颗耀眼的火流星，转瞬即逝。对于解释具有两个核外电子的普的火流星，转瞬即逝。对于解释具有两个核外电子的普通氦原子，以及氢分子的光谱，波尔的理论则无能为力通氦原子，以及氢分子的光谱，波尔的理论则无能为力，它只兴盛了，它只兴盛了13年。但它让人们看到了量子在物理世界年。但它让人们看到了量子在物理世界里的伟大意义，并第一次利用它的力量去揭开原子内部里的伟大意义，并第一次利用它的力量去揭开原子内部的神秘面纱。它的伟大意义却不因为其短暂的生命而有的神秘面纱。它的伟大意义却不因为其短暂的生命而有任何的退色。它挖掘出了量子的力量，为未来的开拓者任何的退色。它挖掘出了量子的力量，为未来的开拓者铺平了道路。铺平了道路。当玻尔的原子还在泥潭中深陷无法自拔时，新的革当玻尔的原子还在泥潭中深陷无法自拔时，新的革命已在酝酿之中。这一次革命者来自法国的贵族德布罗命已在酝酿之中。这一次革命者来自法国的贵族德布罗意王子。意王子。23 1924年年德布罗意德布罗意提提出了一个计算电子等出了一个计算电子等微微粒波长粒波长的公式：的公式：E=h ,p=h/E，p 体现了电子的体现了电子的粒性，粒性，体现了电子体现了电子的波性。的波性。Louis de Broglie,1892198724 德布罗意在他的博士论文中提出电子是一种相德布罗意在他的博士论文中提出电子是一种相波，后来人们把它称为德布罗意波。当时人们认为波，后来人们把它称为德布罗意波。当时人们认为，这只是一个方便的理论假设，而非物理事实。但，这只是一个方便的理论假设，而非物理事实。但爱因斯坦在点评该论文时，却马上给予高度评价，爱因斯坦在点评该论文时，却马上给予高度评价，称德布罗意称德布罗意“揭开了大幕的一角揭开了大幕的一角”。整个物理学界。整个物理学界大吃一惊，才开始关注德布罗意的工作。大吃一惊，才开始关注德布罗意的工作。德布罗意的公式德布罗意的公式1927年得到了证实。年得到了证实。德布罗意德布罗意因成功描述量子波动力学而获得因成功描述量子波动力学而获得1929年的诺贝尔物年的诺贝尔物理学奖。德布罗意是有史以来第一个仅借博士论文理学奖。德布罗意是有史以来第一个仅借博士论文就直接获得诺贝尔奖的人，他的博士学位是颁发过就直接获得诺贝尔奖的人，他的博士学位是颁发过的含金量最高的学位。的含金量最高的学位。25 1924年年23岁的德国物理学岁的德国物理学家家海森堡海森堡博士受玻尔的邀请到博士受玻尔的邀请到哥本哈根玻尔的研究所工作了哥本哈根玻尔的研究所工作了一年，感受到了哥本哈根的一年，感受到了哥本哈根的“量子气氛量子气氛”。回到哥廷根后海。回到哥廷根后海森堡重新研究氢原子的谱线问森堡重新研究氢原子的谱线问题。他先采取虚振子的方法，题。他先采取虚振子的方法，但所遇到的数学困难几乎是不但所遇到的数学困难几乎是不可克服的。他决定换一种方法可克服的。他决定换一种方法，从电子在原子中的运动出发，从电子在原子中的运动出发，先建立基本的运动模型。事，先建立基本的运动模型。事实证明他的路走对了，新的量实证明他的路走对了，新的量子力学就要被建立起来，但那子力学就要被建立起来，但那却是人们之前连想都不敢想的却是人们之前连想都不敢想的形式形式矩阵。矩阵。Werner Karl Heisenberg 1901-197626 1925年海森堡到英国剑年海森堡到英国剑桥讲学，他对自己的发现心桥讲学，他对自己的发现心中还没有底。但剑桥年青的中还没有底。但剑桥年青的学者学者狄拉克狄拉克很快把握住了海很快把握住了海森堡体系的精髓森堡体系的精髓奇怪的奇怪的矩阵乘法规则：矩阵乘法规则：p q q p。狄拉克狄拉克用更简洁的方法得到用更简洁的方法得到这一结论。这一结论。Paul Adrien Maurice Dirac，19021984 狄拉克创立了量子电动力学，建立狄拉克创立了量子电动力学，建立“狄拉克方程狄拉克方程”，预言存在正电子，预言存在正电子，还预言存在反粒子，提出存在反物质。还预言存在反粒子，提出存在反物质。狄拉克于狄拉克于1928年建立狄拉克方程。这个貌似简单的方程式被认为是惊天年建立狄拉克方程。这个貌似简单的方程式被认为是惊天动地的成就，是划时代的里程碑：它对原子结构及分子结构都给予了新的层动地的成就，是划时代的里程碑：它对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极准确的了解。没有这个方程，就没有今天的原子、分子物理学与面和新的极准确的了解。没有这个方程，就没有今天的原子、分子物理学与化学。没有狄拉克引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像化学。没有狄拉克引进的观念就不会有今天医院里通用的核磁共振成像（MRI）技术，不过，这项技术实际上只是狄拉克方程的一项很小的应用。）技术，不过，这项技术实际上只是狄拉克方程的一项很小的应用。27 1927年年海森堡海森堡从从p q q p出发出发提出测不准原理：提出测不准原理：不不可能同时知道亚原子可能同时知道亚原子(电子电子)的位置或速度。的位置或速度。p q q p暗示了先观测动量暗示了先观测动量p，再观测位置，再观测位置q，与先，与先观测位置观测位置q，再观测动量，再观测动量p的结果是不一样的。的结果是不一样的。我们测量物体的位置必须看到它：得有某个光子从我们测量物体的位置必须看到它：得有某个光子从光源出发，撞到物体身上，然后反弹到你的眼睛中。但光源出发，撞到物体身上，然后反弹到你的眼睛中。但对于像电子这样小的物体，我们派光子去执行这一任务对于像电子这样小的物体，我们派光子去执行这一任务，光子回来报告说：我接触到了这个电子，但它被我狠，光子回来报告说：我接触到了这个电子，但它被我狠狠撞了一下后，不知飞到什么地方去了。为了测量电子狠撞了一下后，不知飞到什么地方去了。为了测量电子的位置，我们剧烈地改变了它的速度，也就是动量。所的位置，我们剧烈地改变了它的速度，也就是动量。所以我们不可能同时既准确地知道一个电子的位置，同时以我们不可能同时既准确地知道一个电子的位置，同时又准确地知道它的动量。又准确地知道它的动量。28 海森堡导出了一个公式：海森堡导出了一个公式：p q h/4 如果如果p测量非常准确，即测量非常准确，即 p很小，那么相应地很小，那么相应地 q 会会变得非常大。变得非常大。海森堡海森堡1932年因测不准原理获诺贝尔奖。年因测不准原理获诺贝尔奖。1925在年海森堡发展了第一套完整的量子力学理论年海森堡发展了第一套完整的量子力学理论后的几个月后，奥地利人后的几个月后，奥地利人薛定谔薛定谔提出了另一种运用数学提出了另一种运用数学更少的方案更少的方案波动方程波动方程。之后他很快证明了他的理论。之后他很快证明了他的理论等同于海森堡的理论。等同于海森堡的理论。薛定谔薛定谔的波动方程让几乎全世界的物理学家都松的波动方程让几乎全世界的物理学家都松了一口气，他们终于解脱了，不必再费劲地学习海森了一口气，他们终于解脱了，不必再费劲地学习海森堡那异常复杂和繁难的矩阵力学了。堡那异常复杂和繁难的矩阵力学了。29EH 薛定谔的思路是：从经典的哈密顿方程出发，构薛定谔的思路是：从经典的哈密顿方程出发，构造一个体系的新函数造一个体系的新函数 代入，然后再引用德布罗意关代入，然后再引用德布罗意关系式和变分法，求出方程的解。这种思路与大家印象中系式和变分法，求出方程的解。这种思路与大家印象中的物理学是迥然不同的。的物理学是迥然不同的。与时间无关的薛定谔方程，即与时间无关的薛定谔方程，即定态薛定谔方程：定态薛定谔方程：由此式可解出一系列不连续的由此式可解出一系列不连续的E，以及波函数，以及波函数。例如：氢原子和类氢离子解得波函数为：例如：氢原子和类氢离子解得波函数为：),()(),(YrRr RnJ(r)见物理化学表见物理化学表(8.5.1)Yjm(,)见物理化学表见物理化学表(8.4.1)30zx,0,section cross s1zxz,0,section cross p2氢原子轨道的图形：氢原子轨道的图形：31 新的问题出现在大家面前：新的问题出现在大家面前：这些波是什么？这些波是什么？由于由于2 具有概率的意义，因此具有概率的意义，因此德国物理学家德国物理学家波恩波恩提出了一种解释：粒子的波是对粒子表现出来的某一性提出了一种解释：粒子的波是对粒子表现出来的某一性质的可能性的描述。比如质的可能性的描述。比如粒子在某一刻出现在某一位置粒子在某一刻出现在某一位置的的可能性可能性。以往的物理学不仅能够解释过去，还能预言未来。这以往的物理学不仅能够解释过去，还能预言未来。这已成为物理学家心中深深的信仰。可是现在物理却不能已成为物理学家心中深深的信仰。可是现在物理却不能预测电子的行为，无法确定单个电子究竟会出现在什么预测电子的行为，无法确定单个电子究竟会出现在什么地方，而只能找出电子出现的概率。地方，而只能找出电子出现的概率。32 爱因斯坦爱因斯坦在在1926年写信给玻尔：年写信给玻尔：“我绝不会相我绝不会相信上帝在掷骰子信上帝在掷骰子”为了解释光子、电子等的波性和粒性的矛盾，为了解释光子、电子等的波性和粒性的矛盾，玻玻尔尔1927年提出了一种连接量子物理和其它物理的途年提出了一种连接量子物理和其它物理的途径，这就是著名的径，这就是著名的哥本哈根解释哥本哈根解释：粒子具有波的性：粒子具有波的性质，直到对粒子进行观测为止。质，直到对粒子进行观测为止。观测行为本身将使观测行为本身将使波函数塌缩，实现本来具有多种可能性中的一种。波函数塌缩，实现本来具有多种可能性中的一种。33 薛定谔薛定谔不同意玻尔的观点，他在不同意玻尔的观点，他在1934年设计了一年设计了一个思想实验，试图揭示哥本哈根解释的荒谬。个思想实验，试图揭示哥本哈根解释的荒谬。设想有一个箱子，里面有一只设想有一个箱子，里面有一只活猫活猫。一个装有。一个装有镭镭的的容器及一个装有容器及一个装有氰化物氰化物的小瓶也被放在箱子中。镭原子的小瓶也被放在箱子中。镭原子会发生衰变。在这个装有活猫的箱子中，当镭原子发生会发生衰变。在这个装有活猫的箱子中，当镭原子发生衰变放出一个中子，就会打碎小瓶，使氰化物从小瓶中衰变放出一个中子，就会打碎小瓶，使氰化物从小瓶中释放出来，从而杀死猫；如果镭不发生衰变，小瓶也不释放出来，从而杀死猫；如果镭不发生衰变，小瓶也不会被打碎，猫会活下去。会被打碎，猫会活下去。按照哥本哈根解释，在打开箱子看猫死活之前，猫按照哥本哈根解释，在打开箱子看猫死活之前，猫既是死的，也是活的，因为两种可能性都存在，即猫处既是死的，也是活的，因为两种可能性都存在，即猫处在一种在一种死死/活叠加活叠加的状态。的状态。直到今天，直到今天，“薛定谔猫薛定谔猫”仍在深深困扰着哥本哈根的支持者。仍在深深困扰着哥本哈根的支持者。34 从量子论从量子论1925年创立以后，一直有许多优秀的科年创立以后，一直有许多优秀的科学家试图解释它，哥本哈根解释后，又出现了多宇宙、学家试图解释它，哥本哈根解释后，又出现了多宇宙、隐变量、退相干、自发定域等解释。隐变量、退相干、自发定域等解释。1997年，在马里兰大学召开了一次关于量子力学的年，在马里兰大学召开了一次关于量子力学的研讨会。有人做了一次问卷调查，统计与会者究竟相信研讨会。有人做了一次问卷调查，统计与会者究竟相信哪一种关于量子论的解释，结果相信哥本哈根解释的哪一种关于量子论的解释，结果相信哥本哈根解释的13票，多宇宙票，多宇宙8票，隐变量票，隐变量4票，退相干票，退相干4票，自发定域票，自发定域1票，票，还有还有18票说没想好，或相信上述之外的某种解释。票说没想好，或相信上述之外的某种解释。直到今天，物理学家仍然对量子力学中的一些问题直到今天，物理学家仍然对量子力学中的一些问题感到困惑。感到困惑。诺贝尔物理奖获得者、量子物理的奠基人诺贝尔物理奖获得者、量子物理的奠基人玻尔玻尔有一有一句名言：句名言：谁不常对量子物理感到困惑，他就不懂它。谁不常对量子物理感到困惑，他就不懂它。35 到到1999年，在剑桥牛顿研究所举行的一次量子计算会年，在剑桥牛顿研究所举行的一次量子计算会议上，又做了类似调查，结果哥本哈根议上，又做了类似调查，结果哥本哈根4票，修订过的动票，修订过的动力学理论（对薛定谔方程进行修正）力学理论（对薛定谔方程进行修正）4票，隐变量票，隐变量2票，多票，多世界和多历史加起来（它们都属于认为世界和多历史加起来（它们都属于认为“没有坍缩存在没有坍缩存在”的理论）得到了令人惊奇的的理论）得到了令人惊奇的30多票。更令人惊奇的是，竟多票。更令人惊奇的是，竟有有50多票承认自己尚无法做出抉择。多票承认自己尚无法做出抉择。量子力学作为量子力学作为20世纪物理史上最重要的成就之一，到世纪物理史上最重要的成就之一，到今天为止，它的基本数学形式已经被创立了今天为止，它的基本数学形式已经被创立了80年之多，但年之多，但仍然没有被最后完成。人们仍在为如何解释它争吵不休，仍然没有被最后完成。人们仍在为如何解释它争吵不休，这在物理史上是前所未有的。这在物理史上是前所未有的。但这并不妨碍量子力学所取得的巨大成功。从它被创但这并不妨碍量子力学所取得的巨大成功。从它被创立以来它就挟着雷霆万钧之力，把每个角落都塑造的焕然立以来它就挟着雷霆万钧之力，把每个角落都塑造的焕然一新。量子论的出现彻底改变了世界的面貌，它比史上任一新。量子论的出现彻底改变了世界的面貌，它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术新材料、能源技术、信息技术这些都在根本上和量子这些都在根本上和量子论密切相关。论密切相关。36 量子论深入固体物理之中，使我们对固体机械和热量子论深入固体物理之中，使我们对固体机械和热性质的认识产生了翻天覆地的变化，更打开了通向凝聚性质的认识产生了翻天覆地的变化，更打开了通向凝聚态物理的大门。在它的指引下，我们才真正认识了电流态物理的大门。在它的指引下，我们才真正认识了电流的传导，最终走向微电子学的创立。在分子物理领域，的传导，最终走向微电子学的创立。在分子物理领域，它成功地解释了化学键和轨道杂化，从而开创了量子化它成功地解释了化学键和轨道杂化，从而开创了量子化学学科。如今我们关于化学的几乎一切知识，都建立在学学科。如今我们关于化学的几乎一切知识，都建立在这个基础之上。在量子论的指引下，我们认识了超导和这个基础之上。在量子论的指引下，我们认识了超导和超流，我们掌握了激光技术，我们创造出了晶体管和集超流，我们掌握了激光技术，我们创造出了晶体管和集成电路，为整个新时代的来临真正做好了准备。成电路，为整个新时代的来临真正做好了准备。量子论让我们得以一探原子内部最为精细的奥秘，量子论让我们得以一探原子内部最为精细的奥秘，我们不但更加深刻地理解了电子和原子核之间的相互作我们不但更加深刻地理解了电子和原子核之间的相互作用和关系，还进一步拆开原子核，领略到了大自然那更用和关系，还进一步拆开原子核，领略到了大自然那更为令人惊叹的神奇。最后可能我们对宇宙终极命运的理为令人惊叹的神奇。最后可能我们对宇宙终极命运的理解也离不开量子论。解也离不开量子论。37 如果要评选如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事世纪最为深刻地影响了人类社会的事件，那么可以毫不夸张地说，它既不是两次世界大战，件，那么可以毫不夸张地说，它既不是两次世界大战，也不是联合国的成立，或者人类探索太空也不是联合国的成立，或者人类探索太空，而是量，而是量子力学及其相关理论的创立和发展。子力学及其相关理论的创立和发展。但量子论的道路仍未走到尽头，命运注定它仍要继但量子论的道路仍未走到尽头，命运注定它仍要继续影响物理学的将来。续影响物理学的将来。量子论的基本形式只是一个大的框架，它描述了单量子论的基本形式只是一个大的框架，它描述了单个粒子如何运动。但要描述在高能情况下，多粒子间的个粒子如何运动。但要描述在高能情况下，多粒子间的相互作用时，我们就必须要涉及场的作用。这一工作由相互作用时，我们就必须要涉及场的作用。这一工作由狄拉克开始，经由约尔当、海森堡、泡利等的发展，很狄拉克开始，经由约尔当、海森堡、泡利等的发展，很快人们认识到：原来所有粒子都是弥漫在空间中的某种快人们认识到：原来所有粒子都是弥漫在空间中的某种场，这些场有着不同的能量形式。当能量最低时，就是场，这些场有着不同的能量形式。当能量最低时，就是通常所说的通常所说的“真空真空”。38 真空其实是粒子的一种不同形态（基态）而已，任真空其实是粒子的一种不同形态（基态）而已，任何粒子都可以从中被创造出来，也可以互相湮灭。狄拉何粒子都可以从中被创造出来，也可以互相湮灭。狄拉克方程更预言了克方程更预言了“反物质反物质”的存在。的存在。1932年加州理工的年加州理工的安德森发现了最早的安德森发现了最早的“反电子反电子”。它的意义如此重要，。它的意义如此重要，以至于仅过了以至于仅过了4年就获得了诺贝尔奖。年就获得了诺贝尔奖。今年今年9月月25日美国能源部费米国家加速器实验室国日美国能源部费米国家加速器实验室国际费米碰撞探测器合作组（共有际费米碰撞探测器合作组（共有13个参与国的个参与国的700名科名科学家工作在学家工作在61家研究机构中）的科学家宣布，测量到物家研究机构中）的科学家宣布，测量到物质与反物质以每秒质与反物质以每秒3万亿次的速率进行相互转变。万亿次的速率进行相互转变。39在我们的宇宙中总共有在我们的宇宙中总共有4种相互作用力：种相互作用力：引力、电磁引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。力、强相互作用力和弱相互作用力。它们各自为政，互它们各自为政，互不干涉，遵守着不同的理论规则。人们总是希望能够把不干涉，遵守着不同的理论规则。人们总是希望能够把他们统一起来，这也是爱因斯坦晚年的梦想。他们统一起来，这也是爱因斯坦晚年的梦想。量子电动力学发现：量子电动力学发现：电磁力电磁力的本质是两个粒子间不的本质是两个粒子间不停地在停地在交换光子交换光子。斥力就像两个人互相扔皮球，两人会。斥力就像两个人互相扔皮球，两人会越来越远；吸引力就像两人背靠背，各自往墙上扔皮球，越来越远；吸引力就像两人背靠背，各自往墙上扔皮球，两人会越靠越近。两人会越靠越近。之后，日本物理学家汤川秀树预言，强相互作用力之后，日本物理学家汤川秀树预言，强相互作用力和弱相互作用力也必定是类似的机制。只不过在强相互和弱相互作用力也必定是类似的机制。只不过在强相互作用中，交换的是作用中，交换的是“介子介子”，而在弱相互作用力中交换，而在弱相互作用力中交换的是的是“中间玻色子中间玻色子”。这些预言不久相继得到证实。这些预言不久相继得到证实。40 人们开始怀疑这人们开始怀疑这3种力其实本质上是一个东西。种力其实本质上是一个东西。20世纪世纪60年代，美国人格拉肖、温伯格、和巴基斯坦人萨年代，美国人格拉肖、温伯格、和巴基斯坦人萨拉姆成功地从理论上证明了弱作用力和电磁力的一致性，拉姆成功地从理论上证明了弱作用力和电磁力的一致性，他们的成果被称为他们的成果被称为“弱电统一理论弱电统一理论”。3人为此获得人为此获得1979年的诺贝尔奖。年的诺贝尔奖。强相互作用中能够感受强力的是原子核中的质子、强相互作用中能够感受强力的是原子核中的质子、中子等，因此把它们也称为中子等，因此把它们也称为“强子强子”。1964年，盖尔曼年，盖尔曼提出：每一个强子都可以进一步被分割称为提出：每一个强子都可以进一步被分割称为“夸克夸克”的的东西，它们通过交换东西，它们通过交换“胶子胶子”来维持相互作用力。每种来维持相互作用力。每种夸克都有不同的夸克都有不同的“颜色颜色”，所以该理论取名为，所以该理论取名为“量子色量子色动力学动力学”。41 人们将电磁力、强、弱相互人们将电磁力、强、弱相互作用力包含到一个框架中，提出作用力包含到一个框架中，提出了了“大统一理论大统一理论”。不过到目前。不过到目前为止大统一理论预言的一些现象为止大统一理论预言的一些现象还没有被证实。但无论如何，大还没有被证实。但无论如何，大统一理论都是非常有前途的理论，统一理论都是非常有前途的理论，很多人相信，它的胜利是迟早的很多人相信，它的胜利是迟早的事情。事情。物理学发展到现在，只剩下最后一个分歧，但也可物理学发展到现在，只剩下最后一个分歧，但也可能是最难调和统一的分歧：广义相对论与量子场论的矛能是最难调和统一的分歧：广义相对论与量子场论的矛盾。爱因斯坦晚年的战略思想是从广义相对论出发去攻盾。爱因斯坦晚年的战略思想是从广义相对论出发去攻打电磁力，这样的进攻被证明是极为艰难而伤亡惨重的：打电磁力，这样的进攻被证明是极为艰难而伤亡惨重的：不仅边界上崇山峻岭，有着无法克服的数学困难，而且不仅边界上崇山峻岭，有着无法克服的数学困难，而且对方居高临下，地形易守难攻。对方居高临下，地形易守难攻。电磁力电磁力强相互作用力强相互作用力弱相互作用力弱相互作用力引力引力广义相对论广义相对论量子论量子论42 虽然爱因斯坦执著不懈地一再努力，但整整虽然爱因斯坦执著不懈地一再努力，但整整30年，年，直到他去世，仍没有获得任何进展。今天看来，这个失直到他去世，仍没有获得任何进展。今天看来，这个失败不可避免，爱因斯坦的旧式军队不可能跨越广义相对败不可避免，爱因斯坦的旧式军队不可能跨越广义相对论和量子论之间的深深的不可逾越鸿沟。论和量子论之间的深深的不可逾越鸿沟。但量子力学正在迅猛发展起来，它的力量超出了人但量子力学正在迅猛发展起来，它的力量超出了人们所能想象的极限。这一次以量子论为主导，是否能完们所能想象的极限。这一次以量子论为主导，是否能完成统一大业呢？成统一大业呢？近年来产生了不少量子引力的理论，其中声名远扬，近年来产生了不少量子引力的理论，其中声名远扬，时髦无比的为时髦无比的为“超弦理论超弦理论”。在相对论里，引力被描述为由于时空弯曲而造成的在相对论里，引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应，而量子场论则把基本的力看成是交换粒子的几何效应，而量子场论则把基本的力看成是交换粒子的作用。因此人们设想引力可能也是交换某种粒子的结果，作用。因此人们设想引力可能也是交换某种粒子的结果，人们在没见到它前，已先为它起好了名字人们在没见到它前，已先为它起好了名字“引力子引力子”。根据预测，它应该是一种自旋为根据预测，它应该是一种自旋为2，没有质量的玻色子。，没有质量的玻色子。43 但人们很快发现，不能把所谓引力子和光子等等同但人们很快发现，不能把所谓引力子和光子等等同处理。处理。新希望出现在新希望出现在1968年。意大利物理学家年。意大利物理学家维尼基亚诺维尼基亚诺偶然发现，欧拉早于偶然发现，欧拉早于1771年出于纯数学原因研究过的叫年出于纯数学原因研究过的叫做做“欧拉欧拉 函数函数”的东西，竟能够很好地描述核子中的许的东西，竟能够很好地描述核子中的许多强相互作用效应。多强相互作用效应。维尼基亚诺模型不久后被维尼基亚诺模型不久后被3个人几乎同时注意到，他个人几乎同时注意到，他们是芝加哥大学的南部阳一郎，耶希华大学的萨斯金和们是芝加哥大学的南部阳一郎，耶希华大学的萨斯金和玻尔研究所的尼尔森。三人分别证明了，这个模型在描玻尔研究所的尼尔森。三人分别证明了，这个模型在描述粒子时，等效于一根一维的述粒子时，等效于一根一维的“弦弦”。加州理工的加州理工的施瓦茨施瓦茨和法国物理学家和法国物理学家谢尔克谢尔克研究了该研究了该理论的一些性质，他们把这种弦当作束缚夸克的纽带，理论的一些性质，他们把这种弦当作束缚夸克的纽带，即夸克是被绑在弦的两端，因此永远不可能单独从核中即夸克是被绑在弦的两端，因此永远不可能单独从核中被分割出来。但后来人们发现该理论有些问题，尤其是被分割出来。但后来人们发现该理论有些问题，尤其是要想自圆其说，就必须要求我们的时空是要想自圆其说，就必须要求我们的时空是26维的。维的。44 量子色动力学的兴起使超弦理论失去了吸引力。在量子色动力学的兴起使超弦理论失去了吸引力。在最惨淡的日子里，只有施瓦茨和谢尔克在坚持不懈。最惨淡的日子里，只有施瓦茨和谢尔克在坚持不懈。1971年施瓦茨与雷蒙等人合作，把年施瓦茨与雷蒙等人合作，把26维的弦简化为维的弦简化为10维。维。并初步引入了并初步引入了“超对称超对称”的思想。与超对称的联盟使得的思想。与超对称的联盟使得弦论获得了前所未有的的力量，它在引力方面的光明前弦论获得了前所未有的的力量，它在引力方面的光明前景逐渐显现出来。景逐渐显现出来。1980年谢尔克不幸逝世，施瓦茨与伦年谢尔克不幸逝世，施瓦茨与伦敦玛丽皇后学院的迈克尔敦玛丽皇后学院的迈克尔.格林合作，终于完成了超对称格林合作，终于完成了超对称和弦论的结合。和弦论的结合。新的理论犹如脱胎换骨，完成了一次强大的升级，新的理论犹如脱胎换骨，完成了一次强大的升级，名字升级为名字升级为“超弦论超弦论”。当把他们的模型用于引力时，。当把他们的模型用于引力时，发现计算结果有限而且有意义，这令他们欣喜若狂。引发现计算结果有限而且有意义，这令他们欣喜若狂。引力大军整天防卫粒子进攻，当人们不再把粒子当作一个力大军整天防卫粒子进攻，当人们不再把粒子当作一个点，而是看成一条弦的时候，终于深入到了引力王国的点，而是看成一条弦的时候，终于深入到了引力王国的纵深地带。纵深地带。1984年施瓦茨进一步解决了超弦理论的关键年施瓦茨进一步解决了超弦理论的关键问题，终于使超弦理论惊动了整个物理界。人们爆发出问题，终于使超弦理论惊动了整个物理界。人们爆发出了罕见的热情和关注，成百上千的人们投身到这一领域。了罕见的热情和关注，成百上千的人们投身到这一领域。45 超弦论的基本观点是：任何粒子其实都不是传统意超弦论的基本观点是：任何粒子其实都不是传统意义上的点，而是开放或闭合的弦。当它们以不同的方式义上的点，而是开放或闭合的弦。当它们以不同的方式振动时，就分别对应于自然界中的不同粒子（如电子、振动时，就分别对应于自然界中的不同粒子（如电子、光子、引力子光子、引力子）。）。我们仍生活在我们仍生活在10维空间里，但有维空间里，但有6个维度是紧紧卷个维度是紧紧卷缩起来的，我们平时觉察不到它。就像一根水管，远看缩起来的，我们平时觉察不到它。就像一根水管，远看像一条线，只有一维。但把它放大后，发现它还有横截像一条线，只有一维。但把它放大后，发现它还有横截面！这第面！这第2个维度被卷曲了起来，粗看之下分辨不出。个维度被卷曲了起来，粗看之下分辨不出。在超弦的图像里，我们的世界也是如此，有在超弦的图像里，我们的世界也是如此，有6个维个维度出于某种原因收缩的非常紧，以致粗看上去宇宙紧紧度出于某种原因收缩的非常紧，以致粗看上去宇宙紧紧是是4维的。但如果把时空放大到维的。但如果把时空放大到“普朗克空间普朗克空间”的尺度的尺度（大约（大约10-33cm），我们会发现，原本是时空中的一个），我们会发现，原本是时空中的一个“点点”的东西，竟然是一个的东西，竟然是一个6维的维的“小球小球”！这！这6个卷缩个卷缩的维度不停地扰动，从而造成了全部的量子不确定性！的维度不停地扰动，从而造成了全部的量子不确定性！46 虽然超弦论声名大振，但仍有少数物理学家对此报虽然超弦论声名大振，但仍有少数物理学家对此报怀疑态度，霍金对此也不热情。当第一次革命过去后，怀疑态度，霍金对此也不热情。当第一次革命过去后，经过大浪淘沙，有经过大浪淘沙，有5种超弦理论被保留了下来。这种超弦理论被保留了下来。这5种超种超弦论都采用弦论都采用10维时空，都能自圆其说，哪种才是正确的维时空，都能自圆其说，哪种才是正确的呢？人们的热情消退了。呢？人们的热情消退了。20世纪世纪90年代中期，超弦再次从沉睡中苏醒，唤醒年代中期，超弦再次从沉睡中苏醒，唤醒它的是它的是爱德华爱德华.威顿威顿。他证明了。他证明了5种超弦理论，在逐渐放种超弦理论，在逐渐放大耦合常数时，其实是一个大理论的大耦合常数时，其实是一个大理论的5个不同变种。就个不同变种。就像盲人摸象，每个人摸到象的一部分。像盲人摸象，每个人摸到象的一部分。这个统一的理论被称为这个统一的理论被称为“M理论理论”，发明者或许本，发明者或许本意是指意是指“母亲母亲”(Mother)，说明它是，说明它是5种超弦的母亲。种超弦的母亲。但也有人认为是但也有人认为是“神秘神秘”(Mystery)，或者是，或者是“矩矩阵阵”(Matrix)，或者，或者“膜膜”(Memberane)。有些中国人。有些中国人喜欢称其为喜欢称其为“摸论摸论”，意指，意指“盲人摸象盲人摸象”。47不过，最近弦理论又遭遇了空前的危机，有许多人，不过，最近弦理论又遭遇了空前的危机，有许多人，包括一些诺贝尔奖得主，开始担心这个理论已走进死胡包括一些诺贝尔奖得主，开始担心这个理论已走进死胡同，认为试图通过几个简单的方程来描绘整个宇宙结构同，认为试图通过几个简单的方程来描绘整个宇宙结构的弦论走到了知识的尽头。原因是很多年过去了，科学的弦论走到了知识的尽头。原因是很多年过去了，科学家并未能以一种简便易行的实验来证实该理论，因为要家并未能以一种简便易行的实验来证实该理论，因为要“砸开砸开”物质及研究物质内的弦所需的能量太大，需要物质及研究物质内的弦所需的能量太大，需要有大到足以覆盖地球的设备来研究。有大到足以覆盖地球的设备来研究。但正方的观点是，一个包罗万象的理论不可能在一但正方的观点是，一个包罗万象的理论不可能在一夜之间提出来。这就像抱怨一把未完工的小提琴所发出夜之间提出来。这就像抱怨一把未完工的小提琴所发出的声音一样。他们说，弦论走的方向是对的，但这条路的声音一样。他们说，弦论走的方向是对的，但这条路相当漫长，需要有新的突破。不能因为这一理论作出了相当漫长，需要有新的突破。不能因为这一理论作出了不可证实的预测，就觉得它是错误的。不可证实的预测，就觉得它是错误的。48 不管是超弦还是不管是超弦还是M理论，都还是刚刚起步，还有理论，都还是刚刚起步，还有更长的路要走。虽然异常复杂，但超弦更长的路要走。虽然异常复杂，但超弦/M理论仍取得理论仍取得了一定的成功，甚至得以解释黑洞熵的问题。也许不了一定的成功，甚至得以解释黑洞熵的问题。也许不久就会有第三、第四次超弦革命，从而最终完成物理久就会有第三、第四次超弦革命，从而最终完成物理学的大统一，我们谁也无法预见