量子力学的意义

冯端院士“凝聚态物理与量子力学” 冯端院士“凝聚态物理与量子力学”
• 量子力学的多体问题似乎含有层出不穷的新花 当今的凝聚态物理无疑将是21世纪高新 样。…… 当今的凝聚态物理无疑将是 世纪高新 技术的科学基础。 技术的科学基础。……计算机芯片的集成密度是 计算机芯片的集成密度是 随年代而呈指数式的增长，服从一经验规律， 随年代而呈指数式的增长，服从一经验规律，被 定律。 到了2015 年左右， 称为摩尔(Moore)定律 ……到了 称为摩尔(Moore)定律。 ……到了2015 年左右， 集成电路的尺寸将达到其物理极限， 集成电路的尺寸将达到其物理极限，芯片厂的投 资量也会超出了社会的承担能力。必须改弦易辙， 资量也会超出了社会的承担能力。必须改弦易辙， 另觅途径， 另觅途径，这也对凝聚态物理学研究提出了重大 的挑战和无上的机遇。 的挑战和无上的机遇。 • 光纤通信的容量，磁存储器的容量也都随年代作 光纤通信的容量， 指数上升， 指数上升，……”
• 量子力学、相对论和基因 量子力学、相对论和 双螺旋结构是 世纪最重 双螺旋结构是20世纪最重 要的三大科学发现。 要的三大科学发现。 • 量子力学在其中又占有特 量子力学在其中又占有特 殊的位置。 殊的位置。
• 没有量子力学，就没有 没有量子力学， 当代物理学， 当代物理学， • 就没有与当代物理学联 系在一起的当代技术， 系在一起的当代技术， • 也就不会形成今天的全 球化的经济结构调整和 信息革命。 信息革命。
周光召 (2000年12月) 年 月
• 在历史的长河中，任何理论都是相对真理， 在历史的长河中，任何理论都是相对真理， 都有其适用范围， 都有其适用范围，都有在新的条件下改进的 可能。 可能。量子力学与相对论的结合已经创造了 量子场论，量子场论本身也在继续发展。 量子场论，量子场论本身也在继续发展。但 是任何想改进量子力学基本观点的尝试都必 须建立在实验的基础上。现代数学无疑在发 须建立在实验的基础上。 展量子力学和量子场论中发挥了重要的作用。 展量子力学和量子场论中发挥了重要的作用。 我认为，单纯从数学和逻辑出发， 我认为，单纯从数学和逻辑出发，有可能找 到若干有用的关系，但不经过实验的检验、 到若干有用的关系，但不经过实验的检验、 指导和修正，不可能创造出新的理论。 指导和修正，不可能创造出新的理论。
• 实验困难，耗资巨大，进展缓 实验困难，耗资巨大， 慢。
•另一个方向围绕量子 量子 力学测量和解释问题 进行。
• 第二个方向费钱不多，有重要的 费钱不多， 应用背景，会有较快的发展。 应用背景，会有较快的发展。
• 由于人类对单个原子的操纵能力 的增强， 的增强， • 应用量子力学将设计出越来越多 的按照人的要求， 的按照人的要求，具有特殊功能 的人造微结构和具有新奇性质的 宏观量子态， 宏观量子态， • 21世纪继续对经济、军事、科技 世纪继续对经济、 世纪继续对经济 军事、 和社会进程产生重大的影响。 和社会进程产生重大的影响。
量子力学的意义
物理学的近代发展
• 20世纪初 世纪初 • 普朗克的量子论 普朗克的量子论 • 爱因斯坦的相对论 爱因斯坦的相对论 • 开辟了近代科学的新纪元，物 开辟了近代科学的新纪元， 理学成了自然科学的先驱。 理学成了自然科学的先驱。
• 20世纪物理学的革命是建 世纪物理学的革命是建 世纪物理学的革命 立了相对论 量子力学， 相对论和 立了相对论和量子力学， • 从根本上改变了人们关于 时间、空间、物质和 时间、空间、物质和运动 的观念。 的观念。
“ 20 世纪物理学发展的回顾及 21 世纪物理学的展望 ”
(周光召 2002年8月29日-31日，北京大学 年 月 日 日 北京大学)
• 相对论和量子力学为人类认识世界奠 定了坚实基础，原子能、半导体、 定了坚实基础，原子能、半导体、超 激光等都依赖于这一基础， 导、激光等都依赖于这一基础，它不 仅深刻影响到其他相关学科， 仅深刻影响到其他相关学科，而且直 接导致了半导体、计算机、 接导致了半导体、计算机、光通讯等 一系列高新技术产业的产生和发展。 一系列高新技术产业的产生和发展。
• 美国导论性大学物理规划 美国导论性大学物理规划IUPP的 的 参加者尽管在许多问题上各持己 然而他们却一致认为， 见，然而他们却一致认为，在物 理课程中， 理课程中，量子物理必须自然地 并且强化地引入， 并且强化地引入，为量子物理的 引入找出一个最好的、 引入找出一个最好的、能促进学 生学习的途径， 生学习的途径，已成为最重要的 一件事了。 一件事了。
芯片发展年代曲线
跨学科的渗透
• 化学家 Herschbach 指出： 指出：
• “典型的化学家高于一切的愿望 是想理解为何一种物质和其他物 质的行为不同； 质的行为不同；而物理学家通常 冀望找出超出特定物质的规律。 冀望找出超出特定物质的规律。” • (物理学与化学在对物质世界的研 物理学与化学在对物质世界的研 究上正好是互补的) 究上正好是互补的
•近20年来，物理学和实验 近 年来 年来， 技术的进展， 技术的进展，使得这种争 论发展成为直接依靠实验 实证研究了 的实证研究了，已成为当 代物理学中一个非常活跃 的领域。 的领域。
这类实证研究的重要性
•结合当代电子学、光学、信 结合当代电子学、光学、 结合当代电子学 息科学、 息科学、材料科学以及当代 工艺技术的成就， 工艺技术的成就， •它们还有可能导致发展出直 它们还有可能导致发展出直 接基于量子力学原则的全新 的技术部门。 的技术部门。
• 量子力学直到今天仍有 量子力学直到今天仍有 丰富的生命力， 丰富的生命力，基于它 的发展始终层出不穷。 的发展始终层出不穷。 • 在今后相当一段时间内， 在今后相当一段时间内， 它仍然居于物理学创新 它仍然居于物理学创新 的中心。 的中心。
• 从量子力学诞生的时刻开始， 从量子力学诞生的时刻开始， 尽管其数学结构严谨 数学结构严谨， 尽管其数学结构严谨，但许多 科学家怀疑它并不是一个完备 科学家怀疑它并不是一个完备 的物理理论。 的物理理论。 • 关于如何理解它的基本概念、 关于如何理解它的基本概念 基本概念、 基本图象和基本规律， 基本图象和基本规律，一直存 在着深刻的、剧烈的争论。 在着深刻的、剧烈的争论。
量子信息学
• 信息科学与量子力学相结合发 展起来的新兴交叉学科 交叉学科。 展起来的新兴交叉学科。 • 量子世界的奇妙特性在信息过 程中发挥重要的作用， 程中发挥重要的作用，使量子 信息系统的信息功能突破现有 经典信息系统的极限。 经典信息系统的极限。
新理论的探索方向
•一个方向围绕宇宙的起源 宇宙的起源 和发展， 和发展，及标准模型的拓 展和相互作用力的统一。 展和相互作用力的统一
杨振宁 (1999年11月) 年 月
• 真正驱使物理学家在 世纪里头致力于一些 真正驱使物理学家在20世纪里头致力于一些 革命性发展的， 革命性发展的，是对一些基本原理性的深入 的了解。 的了解。 • 通过了这些深入的了解，人类对于自然界许 通过了这些深入的了解， 许多多的原始的现象，原始的观念(包括时 许多多的原始的现象，原始的观念 包括时 间的观念、空间的观念、运动的观念、 间的观念、空间的观念、运动的观念、能量 的观念、力的观念)——所有这许多最基本 的观念、力的观念 所有这许多最基本 的人类对于自然界认识的原始的观念， 的人类对于自然界认识的原始的观念，在20 世纪都有了革命性的、新的了解。 世纪都有了革命性的、新的了解。 …… 这 就是20世纪物理学真正的最重要的精神 世纪物理学真正的最重要的精神。 就是 世纪物理学真正的最重要的精神。
•甘子钊院士 甘子钊院士指出：“整个当 甘子钊院士 整个当 代物理学教学的关键就在于 量子力学的教学， 量子力学的教学，这不仅仅 是对物理系的教学，而且对 化学、材料科学、生命科学、 工程科学、地球科学等系科 的教学，也是同样的。”
• “怎样充分利用人们在认识量子 力学的基本概念、 力学的基本概念、基本规律和基 本物理图象上取得的成就， 本物理图象上取得的成就，特别 是最近20年来取得的成就 年来取得的成就， 是最近 年来取得的成就， • 使学生能比较准确、迅速而且有 使学生能比较准确、 一定深度地学习量子力学， 一定深度地学习量子力学， • 这无疑是教学改革的一个带根本 性的问题。 性的问题。”
跨学科的渗透
• 生物学家 S.W.Gilbert 指出： 指出： • “传统生物学解决问题的方式是完全 实验的， 实验的，而正在建立的方式是基于全 部基因都将知晓， 部基因都将知晓，并以电子技术和操 作的方式驻留在数据库中。 作的方式驻留在数据库中。生物学研 究的出发点应该是理论的， 究的出发点应该是理论的，一个科学 家将从理论推测出假定， 家将从理论推测出假定，然后再回转 到实验室去追踪和验证这些理论假 定。”

P.W. Anderson (诺贝尔奖获得者 诺贝尔奖获得者) 诺贝尔奖获得者
• 将一切事物还原成简单的基本规律的能 力，并不意味着我们有能力从这些规律 来重建宇宙，……。 来重建宇宙，……。 • 大量的基本粒子构成了复杂聚集体，其 大量的基本粒子构成了复杂聚集体， 行为并不能由几个粒子性质作简单外推 就能理解。取而代之的是， 就能理解。取而代之的是，在每一复杂 性的层次上出现了全新的性质， 性的层次上出现了全新的性质，而理解 这种新性质需要极其基本的基础研究。 这种新性质需要极其基本的基础研究。