量子度量——四、新量子革命
一百二十年前，英國著名物理學家威廉.湯姆生（即開爾文男爵），針對當時的物理學現狀，提出了“烏雲說”。烏雲說對後世影響巨大，德國物理學家馬克斯.普郎克提出了量子假設，解釋了第一朵烏雲。猶太裔物理學家阿爾伯特.愛因斯坦創立了相對論，解釋了第二朵烏雲。
歷史總是輪迴的，用開爾文男爵說過的話描述現代物理學現狀，一點都不過時：“有量子理論和相對論兩大基礎理論的支撐，現代物理學的大廈已經落成，近幾十年的現代物理學發展，我們做的只是一些修飾工作，完善和驗證兩大理論。”這句話說的有一定道理，現代物理學發展陷入困境，物理學分支越來越細，研究的也越來越通徹，但沒有顛覆性的突破。雖然有弦理論發起革命的號角，但目前還無法推倒舊物理大廈。這一次，不再是物理學上空的小烏雲，有人認為，物理學遇到了屏障，難以突破。很多人都在尋找，現代物理學新革命的火種在哪裡？
回顧量子理論的發展，馬克斯.普郎克1900年底提出了量子假設，解釋了黑體輻射，打開了舊量子理論的大門。隨後，幾位大神相繼出手，1905年，愛因斯坦用光量子假設解釋了光電效應；1913年，玻爾在盧瑟福有核模型的基礎上運用量子化軌道，建構了氫原子的玻爾模型，成功地解釋出氫原子的發射譜線。至此，舊量子論取得了初步勝利。在這其中，玻爾、索末菲、薩特延德拉·玻色和其他物理學家也為發展量子理論做出了很大貢獻。
舊量子論雖然取得了重大突破，但存在一系列問題。此時，幾個年輕人站了出來，發起新革命的衝鋒，先是1925年，海森堡拋棄了電子軌道，用矩陣力學解釋電子運動獲得了成功。一年多後，1927年，海森堡提出不確定性原理，創立了量子論的基本原則。在此前1923年，德布羅意提出了物質波假說。1926年薛定諤沿著物質波概念成功地找到了電子的波動方程，並由此創建了波動力學。幾乎與薛定諤同時，1925年9月，玻恩與另一位物理學家約丹合作，將海森堡的思想發展成為系統的矩陣力學理論。不久，狄拉克改進了矩陣力學的數學形式，使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。1926年薛定諤發現波動力學和矩陣力學從數學上是完全等價的，由此統稱為量子力學。1928年狄拉克將相對論運用於量子力學，預言了反物質，又經海森堡、泡利等人的發展，形成了量子電動力學。
海森堡的不確定性原理、玻爾的互補原理、波恩的波函數統計詮釋、泡利不相容原理以及相關聯的量子觀念，構成了量子力學的基本原則。
我們從簡單的量子理論發展中可以看到，有的理論是革命性的突破，有的理論是順著上面思維的延展，思維的進一步延展也很偉大，也不是一般人輕易能夠做到。但推動理論跨越式向前發展的爆破點，關鍵是革命性的觀點。比如普郎克的量子假設，比如德皮羅意的物質波，比如狄拉克的反物質，再比如愛因斯坦的相對論，都是顛覆性的觀點，看似違反常識，卻打開了新世界的大門。而現代物理學的發展受困，缺的就是一個革命性的爆破口。
其實，很多人已經意識到，時間可能是影響物理學向前發展的關鍵。在牛頓體系中，時間是上帝一般的存在。在相對論中，時間是相對的，但愛因斯坦賦予了時間一個特權，因果律，愛因斯坦至死也不完全接受哥本哈根詮釋，就是不願意放棄以時間為基礎的因果律。然而時間只是一個物理量，他不可能脫離於物質和能量存在。我們要尋找的是可以描述成時間的物理現象，這個現象即滿足物質和能量的運動規律，也要和之前的時間概念沒有太大沖突。而我們驚喜的發現，從量子論出發，物質能量轉換速率就能滿足以上的設定，時間是一種速率。
我們已經大致搞清楚，構成物質的最小或最基本單位的是61種基本粒子（如果算引力子就是62種），其中有一部分粒子是傳遞各種力，力的傳遞我們觀測到就是輻射和吸收各種粒子。如果我們學習一百多年前，物理學家解決熱輻射困難的思路，先易後難，從簡單處入手，我們先考慮只有向外輻射粒子的情況，至於他們為什麼向外輻射，宏觀尺度上，是能量高的向能量低流動的一種追求能量平衡的現象。物質輻射粒子，失去能量，直到最後消亡，物質不存在了，這一過程就是時間的流逝。在微觀尺度，粒子的交換與運動更為複雜，能量轉換躍遷頻繁，表現出一定的隨機性，時間變為不確定值。
我們將物質輻射粒子能量轉換的速率描述為時間，為了敘述方便，借用質能公式的名稱，暫時稱為質能速率。用質能速率定義時間，得到的結論與現代物理現象十分相洽，而且可以解決很多困擾物理學發展的疑問。質能速率定義時間，我們就有了計算和測量的標準，可以看到，因為質能速率的定義，質能速率所定義的時間，就存在一個適用範圍。他適用於物質構成的宇宙，但不包含黑洞內部。適用於部分微觀世界，觀測不到質能轉換的粒子不適用。當人們為超光速、量子糾纏等現象迷茫爭吵的時候，可以換種思路，沒有時間這個物理量，我們可不可以解釋宇宙呢，我想是可以的，因為我們會找到更基本的物理原理，比如能量守恆，或者以後我們能發現質能速率時間定義以外的時間定義，比如比粒子更微觀的結構之間的物理現象，物理學家已經發現，弦理論就具有這個潛力。所以，質能速率還是一個紐帶，連接相對認、量子理論和絃理論的紐帶。
未完待續
獻給八千女神——量量度子
閱讀更多 量量度子 的文章
