本刊今年第7和8两期连载专辑《谁都能懂得量子论》之后,编辑部收到不少读者来信。这些来信是对我们的鼓励和鞭策。同时,有读者在信中提出了一些问题和要求。例如,有的信中提到专辑中的某个问题,“希望能够作更详细一些的解释”。针对读者的这些提问,本文以博士与学生交谈的形式作了通俗易懂的解答。有一些在专辑中没有介绍的非常有意思的内容,也打算借此机会作一介绍,如太阳上发生的隧道效应和宇宙论中的多宇宙与多世界诠释的区别,以满足读者对量子论的好奇和兴趣。
量子论与日常所见的“宏观世界”有关系吗?
博士:量子论是物理学的基础理论之一,被用来说明诸如原子和电子这样极其微小对象的行为。可以毫不夸张地说,除了少数例外,全部现代物理学都是在量子论的基础之上建立起来的。量子论之前的物理学被称为“经典物理学”。那种经典理论解释不了原子以及比原子更小的微观世界的现象,因而需要有一种新的理论。这就是量子论。
学生:这就是说,解释微观世界少不了量子论。那么,我们日常所见的这个世界(宏观世界)同量子论没有关系吧?
博士:当然有。量子论既适用于微观世界也适用于宏观世界,事实上,适用于自然界一切尺度的对象。然而经典理论,无论“牛顿力学”(说明物体受力时如何运动等现象的理论)还是“麦克斯韦电磁学”(关于电和磁的理论),都只适用于宏观世界。
学生:这样说来,说明微观世界和宏观世界,只要有量子论就可以了。
博士:也不能这样说。用量子论说明宏观物体的运动,计算量会大得惊人。在这种场合,还是采用经典理论比较方便。对于宏观世界,使用量子论得到的答案和使用经典理论得到的答案基本上相同。
学生:那么,有没有不使用量子论就说明不了的宏观现象呢?
博士:自然界的物质大致分为三类,即能够通过电流的“金属”、不能通过电流的“绝缘体”和性质介于二者之间的“半导体”。内部有大量“自由电子”(能够自由运动的电子)的物质是金属,没有自由电子的物质就是绝缘体。给金属加上多大的电压会流过多大的电流,用经典理论是可以计算出来的。但是,为什么有的物质有自由电子,而有的物质却没有自由电子,不用量子论就说明不了。具体说来,只有把电子看成“弥漫在整块固体内的一种波”,才能够从理论上说明金属的性质(参看关于电子波的Q3)。作为宏观物质的金属,其性质是用量子论才搞清楚的。