第二节：统治物理界的两大理论系统

在当今物理界有两大理论支柱，即爱因斯坦提出的解释宏观物理现象的相对论和以玻尔哥本哈根派为代表的解释微观世界的量子力学。相对论解决了对宏观世界问题的解释，量子力学解决了对微观量子世界的解释。

相对论分为狭义相对论与广义相对论，两者的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念。

相对论把时间与空间紧密联系起来，提出四维时空、大质量物体可以弯曲空间，并提出光速恒定，及解决了质量与能量之间联系的质能方程问题。

在经典物理学中时间是绝对的，爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了，时间成为宇宙中的一维，时空坐标t和空间坐标x、y、z构成一个四维的刚性连续时空，时间是可以因速度而歪曲，速度越大，时间越慢。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系，在此以前物理学界一直认为质量和能量是不同的、没有联系的。爱因斯坦给出了一个著名的质量——能量公式：E=MC2，其中C为光速，于是质量可以看做是它的能量的量度。微小的质量蕴涵着巨大的能量，这就是原子能，一公斤的核材料的能量可以达到几百万吨的煤的能量。

对于相对论，大部分物理学家，其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹，都觉得难以接受。包括现代人，在接受相对论的时候，都要用很久时间才能体验到相对论的精髓，或者只理解了其中一部分。就连瑞典皇家科学院1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时，也只是说“由于他对理论物理学的贡献，更由于他发现了支配光电效应的定律”，却对于他的相对论只字未提。

相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。当然量子力学本身存在其不完备性，像玻尔认为量子世界不需要探求因果关系的思维，在当代是不合时宜的。

量子力学主要表现在波粒二向性、概率性，和测不准原理。

量子力学的测不准原理表明：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量或方位角与动量矩还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。

波粒二象性是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子，前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象。而且粒子波具有概率性，这被后来的电子衍射试验所证实。

费曼历史求和说的是每个粒子从一点到达另一点，不仅具有一个历史，而是具有所有可能的历史，这些历史在求和过程中绝大多数都给抵消了，只剩下有限的历史，最后求和成一个轨迹。人们做了大量的探索与实验来追求量子背后隐藏的世界。

粒子实验，量子的反常行为

著名的双缝实验和时间延迟实验，在这两个实验里，除了证明粒子具有波粒二向性外，我们还发现了一个奇怪的现象。

在双缝实验里，人们试图观察电子的轨迹，当人们用有观察仪器观测的时候，电子似乎知道了人的观测行为，于是改变了轨迹。而在时间延迟实验里，在另一个路径上，当一个人试图挡住该路径的光的传播路线的时候，光似乎知道了这种情况，于是选择了另一条路径，而不走这条路径。

在玻姆理论里，他认为像电子这样的基本粒子本质上是一个经典的粒子，以它为中心发散出一种势场，这种势场能达到宇宙的边缘，使它每时每刻都对周围的环境了如指掌。当一个电子向一个双缝进发时，它的量子势会在它到达之前便感应到双缝的存在，从而指导它按照标准的干涉模式行动。如果实验者试图关闭一条狭缝，无处不在的量子势便会感应到这一变化，从而引导电子改变它的行为模式。如果你试图去测量一个电子的具体位置的话，你的测量仪器将首先与它的量子势发生一种无法被直接观测到的作用。玻姆理论能够很大程度上满足观测，但其数学形式却极为繁琐，并且玻姆在恢复了世界的实在性和决定性之后，却放弃了另一样东西：定域性。定域性指的是，在某段时间里，所有的因果关系都必须维持在一个特定的区域内，而不能超越时空来瞬间地作用和传播，但是在玻姆那里，他的量子势可以瞬间传播粒子所需要的信息。这似乎又为超光速提供了一个理论依据。