第5版()
专栏：
量子物理学的发展及其特点
周奇
量子物理学是在二十世纪初叶形成和发展起来的。它所研究的对象是微观世界客体（电子、原子、分子等）的运动规律及其性质，是我们目前认识物质微观结构的理论基础。
在十九世纪末以前，通过总结有关研究宏观物体的性质、它们的相互作用以及在空间内的位置移动等的大量实验资料，建立了一套理论，称为经典物理学。经典物理学在当时已经达到了比较高的程度，应用它的概念能够说明自然界的大量现象。因此在当时一部分物理学家中曾经形成一种印象，认为物理学已发展到了最完善的阶段，今后的工作只不过是根据经典物理学的概念去解释新发现的各种现象而已。牛顿力学在当时被抬高到了绝对真理的地位。但是在十九世纪末和二十世纪初，由于实验技术的发展，物理学的研究领域开始从宏观世界逐渐深入到微观世界，在实验上发现了许多新的现象，例如光电效应、电子、X射线和放射性等等，利用经典物理学的概念完全无法解释，由此暴露了经典物理学基本原理的严重局限性。这些局限性表现在：第一，对热物体电磁辐射（光辐射、热辐射）进行的实验和理论研究，证明了经典物理学不能解释实验上所观察到的辐射谱，甚至在最简单的绝对黑体辐射的情况下，也是如此。第二，按照经典理论，电子围绕原子核转动时应放射出电磁波，电子由于辐射而损失能量，最后应落到原子核内，但这和原子的稳定性相矛盾。第三，应用经典物理学理论说明原子和分子的性质，也都得到和实验不符合的结果。经典理论也不能解释原子的辐射谱和吸收谱的分立性质。第四，曾经有人企图发现以太的运动或物体相对以太的运动，但都得到否定结果。于是，爱因斯坦在一九○五年创立了狭义相对论。
这些事实证明，经典物理学只能描述低速的宏观物理现象，而不能描述低速或高速的微观物理现象。经典物理学包含有相对真理的内容，但是有很大的局限性。因此有必要建立新的理论来解释实验上所发现的新事实。
一九○○年德国物理学家普朗克为了克服应用经典理论解释黑体辐射所遇到的困难，曾提出了一个大胆的假设。他认为，辐射过程是量子性质的，即能量的辐射和吸收是一份一份的，这一份一份的能量称为能量子，而并不象经典的电动力学和电子论所假定的那样，辐射的发射和吸收是连续的过程。普朗克根据这个假设得到的绝对黑体辐射公式和实验结果很好地符合。现在这个关系式已成为近代物理学的基础之一。这就是最初的量子论，它标志着量子物理学的开端。
后来爱因斯坦把普朗克的概念进一步加以发展，指出能量的不连续性反映着电磁辐射的粒子结构，提出了光量子即光子的概念。他认为不但辐射的发射和吸收是通过一个个量子进行的，而且辐射的传播也保持着量子性质，即辐射波场可以分成一个个元波场，它们彼此独立地与物质相互作用。爱因斯坦曾利用这一量子概念成功地解释了光电现象、固体的热容量、光化学作用等。以后还解释了其他一些现象。
量子论虽取得了这些成就，但是，它在解释许多实验事实时仍然遇到了严重困难。它仍然不能解释物理学发展过程中所提出的许多原则性问题、实验上所发现的越来越多的新现象。实验工作的发展，要求提出更完善的理论。
一九一一年英国物理学家卢瑟福发现了原子的有核结构，原子是由一个带正电荷的小而重的核和一个或几个绕核运动的核外电子组成的。一九一三年丹麦物理学家玻尔曾用经典物理学规律，加上普朗克提出的量子概念来阐明这种原子结构，创立了关于原子结构的初步量子理论，这是量子论的进一步发展。
玻尔理论在某种程度上反映了微观粒子运动的个别重要规律，但它毕竟不是描述原子结构的彻底理论。首先，这一理论本身仍以经典概念为基础，只不过加上了一些反映微观粒子运动具有量子特性的量子条件。其次，这一理论只能解释只有一个电子的最简单原子——氢原子或类氢原子的谱线频率，而不能说明谱线的强度和偏振。应用到说明具有两个电子的氦原子光谱时，理论结果和实验事实也是完全不相符合的。所有这些都说明，玻尔理论只是从经典理论过渡到物质结构量子理论的过渡阶段。当前玻尔理论已被量子力学所取代，但它的部分成就在历史上起过重大作用，促进了量子物理学的向前发展。
一九二六年至一九二七年间，通过玻尔、海森堡、薛定谔、德布罗衣、狄拉克和其他人的研究，建立了一种严格的关于原子过程的理论，称为量子力学。量子力学的创立是科学史上最卓越的新成就之一。目前，它已成为研究原子过程的性质和掌握这些性质的重要武器。实验证明，在原子过程的广大范围内，量子力学的结论正确地反映了微观世界的客观规律。现代的量子力学理论，是了解低速微观物理现象的理论，它能说明经典物理学无法解释的许多微观物理现象，而经典物理不过是它的一个特殊情况。
在微观世界中，由于空间和时间的尺度缩小了几万万倍，这一量变显示出了深刻的质变，因此，微观世界的物理现象和我们日常所习惯了的宏观世界的物理现象有本质的不同。我们不能搬用从宏观世界得来的概念和规律去理解和描述微观世界的物理现象，这是十分自然的事情。微观世界的根本特点，归纳起来有以下各点：
第一，微观客体具有粒子一波动二象性。实验上发现，微观客体，不论是电子、光子、原子核、原子或分子等都既具有粒子性，又具有波动性。微观粒子具有粒子一波动二象性，从经典物理学的观点是无法理解的，因为经典物理理论不能反映微观客体的二象性。只有应用量子力学的概念，才能把微观客体的粒子性和波动性统一起来描述。这说明了量子物理学是比经典物理学更深入的理论。
第二，微观世界是不连续和突变的。我们知道，宏观世界的一切物理量或物理过程都是连续变化的。例如，能量、动量、质量、电流、电荷、电场强度、磁场强度和力等等，都可以取连续变化的任何数值，并且只能连续地变化，而不能作不连续的突变。经典物理学从来所处理的也都是连续变化的物理量和物理过程。因此，在经典物理学中不存在不连续的概念，不存在突变的概念。但是，微观世界的情况截然不同，在微观世界中，不连续性代替了连续性。微观世界的物理量常常可以取不连续的数值，而且这点表现得最为普遍和突出。例如，原子光谱是由许多分立的谱线组成。原子的能级也是分立性质的，只能取不连续的数值。微观世界的电荷只能以电子的电荷为单位作不连续的变化，没有半个电子的电荷。角动量在任何方向的分量只能不连续地变化。电子、光子、质子、原子……，也都是一个一个的，没有半个电子、半个光子、半个质子，半个原子……等。与此相应，微观物理系统的状态也是分立性质的，许多物理状态只能作不连续的变化。所有这些现象，从经典物理学的观点，也是无法解释的。量子力学考虑了微观世界的这种不连续性和突变性，因此只有利用量子力学中引入的概念，才能够很好地解释这些奇异现象。
第三，微观世界的物理规律是统计性的。微观客体具有波动性，并不是说微观客体能够象实际的波一样无限扩展。所谓波动性指的是这种统计性表现的一个方面。我们知道，经典物理学的运动规律是机械决定论的规律。只要知道了一个物理系统的初始状态，就可以完全确定它以后的状态；初始状态相同的物理系统，其发展的过程也完全相同。但微观世界不存在这种机械决定论的物理规律，即使知道了微观客体的初始状态，也无法确定它以后的状态。我们不能把微观客体看成是沿一定轨道运动的质点，轨道的概念已完全失去意义；也不能把宏观领域的运动规律机械地搬用到微观领域。微观客体的运动遵从一种统计性规律，即是处于相同起始状态的微观物理系统，往往有不同的发展过程，但是取不同发展过程的几率分布则是完全确定的。在量子力学中，采用波函数来描述微观粒子的运动状态，它反映微观粒子运动规律的统计性质，它给出微观物理系统处于不同状态的几率分布。各微观物理系统的发展过程虽然不同，但波函数随时间变化的规律则是决定论性的，它满足一个称为薛定谔方程的数学方程。这个方程类似于确定宏观物体运动的牛顿方程，能够完全确定微观物理系统的运动过程。其他物理量的数值都可以通过对波函数进行一定的运算而得出来。
第四，测不准关系。与宏观世界中物体在任何时刻都可以同时具有完全确定的坐标和动量不同，在微观世界中，任何微观客体都不能同时具有完全确定的坐标和完全确定的动量。这种不确定性是微观客体所固有的，无论我们怎样改进技术，提高测量的精确度，都不能改变。把这种不确定性的本质包括在内，是量子物理学最突出的特点之一。根据理论，粒子坐标的不确定量和粒子动量的不确定量两者的乘积，必须大于一个物理常数h，这种关系称为测不准关系，它是量子力学的重要原理之一。根据这个关系，绝对静止就是不存在的，因为如果粒子的坐标是完全确定的，则坐标的不确定量等于零，粒子是完全静止的，但这时粒子动量的不确定量变成无穷大，也即是粒子的动量是完全不确定的，可以取无穷大的数值。一面说粒子是完全静止的，但它又在迅速运动，这显然是矛盾的。因此，在微观世界中一切微观客体都是在不息地运动，甚至在绝对零度下，物体内的分子也仍在平衡位置附近不息地作着零点振动，电子、中子、质子等等也在不息地运动，绝对静止是不存在的。
第五，粒子的全同性。微观世界的另一特点是同一种粒子是全同的，亦即同一种粒子之间是不可区分的，它们的相互交换不会造成任何可观察到的变化。粒子的全同性，指的是同一种粒子的电荷、质量和自旋等在任何情况下都是相同的，利用这种特性，可以解释某些物体的物理性质。但这并不是说粒子一般是不能改变的，例如电子与正电子相互作用时两粒子消失，产生两个光子，这时粒子的电荷、质量和自旋都发生了改变，但是这种改变一般是跳跃式的，也即是只能取分立的数值，而不能连续地变化。目前把基本粒子的全同性看成是一种经验事实。因为同一种粒子是全同的，所以对于任何相互作用的结果，其几率都应该完全均等，也即是说，某一相互作用结果的几率，对系统内的同一种粒子都是相同的。上面说过，在量子力学中采用波函数描述微观物理系统的状态，粒子的全同性给波函数带来一定的特性，即对全同粒子参加的一切过程，波函数都导致这些过程有相等的几率。
现有的基本粒子可以分成两大类，对其中一类粒子，例如电子、正电子、质子、中子、μ介子等，波函数总是反对称的；另一类粒子，例如光子、π介子等，波函数总是对称的，波函数的这种根本差别反映了这些粒子性质的差别。例如反对称粒子遵从所谓泡利原理，即不能同时有二个或二个以上的粒子处于同一状态内，因而原子内的电子分布于不同的轨道上。而对称粒子则不存在这样的限制。这也是微观世界的重要特征之一，只有量子力学才能描述它。
量子物理学和经典物理学理论一样，是随着实验研究的发展而形成的。从本世纪初研究黑体辐射问题开始，以后推广到光电现象，最后推广到原子系统。目前，量子力学已成为研究和掌握微观世界运动规律的强有力武器，并大大地推动了许多学科的向前发展。许多学科采用了量子力学的工具，才有了进一步发展，才取得了重大成就，例如，原子物理学、分子物理学、固体物理学、半导体理论、原子核理论、超导电理论等等。量子力学在化学、电子学和其他许多近代科学技术中也得到日益广泛的应用。它也是目前飞跃发展的光量子放大器的理论基础。
量子力学虽有了上述的许多重大成就，但随着实验研究深入到微观高速现象领域，也逐渐地暴露了它的局限性。量子力学不能用来处理速度接近于光速的物理现象，也不能用来处理基本粒子的产生、消失和相互转化的问题。这说明了，我们的认识是相对的，是逐步深入的。量子力学一般只能用来描述低速的微观物理现象，对于描述高速的微观物理现象，必须把它推广到满足相对论的要求，由此逐渐建立了现代的量子场论。有关这方面的研究，目前正在深入进行中。
以上我们扼要地介绍了微观世界的特点，也就是量子物理学中的一些基本概念。这些概念，能够说明原子、分子范围内的广大现象，分析物质结构与其物理性质的关系。因此，量子物理学是我们目前认识物质微观结构的理论基础。
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专栏：
昔日原子靶场 今朝万物孳生
编者按：核武器真象美帝国主义者及其追随者所吹嘘的那样了不起吗？看来，连美帝国主义者自己也并不那么相信。不久前，一些美国科学家，在经受过六十次原子爆炸试验的珊瑚岛上，进行了一个多月的科学考察，广泛调查了原子爆炸的影响。他们见到的是，杂花生树，群鸟飞鸣，鼠跳鱼跃，海藻飘浮，人在岛屿上恢复了正常生活。这里摘译的《美国新闻与世界报道》上的一篇材料，足以推翻美帝国主义者及其追随者所谓的原子战争会灭绝人类和动植物的谰言。
从一九四六年到一九五八年的十二年间，西太平洋的比基尼和埃尼威托克珊瑚群岛，一直遭到美国核武器的毁灭性试验。
一九五二年爆炸的第一颗氢弹，把群岛中的一个小岛——厄鲁吉拉勃岛——炸得干干净净。经过许多次的核试验以后，在群岛中的其它岛屿上，一切生物看来都已灭绝，石头被烧焦了，放射量超过了生命繁殖所允许的限度。
在最后一次核试验六年之后，一九六四年，美国的研究探测队，来到了比基尼岛和埃尼威托克岛。这里刊登的几张照片，就是他们去现场观察到的一些现象。
放射性。空气中不再带有有毒的放射性。下雨时，雨水是纯净的。水味也是甜的。在土壤和珊瑚中，放射强度比太平洋其它岛屿的为高，但是低于危险水平。
植物。植物生长得如此茂密，以至于必须用弯刀在树丛中开路。不少植物开着花、结了果。椰子树吐着芽。
鱼。礁湖中充满鱼儿，它们看来都很健康。珊瑚和海藻在水中生长。
鸟。本地的鸟类又飞回岛上栖息。
其它动物。爆炸后幸存下来的鼠类，看来也都正常。可以想象，它们是躲在地下巢穴中，才免于遭害的。
人。岛上居民在爆炸前撤离了本岛。然而，经过测试证明，比基尼群岛中，除了三个小岛外，所有的岛现在都可以安全住人了。在马绍尔群岛的郎格拉普岛上，现在已经恢复了正常的生活。这里，住着二百个居民。由于一次核试验出了偏差，岛上遭受到意外的放射雨的袭击，他们曾经从岛上撤离了三年。现在，这些居民看来并没有受到什么有害的影响。
来到这些岛上的科学家，没有不对自然界的复元能力感到惊异的。就在六年前，这里的大气还是有毒的，所有可以看得见的生命都被摧毁了。而现在，自然界证明，它能够治愈原子创伤，就象它们能够治愈以前战争炮火所造成的创伤一样。在地面下的种子活着。藏匿着的动物和海洋中的生物，也从死里逃生了。在这个区域附近，有些地方没有直接被原子火焰烧掉，但是却受到了强烈的放射性影响。从自然界送来的种子，把它们移植到这些被毁灭的地区，使这些地区很快得到苏生。
关于爆炸的种种影响，现在还没有全部找到答案。在对比基尼岛和埃尼威托克岛的资料进行更深入的研究后，一九六五年可能提出最后的报告。据估计，大概再有十年时间，这些岛上的农业就能够维持原来人口的生活了。
如果这些初步的发现被进一步证实的话，从这些岛上得到的结论，将会驳倒那种认为从大剂量放射性中不能恢复生机的说法，也将推翻那种认为原子战争是世界末日的观点。（附图片）
上图为朗格拉普岛上的椰子蟹照样活着。但现在要吃它，还嫌放射性大了些。
下图为埃尼威托克珊瑚岛的地下水，还带着放射性残余的痕迹。然而，地面上的树却长到十五呎高了。
左图为核弹试验时焚烧成为不毛之地的岛上，现在已经恢复了枝繁叶茂的景象。椰子在生长，有些植物结了果子。
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专栏：
超声学的过去和现在
应崇福
超声原是一种自然现象，许多种动物都能够产生和利用超声。现在，由于生产的发展和需要，它已逐步发展成为一门科学——超声学。
很早以前，人们就研究过蝙蝠，但据科学家们的测定，蝙蝠能够发射和接收超声，而且是靠超声来“导航”。
在十九世纪末叶，有人设计了一个哨子，让空气从一个狭缝里喷出来，冲击一个边刃，就发出声音。提高气流的速度，同时减小狭缝和边刃之间的距离，声音的频率会提高。调整气流的速度和狭缝同边刃的距离，使频率高到大约二万赫以上，声音就听不见了，这种声音就是超声。这种哨子也就成了最早的流体动力式超声发生器。
最初，超声技术的重要发展，是在军事应用方面取得的。第一次世界大战期间，德国潜艇严重地威胁着法国海军。而在当时不能使光和无线电波在水中传很远，难以利用光和无线电波来探测潜艇。因此，从一九一五年起，就有郎之万等一批法国人，去研究怎样利用水中回声来探测潜艇。这就是在军舰上向水中发射一个声音，如果在声波传播的路线上有潜艇，声波就会反射回来，而被接收到。水中声速是知道的。因此，根据发射声波和接到回波的时间间隔，就可以算出潜艇在多远的地方。如果声波象手电筒发射的光波那样能够成束定向，那么还可以知道潜艇在哪个方向上。潜艇的方向也就是发射和接收声波的装置所朝的方向。但是，可听声是难以成束定向的，发射出去以后很快就扩散开去。郎之万等知道，声波频率提高，它的定向性就好起来。超声的定向性又比高频率可听声更好。超声探测潜艇的本领也比可听声大。于是，他们就改用超声来探测潜艇，并制成超声接收器和超声发生器。这是世界上最早的压电式超声发生器。到一九一八年，这种超声仪器已能探测距离军舰约一公里半的潜艇。这项发明在第二次世界大战中就成为反潜艇的利器。
超声的应用大致分为检测和控制、处理和加工两大类。
超声检测就是，用能量比较小的超声，来检查或测量物质的某些性质或状态。探潜艇就是一种超声检测。借助超声探测水下鱼群，是探潜艇的自然发展，今天已在海洋渔业中广泛应用。另一种十分普遍的超声应用——探伤，也属于这个范围。超声射向固体材料，遇到空洞等缺陷会反射回来，接收这些反射回来的超声，就可以判断材料内部缺陷。超声探伤是在一九二八年由一位苏联人提出来的。测定超声在固体材料里的传播速度，还可以推算出材料的弹性等，因为材料弹性同材料中的超声速度是有关系的。
有些检测的结果又可以用来作自动控制。例如，可以用超声来测量一个封闭容器里的液体高度。从容器底部向上射入超声，遇到液面会反射回来，根据发射超声和收到回声的时差以及液中超声速度，就可以知道液面高度。如果我们要控制液面高度，就可以让超声仪器在测到一定高度的时候发出讯号，通知执行机构停止灌注液体。
超声处理和加工，就是用能量比较大的超声，来改变物质的一些特性或状态。郎之万在一九一七年已经能够用能量较大的超声产生声功率大到每平方厘米十瓦、频率十五万赫的超声。他在作水中探测实验的时候，无意中看到在超声辐射区内的小鱼会死亡。当时在场看了这个演示的一个科学工作者，在九年后同另一个科学工作者一起，用一台频率在二十万到五十万赫之间、电功率二千瓦的超声发生来作实验。他们发现，在超声作用下产生了一系列的奇怪现象：水面会喷出雾来；两种本来不相混合的液体，例如水和油、水和水银，会混合成由细液滴构成的乳液；水里浮悬的炭屑等细粒会聚结成团；细菌会死亡；血球会破碎；一根在作超声频振动的棒，碰上木料，会引起木料冒烟，也可以在玻璃上钻出一个孔来。
这些现象的发现，为超声在处理和加工上的应用开辟了道路，一九二七年后这方面发展很快。如使本来不相融的两种液体混成乳液（即乳化），和使一种粉末分散到另一种粉末里去，而今天它已广泛用于纺织、食品等工业部门，甚至于用来把火箭的固体燃料均匀地混合起来。玻璃钻孔现在已有专用超声加工机，还可以切割半导体材料硅或锗等。超声的生理作用则被用来灭菌消毒和治疗人畜疾患。
“工欲善其事，必先利其器”。超声仪器的创造显然很重要。郎之万等发明的石英晶体超声发生器只在液体里有效，在气体里效果始终很差。于是，人们又回过头去改善产生超声的气哨。八十多年前产生的气哨功率很小，特别在频率高于两万五千赫的时候。一九二二年发明的共振腔式的气哨，提供了强力的空气声源。这种哨利用了一个空腔对声音的共振作用，就象空热水瓶可以把周围微弱声音放大一样（耳朵挨近瓶口，可以听见嗡嗡作响）。这种哨经过改进后，由于效率高，近年来很受重视。
在二十年代末期，开始采用磁致伸缩材料来产生和接收超声。这种材料（如镍），在交变磁场（大小和方向正反不断改变的磁场）作用下，会一伸一缩而产生超声；而当它受到超声的作用的时候，在它周围又会产生交变磁场，因此又可以用来接收超声。在几万赫频率，这种材料现在使用得比较多。
在第二次世界大战中发展起来的雷达技术，给超声技术以有力帮助。例如，在探伤、测厚、诊断等检测工作中，超声仪器向雷达学习，象脉搏一样，一下一下地断续发射短促的超声，叫超声脉冲。而收到从被测对象反射回来的超声脉冲以后，又象雷达那样把探测结果显示在荧光屏上。这样就使超声探伤成为一种重要的非破坏性检测材料的方法。在某些情况下，例如检查大厚度材料中的小气孔，就连X射线和γ射线也比不上它。用脉冲超声从板的一面来测定板厚的技术也发展起来了。它的根本道理同测定封闭容器内的液面高度一样。在一些大医院里，医生还用超声诊断仪来给病人检查疾患。在诊断仪的荧光屏上，用一些不断跳动着的好看的绿色波线，甚至用真实形象，反映出人体内部组织的情况。这种仪器可以检查X射线无法透视的胆囊、肝脏等软组织。
在二次大战后，还出现了可作超声发生和接收元件的新的压电材料——钛酸钡等。这种材料是陶质的，比石英单晶体容易制造，可以做成各种形状。一九四八年出现了又一种流体动力式超声发生器——簧片哨，它主要用于液体中。由于它设备简单，工作效率高，它的出现推动了某些工业上的超声应用。
还应当提到，近年来另一个新成就——直接放大超声。我们要把声音放大，一般是采用扩音器。先把小声音变成电流，然后用电子学的办法把电流放大，再转换成大声音。以往超声也用这样的办法。但是近年来，已找到几种办法，不经过声电转换的手续，而直接把弱超声变成强超声。例如，拿一小块硫化镉单晶体，一端送进较弱的超声，在光和电的作用下，另一端会出来较强的超声。硫化镉是所谓光敏电阻，在光照下，一部分电子会挣脱原子的束缚而变成自由电子，称为光电子。如果这时候硫化镉是联到接通电源的电路中，那么，光电子就会在电源的电压作用下定向运动而形成电流。要是电源的电压大到一定程度，就可以使光电子的定向运动速度超过超声在硫化镉中传播速度。如果使超声和光电子朝一个方向从这端传到那端，那么超声就会被光电子“推着跑”。这时候光电子的能量传给了超声，而把超声放大。超声的直接放大，可能给超声检测仪器带来根本性的变革。
近二十年来，出现了许多超声的应用和研究的新领域。例如用超声来清洗，在国外已成为最广泛的超声应用之一。超声清洗不仅用于电子管零件、钟表零件、钻石、注药针、印刷线路、轴承等小件，也用于大的工件，象汽车的整个汽缸等。
超声还可以把两种不同金属直接焊接起来，而不需要任何焊剂。
超声检测已从宏观世界走向微观世界。早在二十年代，就有人制成了足够精确地测量超声在气体里传播的速度和衰减的设备。利用这种设备进行研究，发现在二氧化碳中，频率不同的超声速度也不同；而某个频段衰减特别大。通过后来的理论分析说明，超声能用来研究物质的微观结构，例如二氧化碳分子中的碳原子和氧原子的振动情况。进一步发现，超声还能用来研究液体。近十几年来，超声又用来研究固体，象研究电子的能级、一种原子排列上的缺陷——位错等。