二、量子物理的誕生

動搖牛頓世界觀的是愛因斯坦的相對論和由一大批杰出的科學家共同提出、創建的量子理論。1900年，普朗克提出輻射量子假說，假定電磁場和物質的能量交換是以間斷的形式(量子)實現的，量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數稱為普朗克常數，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地解釋了黑體輻射現象。1905年，愛因斯坦引進光量子(光子)的概念，并給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關系，成功地解釋了光電效應。其后，他又提出固體的振動能量也是量子化的，從而解決了低溫下的固體比熱問題。1913年，丹麥的玻爾在盧瑟福原子模型的基礎上建立起原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態叫“定態”，而且原子只有從一個定態到另一個定態，才能吸收或輻射能量。法國物理學家德布羅意于1923年提出微觀粒子具有波粒二象性的假說。德布羅意認為：正如光具有波粒二象性一樣，實體的微粒(如電子、原子等)也具有這種性質。這一假說不久就為實驗所證實。由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規律就不同于宏觀物體的運動規律，描述微觀粒子運動規律的量子力學也就不同于描述宏觀物體運動規律的經典力學。當粒子的大小由微觀過渡到宏觀時，它所遵循的規律也由量子力學過渡到經典力學。量子力學與經典力學的差別首先表現在對粒子的狀態和力學量及其變化規律的描述上。在量子力學中，粒子的狀態用波函數描述，它是坐標和時間的復函數。為了描述微觀粒子狀態隨時間變化的規律，就需要找出波函數所滿足的運動方程。這個方程是薛定諤在1926年首先找到的，被稱為薛定諤方程。當微觀粒子處于某一狀態時，它的力學量(如坐標、動量、角動量、能量等)一般不具有確定的數值，而是具有一系列可能值，每個可能值以一定的概率出現。當粒子所處的狀態確定時，力學量某一可能值的概率也就完全確定。1927年，海森堡提出“測不準原理”，同時玻爾提出了“并協原理”，為量子力學做了進一步的闡釋。量子力學和狹義相對論的結合產生了相對論量子力學。經狄拉克、海森堡和泡利等人的工作發展了量子電動力學。20世紀30年代以后形成了描述各種粒子場的量子化理論——量子場論，它構成了描述基本粒子現象的理論基礎。

丹麥的玻爾、德國的海森堡、英國的狄拉克、奧地利的薛定諤、法國的德布羅意等一批科學巨匠，通過對“波粒二象性”“測不準原理”“概率波”“電子自旋”“非局部作用”，以及關于“能量場”“全息場”等方面的研究，使與牛頓經典物理學相對立的量子物理學從“個別人的奇思怪想”變成了深刻影響人們的思想并且廣為接受的科學體系。由于量子物理學十分深奧，真正能夠理解并參透其中奧秘的人寥寥無幾，因此人們并未改變對現實世界的認識。

之所以要在經典科學與系統科學的轉折過程中格外關注到量子理論及其方法論意義，是因為量子理論的出現，正處于經典科學危機四伏、系統科學日漸崛起之時。而且在實驗理念與研究方法上，量子理論在以上二者之間起到了一種過渡和銜接的作用。從方法上講，量子理論突破了經典科學還原論的、嚴格因果決定論的理念，自身孕育和體現了整體論的、概率化的思想。特別是在主客體關系上，量子理論放棄了經典力學所推崇的“客觀實在與觀測無關”的信念，提出主客體之間存在相互作用，觀測中中介工具對結果會產生影響。有趣的是，量子理論提出的這些觀念和方法恰恰是緊隨其后在20世紀上半葉出現的系統科學的基本理念。

量子區別于宏觀物質，它更多的是一種非確定性的趨勢和能量。“次原子粒子”以未知的和幾乎是不可知的方式在時空中相互作用，它們那無法預測的、隨機的運動從根本上觸動了牛頓運動定律。

1900年12月14日，普朗克在德國物理學會宣讀了他劃時代的論文《論正常光譜能量分布定律》，這一天標志著量子論的誕生，它同1905年由愛因斯坦創立的相對論共同成為20世紀人類科技文明的基石，也從哲學上改變了人們關于時間、空間、物質和運動的概念。量子力學的理論強調非確定性、非線性，量子具有粒子和波的雙重性質。

量子物理學認為世界在基本結構上是相互聯結的，應該從整體著眼看待世界，整體產生并決定了部分，同時部分也包含了整體的信息；認為世界是“復數”的，存在多樣性、多種可能性，在觀察者實施觀察之前，世界的狀態是無限的和變化的，實施觀察后，其他所有的可能性才崩塌；認為微觀世界的發展存在跳躍性、不連續性、非線性因果性和不確定性；認為事物之間的因果聯系像“蝴蝶效應”所顯示的那樣，是異常復雜的；認為事物發展的前景是不可精確預測的；認為微觀物理現象不可能在未被干擾的情況下被測量和觀察到，在理解任何物理現象的過程中，人作為參與者總是處于決定性的地位。