经典力学与量子力学

经典力学与量子力学

力学研究的是力对物体的作用。它是物理学最早、也是最基本的分支，但它还包括一个挺晚出现的比较特殊的分支——量子力学。

经典力学

力学是物理学中最古老的分支，远在古希腊时代，伟大的数学家兼物理学家阿基米德就发展了相当丰富的古代力学理论，使力学走向完备的则是牛顿，牛顿所创立的力学被称为经典力学。

经典力学又可以分为静力学与动力学两部分。静力学研究物体在平衡的时候受力的情形。这时候，物体看上去是静止的，但这并不说明它没有受到力的作用，而只是说明它所受到的各种力之间达到了一种平衡，彼此抵消，因此物体表现为静止。研究静力学有着十分重要的实际意义，例如我们建房屋或者桥梁时，就要研究静力学的问题，也就是要考虑它们所受到的负荷，确保负荷在它们的承受力范围之内，假使这种负荷超过它们结构的承受力，就会发生问题。

以前，人们一度理所当然地认为，物体的运动需要力的推动，如果要物体持续不断地运动就要持续不断地给它以力的推动，就像推动一辆失去动力的汽车一样，一旦不施加力的作用它就会停下来。这种观点就像亚里士多德认为的轻物体比重物体掉得慢一样，看上去有道理而实际上没道理。例如扔出一块石头、关上一扇门等，用前面那种想当然的方法显然不能做出解释。

当牛顿提出他那了不起的“牛一”——这是对“牛顿第一定律”的简称，后面的“牛二”、“牛三”与此相类，这类问题就迎刃而解了。

牛顿认为，当物体没有受到外力的做用时，它将保持静止或者匀速直线运动，只有当要改变物体的运动状态时，例如使之由静止走向运动、由匀速运动变为加速运动、由直线运动变为曲线运动，也就是改变物体的运动方向时，它才需要力的作用。用更简明扼要的话来说就是“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止”。这就是“牛一”了。

过山车
过山车在轨道上行驶时之所以不会掉下来，是因为向心力在起作用。当向心力大于或等于重力时，过山车就能循轨道疾驶而不会坠落。

从“牛一”可以看出来，静止或者匀速直线运动都是物体最“自然”的状态，如果物体没有受到外力的作用，它将永远保持这种状态。这就根本地改变了原来人们想当然地认为的必须用力才能让物体运动的旧观念。物体这种保持原有的静止或者匀速直线运动状态直到有力的作用才改变的特性被称为“惯性”，因此，“牛一”又被称为惯性定律。更深一层地说，惯性乃是一切物体共有的性质，无论它处于什么状态，静止或者运动，它都有惯性。那么，您也许会问：离弦之箭飞久了也会停下来，我看不到有什么力在改变它运动的惯性啊！这是因为有我们看不到的力在作用它呢，例如空气的摩擦阻力、地心引力等，正是这些力使离弦之箭渐渐慢下来并最终坠落大地。

“牛一”讲惯性，“牛二”则讲加速度。加速度就是描述物体运动速度改变快慢的物理量，它可以是增加，也可以是减小，我们可以将后者看做是一种负的加速度。使物体产生加速度的原因当然是力，也就是说，要使物体由运动变为静止或者由静止变为运动，或者使运动的物体速度增加或者减小，都需要力的作用。这时，如果我们仔细想想的话，会有这样的疑问：对一个物体施加力就能使它产生加速度吗？我看不一定呢！例如一只螳螂，它用自己的一只臂能够挡住飞驰的马车，使之产生加速度吗？当然不能。为什么？因为可怜的螳螂太小，它能够施加几斤几两力气呢？所谓“螳臂当车，不自量力”指的就是这回事了。

这个例子说明了物体运动状态的改变不仅同力有关，还同物体的质量大小有关。例如一只小猴子去摇一根石柱的话，石柱自然会纹丝不动，但要是它去捡起地上一块小石头的话，那就没有问题了。从这里我们就得出了“牛二”：物体的加速度同作用力成正比，与物体的质量成反比。用公式表示就是a∞。a是加速度，m是质量，F就是作用力了。

“牛三”则是作用力与反作用力定律，什么是作用力与反作用力大家都懂，例如猴子去摇石柱，它当然对石柱也产生了作用力，这时，石柱也必然会对它产生反作用力。作用力与反作用力之间的关系有三个：一是大小相等，二是方向相反，三是作用在同一直线上。这几个特点都比较直观。这样我们就得出了“牛三”：两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反，并且作用在同一直线上。

量子力学

量子力学是研究微观粒子的性质、结构、运动规律等的理论。这里的微观粒子是个含义广泛的词，包括几乎所有的微观粒子，如分子、原子及其组成部分电子、质子、中子及其他更小的粒子如夸克等。量子力学将所有这些微观粒子作为研究对象。

原子得到和失去量的方式和人们使用硬币时的方式一样。量子不能分为更小的单位，它们只能得到或失去整数个。

量子力学与经典力学最大的区别在于，在经典力学里，它所计算与分析的对象具有确定的性质，若能给定力、物体的质量、初始位置、运动速度等元素，就能够精确预言运动对象过去与未来的速度、位置等性状。但在量子力学里就完全不同了，量子力学的一个基本原理就是“海森堡测不准原理”。该原理认为，我们不可能同时精确测定微观粒子的位置与动量。为什么呢？这是因为当我们去测量一个物理量时，这种测量行为本身往往会影响另一个物理量从而导致它的性状改变，反之亦然，这样的话当然不可能同时精确测定其位置与动量了。就像我们难以同时测量一个人100米冲刺的速度与其正常肺活量一样，因为当这个人百米冲刺时其肺活量必定不正常，而当其肺活量正常时必不可能进行百米冲刺一样。测不准原理导致的一个必然结果是，我们不可能精确描述微观粒子在其轨道上的运动细节，它只能够给出可能发生的事件以及在不同情况下发生的相对概率。

1902年在丹麦物理学家玻尔筹划下创立的哥本哈根大学理论物理研究所，在创立量子力学的过程中，该所成为世界原子物理研究中心。

量子力学的另一个重要观念是物质的波粒二象性。所谓波粒二象性即物质既是波又是粒子，或者既具有波的属性同时又具有粒子的属性。在量子力学诞生以前，人们认为这是不可能的。但后来随着对光的研究的深入，科学家们认识到光同时具有波与粒子的属性，即光的波粒二象性——这我们后面谈到光学还要说，后来一位法国物理学家德布罗意公爵，发现其他微观粒子也具有与光相似的波粒二象性，并进而发现所有的物质都具有这种特征，这就是著名的“物质波”理论。只是那些宏观物体的波长太短，难以探测。量子力学的诞生使人们对微观世界特征的认识前进了一大步，但也在物理学界掀起了一场轩然大波。使物理学界分成两大派，一派以“哥本哈根学派”为主，认为这种不确定性乃是物质的基本属性，因此不需要去试图改变之，只要对这种不确定性进行更详细的了解就行了。以爱因斯坦为首的另一派物理学家则认为，测不准乃是由于现有技术不够先进，将来随着技术与理论的进步必会改测不准为测得准。基于此，爱因斯坦对量子力学的整体都持怀疑态度，他有一句名言“上帝是不掷骰子的”，也就是万能的上帝在创造万物时不会只满足于对它有一个概率性的了解，包括微观粒子也是如此。

针对量子力学的这个争论乃是现代物理学史上最著名的争论之一。爱因斯坦诚然伟大，在这场争论中却失败了，倒是哥本哈根学派大占优势。爱因斯坦虽然是量子力学理论的奠基者，但由于对之持怀疑态度，因此后来在量子力学这一现代物理学的主要领域之内无所作为。据说这也是他后半生没有重大成果问世的原因之一。