第二節：統治物理界的兩大理論係統

在當今物理界有兩大理論支柱，即愛因斯坦提出的解釋宏觀物理現象的相對論和以玻爾哥本哈根派為代表的解釋微觀世界的量子力學。相對論解決了對宏觀世界問題的解釋，量子力學解決了對微觀量子世界的解釋。

相對論分為狹義相對論與廣義相對論，兩者的區別是，前者討論的是勻速直線運動的參照係（慣性參照係）之間的物理定律，後者則推廣到具有加速度的參照係中（非慣性係），並在等效原理的假設下，廣泛應用於引力場中。相對論顛覆了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念。

相對論把時間與空間緊密聯係起來，提出四維時空、大質量物體可以彎曲空間，並提出光速恒定，及解決了質量與能量之間聯係的質能方程問題。

在經典物理學中時間是絕對的，愛因斯坦的相對論把時間與空間聯係起來了，時間成為宇宙中的一維，時空坐標t和空間坐標x、y、z構成一個四維的剛性連續時空，時間是可以因速度而歪曲，速度越大，時間越慢。狹義相對論導致的另一個重要的結果是關於質量和能量的關係，在此以前物理學界一直認為質量和能量是不同的、沒有聯係的。愛因斯坦給出了一個著名的質量——能量公式：E=MC2，其中C為光速，於是質量可以看做是它的能量的量度。微小的質量蘊涵著巨大的能量，這就是原子能，一公斤的核材料的能量可以達到幾百萬噸的煤的能量。

對於相對論，大部分物理學家，其中包括相對論變換關係的奠基人洛侖茲，都覺得難以接受。包括現代人，在接受相對論的時候，都要用很久時間才能體驗到相對論的精髓，或者隻理解了其中一部分。就連瑞典皇家科學院1922年把諾貝爾獎金授予愛因斯坦時，也隻是說“由於他對理論物理學的貢獻，更由於他發現了支配光電效應的定律”，卻對於他的相對論隻字未提。

相對論和量子力學是現代物理學的兩大基本支柱。量子論給我們提供了新的關於自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質世界的基本規律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等。當然量子力學本身存在其不完備性，像玻爾認為量子世界不需要探求因果關係的思維，在當代是不合時宜的。

量子力學主要表現在波粒二向性、概率性，和測不準原理。

量子力學的測不準原理表明：一個微觀粒子的某些物理量（如位置和動量或方位角與動量矩還有時間和能量等），不可能同時具有確定的數值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。

波粒二象性是指某物質同時具備波的特質及粒子的特質。波粒二象性是量子力學中的一個重要概念。在經典力學中，研究對象總是被明確區分為兩類：波和粒子，前者的典型例子是光，後者則組成了我們常說的“物質”。1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。1924年，德布羅意提出“物質波”假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有幹涉和衍射等波動現象。而且粒子波具有概率性，這被後來的電子衍射試驗所證實。

費曼曆史求和說的是每個粒子從一點到達另一點，不僅具有一個曆史，而是具有所有可能的曆史，這些曆史在求和過程中絕大多數都給抵消了，隻剩下有限的曆史，最後求和成一個軌跡。人們做了大量的探索與實驗來追求量子背後隱藏的世界。

粒子實驗，量子的反常行為

著名的雙縫實驗和時間延遲實驗，在這兩個實驗裏，除了證明粒子具有波粒二向性外，我們還發現了一個奇怪的現象。

在雙縫實驗裏，人們試圖觀察電子的軌跡，當人們用有觀察儀器觀測的時候，電子似乎知道了人的觀測行為，於是改變了軌跡。而在時間延遲實驗裏，在另一個路徑上，當一個人試圖擋住該路徑的光的傳播路線的時候，光似乎知道了這種情況，於是選擇了另一條路徑，而不走這條路徑。

在玻姆理論裏，他認為像電子這樣的基本粒子本質上是一個經典的粒子，以它為中心發散出一種勢場，這種勢場能達到宇宙的邊緣，使它每時每刻都對周圍的環境了如指掌。當一個電子向一個雙縫進發時，它的量子勢會在它到達之前便感應到雙縫的存在，從而指導它按照標準的幹涉模式行動。

如果實驗者試圖關閉一條狹縫，無處不在的量子勢便會感應到這一變化，從而引導電子改變它的行為模式。如果你試圖去測量一個電子的具體位置的話，你的測量儀器將首先與它的量子勢發生一種無法被直接觀測到的作用。

玻姆理論能夠很大程度上滿足觀測，但其數學形式卻極為繁瑣，並且玻姆在恢複了世界的實在性和決定性之後，卻放棄了另一樣東西：定域性。定域性指的是，在某段時間裏，所有的因果關係都必須維持在一個特定的區域內，而不能超越時空來瞬間地作用和傳播，但是在玻姆那裏，他的量子勢可以瞬間傳播粒子所需要的信息。這似乎又為超光速提供了一個理論依據。