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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。谢谢,量子物理发展简史,第1页,量子物理学发展历史回顾,本讲简明回顾量子物理学产生、发展到完善过程中一些,标志性事件,和,代表人物,，试图给出,量子力学理论体系,发展脉络。,第2页,量子物理学发展阶段,旧量子论,时期,量子力学,创建与完善,时期,量子力学,向纵深发展,第3页,旧量子论时期,第4页,1900,年,4,月,27,日 伦敦,“动力学理论断言，热和光都是运动方式。但现在这一理论优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了,”,The beauty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion,is at present obscured by two clouds.,）,在热和光动理论上空,19,世纪乌云,Lord Kelvin(1824-1907),第5页,迈克尔逊莫雷试验,光速与参考系运动无关,第6页,黑体辐射,第7页,普朗克观点：,组成黑体分子、原子视为一系列电磁振子，振子,能量不连续分布,，只能取某一最小能量值,（称为能量子）整数倍；,振子（黑体分子、原子）辐射或吸收能量时只能是能量子,整数倍，或者振子能量是一份一份辐射或吸收，即,振子能量改变也是不连续,。,第8页,经典物理学信条之一就是一切过程和一切物理量都是连续，连续性又是微积分关键思想，而微积分是处理物理问题基本数学工具。微积分创造人莱布尼兹,(1646,年,1716,年,),曾明确指出：假如我们对连续性原理提出疑问，那么世界将会出现许多间隙，而这条间隙就会将这条含有充分理由普遍原理推翻，结果迫使我们不得不乞求奇迹或纯粹机遇来解释自然现象了。普朗克引入不连续能量子突破了经典物理连续性原理。正是这一点被认为是量子物理学诞生标志！,第9页,1905,年，,A.,爱因斯坦提出,光量子（光子）假说,，成功解释了光电效应，在此基础上，于,1909,年深入提出,光波粒二象性理论,。,第10页,光电效应历史,(1),H,.R.,Hertz,1886，,在用莱顿瓶放电试验中，当紫外线照在火花隙负极上，放电比较轻易发生。,W.,Hallwach,1888，,清洁而绝缘锌板在紫外线照射下取得正电荷，而,带负电板在光照射下失掉其负电荷。,J,.J.,Thomson,1899，,阴极射线由电子组成,第11页,光电效应历史,(2),Phillipp,Lenard,1902，,金属在紫外线照射下发射电子,Albert Einstein,1905，,光量子假说,Robert Andrews Millikan,1916，,验证爱因斯坦光电效应量子公式，并准确测定了普朗克常量。,第12页,外光电效应,真空管,光照射某种物质，致使部分电子逃逸,物质表面。这些电子被称为光电子。,光电倍增管,(,Photomultiplier),第13页,经典,麦克斯韦尔,理论,推论,相比与蓝光，红光含有更长周期，因而红光与电子相互作用时间更长，这使得红光比蓝光更轻易使电子逸出。,若入射单色光光强增强，则会有更多电子逸出，且这些电子能量也对应增大。,因为弱光能量相当小，所以在弱光条件下，电子需要更多时间才能逸出。,入射波能量将由上百万个电子分享。,第14页,爱因斯坦光子假说,光子仍保持频率及波长概念。,电磁场和物质相互交换能量不是连续分布，,而是集中在一些叫,光子,(或光量子)粒子上。,光子能量,E,正比于其频率,第15页,爱因斯坦公式(1),脱出功,电子动能,金属中电子吸收了光子能量，一部分消耗在电子逸出功,，,另一部分变为光电子动能。,第16页,光电效应解释,截止频率,0,（红限）,-,只有当入射光频率,0,时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应,遏止电压,-,初动能及反向遏止电压与,成正比,效应瞬时性,-,电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能马上逸出金属表面，无需积累能量时间，与光强无关,第17页,1913,年，,N.,玻尔,(1885-1962),提出,定态跃迁假设，,建立,了原子中电子运动量子理论，成功解释了氢原子光谱结构。,第18页,氢原子光谱-棱镜光谱仪,Source,Slit,Prism,Screen,Blue,Red,第19页,氢原子光谱,第20页,里德伯公式,里德伯公式,n,=1,=2,3,4,紫外区，赖曼系,n,=2,=3,4,5,可见区，巴耳末系,n,=3,=4,5,6,红外区，帕邢系,第21页,卢瑟福原子模型,卢瑟福,有,核模型,原子中正电荷集中在占原子大小万分之一小范围内.,第22页,玻尔氢原子模型,原子稳定状态，即,定态,只可能是一些含有一定,分离值,能量,(,E,1,E,2,E,3,),状态,。,原子处于定态时是不辐射。,因为某种原因，电子能够从一个能级,E,n,跃迁,到另外一个较低(高,),能级,E,m,。,此时，将发射(吸收,),一个光子，光子能量为,发射过程,第23页,量子化条件,和,玻尔能级,第24页,玻尔能级,理论值和里德伯常数一致,第25页,量子物理学三大最基本假设,能量量子化,微观粒子含有,波粒二象性,微观粒子状态改变含有,定态跃迁,性质,普朗克、爱因斯坦、玻尔也所以被公认为旧量子论之父。,第26页,追随,玻尔定态跃迁理论和,1916,年玻尔提出对应原理*，将其应用范围由氢原子扩展到复杂原子体系，最终造成,1925,年海森堡,矩阵力学,形式量子力学建立；,二、高级阶段,-,量子力学建立与完善期,(1925-1930),沿着,爱因斯坦光波粒二象性理论发展，直接造成,1924,德布罗意物质波理论以及,1926,年薛定谔,波动力学,（以薛定谔方程为代表）形式量子力学诞生；,第27页,对应原理,对应原理是玻尔在研究氢原子问题时提出来。,在大量子数极限下，量子理论结果应该趋近于经典物理学结果，或者说“量子理论和经典理论有形式上相同”。,-,对应原理,量子力学理论能够成功描述微观世界物体（比如原子以及基本粒子），而宏观物体（比如弹簧、电阻等）则能够用经典力学和经典电动力学所描述。矛盾在于，同一个物理世界，仅仅因为物体大小不一样，就需要不一样两个理论来描述，这显然是荒谬。这一矛盾就是玻尔阐述对应原理初衷，即,在系统“大”情况下，经典物理学能够认为是量子物理学一个近似,。,第28页,比如，当量子数很大时，原子中电子相邻轨道比较靠近，它们绕转频率几乎相同，依据经典电动力学，这时发光频率应该等于电子绕转频率。,这种量子数很大，且以普朗克常数,h,表征分立效应不显著而靠近连续极限时，应该适用经典物理学描述。,对应原理一直是以玻尔为首哥本哈根学派一主要个指导思想，至今也是量子力学中一个指导性标准*,，正是在对应原理指导下，在,1925,年夏天，海森堡创建了量子力学第一个数学程式,-,矩阵力学。,第29页,海森堡矩阵力学创建,当物理学家试图处理标准性难题时，必须考虑是可观察量,爱因斯坦,论运动学与力学关系量子理论再解释,第30页,在这篇论文中，海森堡有两个基本观点：,可观察性标准,这个标准要求,在理论上应该抛弃那些标准上不可观察量,而直接采取能够观察量来建立理论。对于原子结构这个微观系统海森堡认为“,电子在原子中轨道是观察不到（因而缺乏严格物理基础）,不过从原子发出来光,.,则我们能够直接求出其频率及振幅。知道了振动数,(,频率,),和振幅全体,那就等于是在迄今物理学中知道了电子轨道,。”,第31页,海森堡甚至对玻尔旧量子论提出了怀疑,他指出“,电子周期性轨道可能根本就不存在。直接观察到,不过是分立定态能量和谱线强度,可能还有对应振幅与相位,但绝不是电子轨道。唯一出路是建立新型力学,其中分立定态概念是基本,而电子轨道概念看来是应该抛弃,。”,所以，基于上述标准，海森堡在论文中只考虑了光谱线频率和决定谱线强度振幅等可观察量,。,第32页,对应原理,把原子作为周期系统来分析,电子动量,p,电子坐标,x,深入,描写电子运动其它力学量，如动能、角动量等都能够写成,x,和,p,函数，,而且力学量之间乘法关系不可对易：,（海森堡乘法规则）,第33页,当,海森堡,发觉这种奇怪不对易乘法关系之后深感不安，他坦率地认可：,xy,不等于,yx,这一事实，当初对我来说是很讨厌。我认为在整个方案中这是惟一困难，不然我将非常快活,。,玻恩,开始也难以了解海森堡乘法规则，经过几天冥思苦想，他想起这正是大课时学过矩阵乘法运算规则，从而认出海森堡数集就是矩阵元。他认识到了海森堡论文主要性，马上推荐到,物理杂志,给予发表,。,当初,海森堡,已到英国剑桥访问去了，,玻恩,即刻着手利用矩阵方法为海森堡理论建立严密数学基础。,第34页,不过当初物理学家几乎都不熟悉矩阵运算，所以这方面困难重重。几天后，,玻恩,见到两年前助手,泡利,，表示希望他来同自己合作攻下这个难题，出乎意料是，已经因为提出“不相容原理”等贡献而变得知名泡利反应冷淡。一次偶然机会，玻恩遇见了年轻数学家,约丹,，请求合作。约丹正是这方面内行，欣然应允。,1925,年,9,月，玻恩和约丹联名发表了,论量子力学,一文。在这篇文章中,他们不但采取了海森堡方式,把广义坐标,q,和广义动量,p,用矩阵表示,而且从量子化条件出发,利用对应原理,得出,q,和,p,对易关系,（称为“,强量子条件,”）为,（,I,为单位矩阵）,第35页,1925,年底，玻恩、约丹和海森堡合作发表论文,关于量子力学,，把以前结果推广到多自由度和有简并情况，,系统地叙述了本征值问题、定态微扰和含时间定态微扰，导出了动量和角动量守恒定律，以及强度公式和选择定则，还讨论了塞曼效应等问题，,从而奠定了量子力学基础。文章全方面阐述了矩阵力学原理与方法，宣告,新量子力学,矩阵力学,诞生了,。,第36页,就好像把,x,变成,2 x,一样，我们经常需要把,(x,y),变成,(2 x+y,x-3 y),之类东西，这就叫做线性变换。于是才想到定义矩阵乘法，用于表示一切线性变换。几何上看，把平面上每个点,(x,y),都变到,(2 x+y,x-3 y),位置上去，效果就相当于对这个平面进行了一个“线性拉扯”。,第37页,爱因斯坦引力场方程（广义相对论）,第38页,第39页,矩阵力学奠基之作,论运动学与动力学关系量子理论再解释，海森堡，,1925,关于量子力学,I,，波恩和约当，,1925,关于量子力学,II,，波恩、海森堡和约当，,1925,史称,“,一人文章,”,、,“,二人文章,”,、,“,三人文章,”,返回,第40页,测不准原理,第41页,德布罗意和物质波,德布罗意,1892,年出生于法国贵族家庭，其家族为法国王朝效力了二百多年，其父曾任法国财政部长，其兄,莫莱斯,.,德布罗意,是一位研究,X,射线著名物理学家。,德布罗意,大课时学是中世纪历史，获巴黎大学文学,学士学位。出于对物理学浓厚兴趣，大学毕业后转攻理论物理，师从物理学名家,朗之万,，在后者指导下攻读博士学位。因为提出物质波理论荣获,1929,年诺贝尔物理学奖。,第42页,1923,年,9,、,10,月间，,德布罗意,连续在,法国科学院汇报,上发表了,3,篇主要论文,公布了他相位波理论。,相位波理论,，也就是现在通称,物质波理论,，终于诞生了。,在其第一篇论文,波和量子,中，,德布罗意,将光原子波粒二象性理论推广到任意实物粒子，尤其是电子。,考虑一个静止质量为,m,0,、速度,v,=,c,粒子运动。按,爱因斯坦,相对论及光量子学说，粒子能量,（,1,）,第43页,德布罗意将这个伴随运动粒子由位相定义虚设波称为位相波，现在称为德布罗意波或物质波,*,。,-,德布罗意公式,第44页,随即,德布罗意,将虚设波假设应用到原子中电子上。,德布罗意,构想玻尔氢原子中稳定轨道周长，必须能容纳整数个波长（即,电子位相波形成驻波,）。也只有这么轨道，才是稳定轨道，从而成为现实轨道。,第45页,按德布罗意公式,则有,Bohr,量子化条件！,按驻波思绪，形成稳定轨道条件：,第46页,1924,年，,德布罗意,开始撰写博士论文,量子理论研究,，系统阐述了他之前提出位相波理论。即使德布罗意理论非常新奇、大胆，当初并未受到物理学界重视，,德布罗意自己也说他这些想法很可能被看成是“,没有科学特征狂想曲,”。,即使是他导师,朗之万,也以为德布罗意想法大胆近乎荒谬（谁会相信粒子是波！？）,，并开始担忧他博士答辩能否顺利经过。为此，他把德布罗意论文副本寄给了,爱因斯坦,，请他提出看法。,第47页,素来喜欢物理学上对称性,爱因斯坦,，一下子就看出了,德布罗意,理论正是揭示了光子和物质粒子之间这种对称性，马上意识到德布罗意思想深远意义，而且想到在他自己关于理想气体新涨落公式中出现波干涉项可能正是起源于德布罗意波。所以他热情地复信给,朗之万,，称赞德布罗意,“,已揭开了巨大帷幕一角,”,。随即爱因斯坦在一篇关于单原子理想气体量子理论文章中，大力推介德布罗意理论。正是因为爱因斯坦推荐，,薛定谔,才注意到德布罗意理论，最终建立了波动力学。,第48页,因为,爱因斯坦,大力保荐，,德布罗意,顺利经过了博士论文答辩。答辩时，当德布罗意讲到电子位相波时，答辩主席,佩兰,(J.B.Perrin),马上追问：“这个波怎么用试验来证实呢？”德布罗意回答道：“对电子衍射试验能够观察到。”,1927,年,德布罗意预言被,戴维逊,(C.J.Davisson),和,革末,(L.H.Germer),电子衍射试验所证实。因为论文提出波粒二象性理论，德布罗意,1929,年荣登诺贝尔物理学奖领奖台，,因一篇博士论文而获奖，在历史上这还是首次！,第49页,悬而未决问题,德布罗意波终究是什么样波？是真实波？还是想象波？其波粒二象性假设背后隐藏着什么,“,奥秘,”,？,这些问题，德布罗意未能做出回答。他在博士论文结尾处有这么一段话：,“,我特意将这位相波和周期现象说比较含糊，就像光量子定义一样，能够说只是一个解释。所以最好将这一理论看成是物理内容还未说清楚一个表示方式，而不是看成最终定论学说。,”,第50页,在,薛定谔,方程提出来之后，为了解释波函数物理意义（,1926,年），薛定谔将德布罗意位相波了解为像电磁场,E,和,B,那样“,物质波,”，代表一个真实物理波动。,作直线运动自由粒子波包,薛定谔认为波动就是一切，粒子不过是波聚集，他称之为,“,波群,”,，也就是以后所说,“,波包,”,。,第51页,薛定谔,“,波包即粒子,”,观点存在以下困难：,物质波波函数是粒子坐标函数，即,(r,1,r,2,r,n,),，对于像氦原子这么两体（两个电子）问题，电子波函数是,6,维坐标空间函数，它怎样对应为一个真实“物质波”呢？因为一个真实物理波场（如电磁场,E,和,B,）都是分布在三维坐标空间。,波包普通随时间扩散，而一个微观粒子，比如说电子，其稳定性已经被无数试验证实。,第52页,薛定谔波动力学创建,量子力学另一个形式,波动力学,是沿着一条和矩阵力学完全不一样思想路线建立起来。它奠基人是奥地利学者,薛定谔,。,埃尔温,.,薛定谔,(E.Schrdinger,，,1887-1961),毕业于奥地利维也纳大学物理系，是,玻耳兹曼,学生。他受玻尔兹曼影响很深,早年从事分子运动论、统计力学及连续介质物理等方面研究工作。,第53页,1921,年，,34,岁,薛定谔,受瑞士苏黎世大学之邀任数学物理教授。而当初颇有名气,德拜,则在同一城市联邦技术学院任教，并主持这两所学校联合组织一个定时物理学讨论班。,1925,年,11,月，德拜在一次讨论会上要求薛定谔做一个汇报，介绍,德布罗意,位相波理论。汇报完成后，德拜评论说，这种想法还不成熟，要是一个波话，就应该有波动方程。几个星期后一次讨论会上，薛定谔说：“我同事德拜提出应该要有一道波动方程，好，我已经找到了。”,第54页,其实，在此之前,薛定谔,一直在从事这方面工作。薛定谔最初接触,德布罗意,位相波理论是因为,爱因斯坦,缘故，后者,1924,年底曾在一篇关于单原子气体量子理论文章中对德布罗意思想大力推崇。受德布罗意思想启发，薛定谔希望能找到一个表示德布罗意波（薛定谔称之为“物质波”）波函数和一个表示物质波传输波动方程。,德布罗意波波动方程建立标志着薛定谔称之为,波动力学,量子力学诞生！它完全不一样于稍早时候海森堡等人建立,矩阵力学,，是量子力学另一个数学表现形式。,第55页,薛定谔建立波动方程思想,1926,年1,6,月,薛定谔,一连发表了四篇论文，题目都是,量子化就是本征值问题,，系统地说明了他波动力学理论，其理论关键就是微观粒子波动方程（,i.e.,薛定谔方程,）。,薛定谔,建立物质波波动方程基本思想就是经过与经典物理学（波动理论）,类比,。,薛定谔,建立波动方程主要思绪以下：,第56页,同时，这种方程属于,第一原理,，不可能从现有（经典）理论体系和原理逻辑地推导出来，因为现有理论结论与量子特征事实相背。,那么只能采取种种非逻辑伎俩，靠,物理直觉,和提出适当物理要求去探索、,猜测,。假如“猜”得正确，它应该给出与实际相符合结果。,薛定谔,首先把微粒物质波表示成,波函数,，然后寻找决定,微观粒子运动力学方程,（因为波粒二象性，这力学方程必是,波动方程,，故由此而建立起来理论薛定谔称之为,波动力学,），他希望经过这种方程解自然地得到量子化结果，并能正确地预见一系列试验结果。所以这个方程应该是,量子理论基本方程,，就像宏观粒子牛顿力学方程一样。,第57页,英国当代著名哲学家,波普尔,受到爱因斯坦影响和启示指出：,观察与理论之间并没有逻辑通道,薛定谔注意到，德布罗意是经过光与实物粒子,类比,提出波粒二象性。他就接着,把与光和粒子相关理论也作了个类比,，可能经过这种类比能打开通往量子力学基本方程通道。,柏格森,认为：,理论产生于非理性原因或创造性直觉,第58页,波动光学,几何光学,经典,波动理论,粒子性理论,短波长极限,关于德布罗意波理论（猜测？）,波动力学（？）,量子,波动理论,经典力学,粒子性理论,短波长极限,关于光理论,由这个类比薛定谔猜测，量子基本方程应该是波动方程，而且这方程能够经过与经典波动理论类比得到！,相同？,相同,第59页,不过这个波动方程又不可能与经典波动方程一样。因为利用它，既要能够描写微观粒子干涉、衍射、偏振等波动性行为，又要能够自然给出量子化结果（能量量子化、角动量量子化等）。,目标确立，要建立一个波动方程。,怎样才能做到这一点呢？,薛定谔又注意到，从波粒二象性观点看，能量量子化必定和频率量子化相关（）。而德布罗意告诉人们，驻波方程是能够自动地给出频率量子化。,薛定谔由此把握到：,量子基本方程应该含有驻波方程结构,第60页,德布罗意波波动方程,给出粒子波动行为,给出能量量子化等结果,给出频率量子化,驻波方程,第61页,接下来工作就是与经典驻波方程进行类比。,经典驻波必须满足波动方程（动力学方程）：,其中,u,波相速度,-,波函数,对经典电磁波，该方程一样满足。只要替换,在边界条件下求解方程即可得驻波解（驻波方程）。,与微观粒子相联络物质波（如电子波），其驻波解一样满足该波动方程，但要做替换：,第62页,设物质波波函数,有以下形式：,(,定态波函数,),代人上式有,E,、,p,、,V,分别是微观粒子能量、动量和势函数。,定态薛定谔方程,第63页又因为波动方程能够写为,对比之下,有动量,p,算符形式,而由假设,有,从而得到哈密顿量,H,（即能量,E,）算符形式,第64页,而有,含时薛定愕方程：,薛定谔,用这个方程去解氢原子问题,得到了与试验相符结果，从而说明了这个经过类比法“猜测”出来方程是正确。,薛定谔波动方程描述了物质波函数,随时间改变规律,它地位与经典力学中牛顿方程相当，是描述微观粒子运动基本力学方程。,第65页,薛定谔波动力学优点,是十分显著。首先数学上采取是大家十分熟悉,微积分,物理概念上则采取,“,粒子,=,波包,”,模型,将电子物质波一个个驻波谐振模式取代了玻尔理论中一个个定态,从一个谐振模式到另一个谐振模式连续过渡取代了玻尔理论中量子跃迁,*,这又与人们背景知识、传统信念相协调。因为,波动力学用偏微分方程处理方式取代了迷惑不解矩阵与,q,数计算,使得人们有了一个,“,得救,”,了感觉。正如索末菲所说,:,“,尽管矩阵力学真理性不容置疑,但它处理手法极其复杂和惊人抽象。现在好了,薛定谔解救了我们。,”,第66页,矩阵力学和波动力学等价性,薛定谔创造波动力学论文发表之后，物理学界都为海森堡矩阵力学和薛定谔波动力学两种形式悬殊理论是否相通感到迷惑。而当事双方也都不能容忍对方理论。,海森堡,对薛定谔论文,态度,是,只认可它数学简明性和,“,难以置信,”,有趣,却拒不认可其物理意义上任何优越性,;,而,薛定谔,则声称,:,“,我理论是受德布罗意鼓舞,但我一点也不认为与海森堡有什么继承关系。我当然知道他理论,不过它使我沮丧,假如不说反感话,那种深奥艰涩代数对我而言是太难了,我也太缺乏想象力了。,”,第67页,波动力学出现也造成了,物理学界内讧,，当初,物理学家们分成了两派,:,一派欢迎矩阵力学举世无双成功而不顾及它抽象性,另一派则热衷于波动力学清楚流畅推导,不再把矩阵力学作为物理学希望而逐步转向波动力学。所以矩阵力学与波动力学之间,反抗形成了寻求量子力学形式体系实质性解释基本背景,。,第68页,那么,量子力学形式体系物理实质终究是什么,?,其实,这一问题早在,1926,年,5,月,薛定谔,就,已经证实,:波动力学与矩阵力学这两个表面上看来形式与内容都不相同理论,实际上是等价。比薛定谔证实等价性更深入是,狄拉克,在,1926-1927,年发表两篇关于“,表象变换理论,”文章,终于将薛定谔、海森堡理论二者统一在一起了。,狄拉克,第69页,因为狄拉克工作，人们从此不用再称呼海森堡量子力学或者薛定谔量子力学，而是统统称作量子力学，,海森堡矩阵力学和薛定谔波动力学只不过是量子力学很多表现形式中二者不一样数学形式而已。,海森堡,矩阵力学,和薛定谔,波动力学,以及联络二者狄拉克,表象变换理论,已经成为当代量子力学教科书基本内容。,第70页,狄拉克方程,第71页,第72页,量子化是本征值问题（一组四篇论文）薛定谔，,1926,波动力学,矩阵力学,论运动学与动力学关系量子理论再解释，海森堡，,1925,关于量子力学,I,，波恩和约当，,1925,关于量子力学,II,，波恩、海森堡和约当，,1925,量子力学,表象变换，狄拉克，,1926,等 价,第73页,到,1930,年，尤其是,1925-1927,年两年多时间里，量子力学快速发展成为一个完整理论，其主要内容可概括为：,矩阵力学、波动力学、波函数统计解释、表象变换理论、测不准关系、互补原理,。,第74页,互补（并协）原理,（,Complementarity,）,不确定关系揭示了一个深层次问题，那就是：辐射场和微观粒子含有波粒二象性，但,我们在任何一项试验中所包括都只能是波性或粒子性一个方面。而不可能在同一项试验中即反应出波性又反应出粒子性。,在衍射试验中包括是能量、动量分布与传输，它显著表征出波性，要用波语言（,、,）描述，用波图像了解。,在相互作用（碰撞）试验中，包括是能量和动量交换，它又显著表征出粒子性，要用粒子语言描述，按粒子图像去了解。,第75页,这就是说，在物质表现出它粒子性时，它波动性就必定被抑制；一样，假如准确地测出了波动性，从而粒子性就将完全观察不到。,在分析了微观运动这些性质后，玻尔于,1927,年提出互补原理。,他认为，在不一样试验情形下，相关原子系统所得证据，不能从单一模型来了解，,电子波动模型与粒子模型是矛盾又是互补。,玻尔尤其强调，微观客体行为有赖于观察条件。他认为，一个物理量或客体特征不是本身就存在，它由我们观察或扰动时才有意义。,第76页,比如，在双缝试验中，你测量粒子经过了哪一个缝，等于强调了波粒二象性粒子特征，你就得到“粒子”图像，与粒子性互补波动性便被排斥了，干涉条纹也就不再存在了。,在微观物理试验中，不是对一个现成状态进行测量。测量前并没有这么一个状态，而是测量“制造”出了这个状态。,说白了，意思就是,在微观物理现象里，一个物质确实能够有各种不一样存在形式，不能认为现在观察到物质一个形式，在观察之前就必定已经存在了。比如一些放射性核能释放出电子，当看到从原子核里放出电子时，你不能由此断定刚才核里必定有这个电子。,第77页,玻尔认为：仪器本身只能提供经典波态或粒子态环境。换言之，,仪器作用是制造一个经典波或粒子陷阱。,在微观粒子进入仪器之前，它应该处于波粒二象态（或者说叠加态）。而当它进入仪器后就落入这个陷阱，要么展现波态，要么展现粒子态,。,仪器与微观粒子这种相互耦合被称为,量子退相干（,Quantumdecoherence,）作用,。,第78页,1937,年，玻尔怀着对中国人民十分友好感情来我国访问、讲学。访问后玻尔曾说，中国治学传统使他产生了灵感。,1947,年在玻尔亲自设计他家族族徽，在这个族徽中心部分，就采取了我国古代流传、含有阴阳图案太极图。,他发觉，他伟大创造互补原理，在中国古代文明中早就有了先河。并认为，“阴阳”图是互补原理一个主要标志。,之后，他曾在很多场所用了这个标志。,第79页,玻尔认为，中国古代哲学早就提醒我们：,在,“存在”,这出伟大戏剧中，,我们既是演员又是观众。,第80页,我们知道，量子力学必须建立在试验观察结果之上，而试验观察又依赖于测量仪器以及测量程序安排，那么这么试验结果就必定不是一个独立不依客观世界不走样反应。,所以，,量子力学所提供世界图景标准上无法排除观察主体作用，它所展示是一幅主体和客体相互作用、相互交融图景,。,第81页,海森堡就说过：,把世界分为主观和客观、内心和外在、肉体和灵魂，这种惯用分法已不再适用,自然科学不是简单地描述和解释自然，它乃是自然和我们人类之间相互作用一个组成部分。,第82页,玻尔互补原理引发了极大争议。,爱因斯坦在这个问题上与玻尔展开了激烈论战。有一次他同,派斯,散步时候做了个意义深刻宏观比喻，爱因斯坦问派斯：,“月亮在无人看它时候存在吗？,”,玻尔则在他争辩中重复指出，现象不属于微观客体，而属于客体与仪器组成系统。它反应不是客体性质，而是客体与仪器关系。要从现象中提取客体本身信息，不能用排除仪器对现象影响方法，而只能用互补方法多角度透视。,后人指出，玻尔发觉了“现象”,(,观察结果,),对于仪器依赖性，正如爱因斯坦发觉“现象”对于时空参考系依赖性一样。,第83页,1927,年第五届索尔维会议,(,布鲁塞尔,),爱,因,斯,坦,郎之万,洛仑兹,居里夫人,普,朗,克,小,布,喇,格,埃,伦,法,斯,特,康,普,顿,薛,定,谔,德,布,罗,意,玻,尔,泡,利,德,拜,狄,拉,克,海,森,堡,玻恩,威尔逊,第84页,阅读材料,2,索尔维会议被公认为”物理学界首脑会议“，是一位,比利时,实业家欧内斯特,索尔维创建。,1911,年,第一届索尔维会议在,布鲁塞尔,召开，以后每,3,年举行一届。,1927,年，第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了，此次会议,爱因斯坦,与,玻尔,两人就波函数统计解释进行了大辩论，爱因斯坦以“上帝不是在掷骰子”名言表示了对量子力学不可知论反感。这是他们关于量子力学大论战第一次交锋。这次索尔维峰会被冠之以“最著名”称号除了是因为玻尔和爱因斯坦两人第一次论战之外，还因为与会众多物理学界“明星”。,该届索尔维会议上有三大阵营。以玻尔为中心便是哥本哈根学派，年轻、激情是他们标签，因而被称为反叛一群。其中有尼尔斯,玻尔、马克斯,玻恩、海森伯、沃尔夫冈,泡利等。,索尔维会议介绍,反叛哥本哈根学派,第85页,尼尔斯,玻尔（,Niels Bohr,，,1885,1962,，中排右一），在量子力学发展上提出了含有突破性“对应理论”，成为量子力学奠基人之一，哥本哈根学派掌门人。,马克斯,玻恩（,MaxBorn,，,1882,1970,，中排右二）是德国理论物理学家，量子力学奠基人之一。从,1923,年开始，他致力于发展量子理论。因为他从详细碰撞问题分析出发，提出了波函数统计诠释，于,1954,年取得了诺贝尔物理学奖。,同为德国人海森伯（,Werner Karl Heisenberg,，,1907,1976,，后排右三）是量子力学第一个有效形式（矩阵力学）创建者，他更是为后人留下了一个神秘诡谲“海森伯之谜”。“二战”期间，纳粹德国召集众多科学家研制原子弹，海森伯是其中关键人物，但最终德国并没有造出原子弹，有一说法正是海森堡没有尽全力，但海森伯本人一直拒绝披露其中真相。,美籍奥地利科学家沃尔夫冈,泡利（,Wolfgang Pauli,，,1900,1958,，后排右四）是上世纪主要理论物理学家之一。不相容原理、核子自旋假设、中微子假设，以及粒子自旋和统计之间关系阐述，都是他对物理学发展作出卓越贡献。,第86页,尽管哥本哈根学派所提出量子力学有没有穷魅力，但爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等人还是对此提出了质疑，这些质疑一样促进了量子力学发展。,阿尔伯特,爱因斯坦（,Albert Einstein,，,1879,1955,，前排正中）名字与相对论是截然不可分，不过这位,20,世纪最有智慧头脑还提出过光量子，他和马克斯,普朗克、尼尔斯,玻尔一样为量子力学最初发展做出了巨大贡献。在这张照片中，他居于最突出位置，可见他当初地位。,埃尔温,薛定谔（,Erwin Schrodinger,，,1887,1961,，后排右六）是奥地利理论物理学家。,20,世纪,20,年代，因为量子力学发展，薛定谔名字与爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森堡等捆在了一起，而那只半死半活“薛定谔猫”更是科学史上著名怪异形象之一。,1933,年，薛定谔因建立描述电子和其它亚原子粒子运动波动方程，取得诺贝尔物理奖。在爱因斯坦和玻尔论战中，他是支持爱因斯坦最有力科学家。,路易斯,德布罗意德布罗意（,Louls,Victorde Broglie,，,1892,1987,，中排右三）是法国著名理论物理学家，物质波理论创建者。,1924,年,11,月，德布罗意在博士论文中阐述了著名物质波理论并指出电子波动性。这一理论为建立波动力学奠定了坚实基础。因为这一划时代研究结果，使他取得,1929,年诺贝尔物理学奖。,哥本哈根学派质疑者,第87页,荷兰物理学家亨德瑞克,安图恩,洛伦兹（,Hendrik Antoon Lorentz,，,18531928,，前排左四），在莱顿大学任教期间创建了电子论，并与塞曼因研究磁场对辐射现象影响，发觉塞曼效应，分享了,1902,年度诺贝尔物理学奖。,1904,年他提出著名洛仑兹变换公式，并指出光速是物体相对于以太运动速度极限,。,洛伦兹不但是物理学界明星人物，因为其通晓人文地理，且掌握多门外语，是国际物理学界各种集会很受欢迎主持人，此次物理学家峰会便是由其主持。,物理学界明星主持人,这些物理界明星人物中，有一人还对中国物理学会成立起过主动作用，那便是保罗,朗之万（,Paul Langevin,，,18721946,，前排右四）。朗之万生于巴黎，,1905,年他看到爱因斯坦论文后，对相对论表示了浓烈兴趣，并和爱因斯坦结下了深挚情谊。他形象地阐述相对论并作了大量宣传工作，因而有“朗之万炮弹”美称。,中国物理学会“催化剂”,第88页,1931,年，正值“九一八事变”发生，朗之万受国际联盟委托来中国考查教育，对中国人民抗日活动表示声援。他甚至呼吁中国物理学界联络起来，催化了当初酝酿已久中国物理学会成立。朗之万本人也成为中国物理学会第一位声誉会员。,索尔维会议（详细过程）,量子力学论战,量子力学产生以来,正确性以被大量试验验证,.,然而,量子力学存在一个重大问题没有处理,:,量子力学是否是完备,波函数是否准确描写了单个体系状态,.,哥本哈根学派认为,:,1.,波函数准确地描述了单个体系状态,.,2.,波函数提供统计数据,测不准关系存在是因为粒子与测量仪器之间不可控制形,.,3.,在空间,时间中发生微观过程和经典因果律不相容,.,爱因斯坦对此并认同,一个没有严格因果律物理世界是不可想象,.,他认为,:,量子力学可能出了问题,.,一场世纪大辩论即将展开,.,第89页,第一次论战,派系会议分为三派,:,试验派,:,布拉格 康普顿歌本哈根学派,:波尔 波恩 海森伯,爱因斯坦派,:,爱因斯坦 德布罗意 薛定谔,论战展开,罗意德布罗意说,:,粒子是波场中一个奇异点,波引导着粒子运动,.,泡利狠狠批评这个理论,举出一系列试验结果反驳德布罗意,德布罗意被迫放,弃自己观点,.,海森伯和波恩说,:,我们主张量子力学是完备,它基本物理假说和数学假设,不能深入修改,.,他们攻击薛定谔电子云,.,薛定谔认可自己计算不完美,但谈论电子轨道是胡扯,.,爱因思坦终于说话了,他提出一个模型,:,一个电子经过一个小孔得到衍射图像,.,爱因斯坦指出两种观点,:,1.,这里没有一个电子,只有一团电子云,2.,确实只有一个电子,波函数是“几率分布”,爱因斯坦反对观点2,因为,:,这种随机性表明同一过程产生不一样结果,.,第90页,即感应屏许多区域同时对电子观察作出反应。而这似乎暗示一个超距作用,从而违反相对论。,海森伯回想,讨论很快就变成一场爱因斯坦和波尔之间决斗,.,我们普通在旅馆用早餐就见面,于是爱因斯坦就描绘一个思维试验,他认为从中能够清楚地看出歌本哈根解释内部矛盾,.,普通来说玻尔在黄昏时候就对这些理想试验完全心中有数,他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听,.,爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气,.,爱因斯坦失利爱因斯坦如此虔诚地信仰因果律,以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗概率解释,.,上帝不掷骰子,!,不过第一次论战他输了,.,输给玻尔哥本哈根学派,.,第91页,第二次论战,三年后秋天,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开,.,爱因斯坦算盘爱因斯坦凭着和玻尔交手经验知道,:,在细节问题上是争不出个什么所以然他必须得瞄准最关键精华所在,:,不确定性原理,!,爱因斯坦提出光箱试验箱子里有若干光子,.,打开时间,t,只放出一个光子,t,确定，于是箱子轻了,m,能够用理想,秤测出，将,m,代入,E=mc,2,E,也确定，,E,和,t,都确定,测不准原,理,Et h/2,不成立。这个试验精华所在是,:,在准确测量,t,时,能够准确测量,m,，而,m,能够由质能方程转化为精,确,E,，,E,、,t,都是准确,测不准关系失效了。,玻尔对此毫无准备,他脸如死灰,呆若木鸡第二天,玻尔胜利到来了,第92页,玻尔指出,:,一个光子跑了,箱子轻了,m,，用弹簧秤秤,设置零点,设位移,q,，依据广义相对论红移效应,箱子在引力场移动,q,t,也对应改变,T,。,能够计算,:Th/mc,2,，代入,E=mc,2,，得,ET h/2,这次轮到爱因斯坦说不出话了，爱因斯坦广义相对论推翻了他自己。哥本哈根学派大获全胜。玻尔又赢了，爱因斯坦并不甘心。,爱因斯坦不得不认可哥本哈根解释是没有矛盾,量子力学依靠概率论,.,但他认为这种统计描述并不是完整,图像,.,用爱因斯坦自己话说,量子力学理论是不完备,波函数并不能准确描写单个体系状态,.,它所包括是许多体系,只是一个,系宗,.,哥本哈根学派统计描述只是一个中间阶段,应该寻求更完备理论,.,与这类似,玻姆理论认为,:,当前量子力学之所以是一个统计理论,(,哥本哈根派解释,),是因为存在还未发觉隐变量,.,个别体系规律,正是由它们决定。假如能找出隐变量就能够准确地决定微观现象每一次测量结果,而不只是决定各种可能出现结果几率,.,也就是说,假如发觉隐变量,那么因果律还是存在,上帝不掷骰子,.,第93页,尾声,爱因斯坦没有出席第七届索尔维会议,因为纳粹德国迫害而背井离乡,.,而这次会议主题已改成原子物理,.,量子力学索尔维会议已经结束了,.,然而事情并没有就此完结,.,1935,年,薛定谔发表论文