量子學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史-

1、Skdjasdlkhawdohiaw dihawo ;dAIOPWHd io;awdhiop ahWpdhawpdhawiohdAIO”idhwiowdhawihdaiwhdiawhdiawhdoihawodhawiodhshdjklhawidjiawDdasdjwkdhDdawdhawkjdhDdwa量子學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史姓名:康洪凱學(xué)號(hào):08818101院系:國(guó)際商學(xué)院財(cái)務(wù)管理量子力學(xué)意味著什么?波函數(shù)到底是什么?測(cè)量是什么意思?這些問(wèn)題在早期都激烈爭(zhēng)論過(guò)。直到1930年,玻爾和他的同事或多或少地提出了量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)闡釋,即哥本哈根闡釋;其關(guān)鍵要點(diǎn)是通過(guò)玻爾的互補(bǔ)原理對(duì)物質(zhì)和事件進(jìn)行概率描述,調(diào)和

2、物質(zhì)波粒二象性的矛盾。愛(ài)因斯坦不接受量子理論,他一直就量子力學(xué)的基本原理同玻爾爭(zhēng)論,直至1955年去世。關(guān)于量子力學(xué)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是:究竟是波函數(shù)包含了體系的所有信息,還是有隱含的因素(隱變量決定了特定測(cè)量的結(jié)果。60年代中期約翰S貝爾(John S. Bell證明,如果存在隱變量,那么實(shí)驗(yàn)觀察到的概率應(yīng)該在一個(gè)特定的界限之下,此即貝爾不等式。多數(shù)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與貝爾不等式相悖,他們的數(shù)據(jù)斷然否定了隱變量存在的可能性。這樣,大多數(shù)科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的正確性不再懷疑了。然而,由于量子理論神奇的魔力,它的本質(zhì)仍然吸引著人們的注意力。量子體系的古怪性質(zhì)起因于所謂的糾纏態(tài),簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái),量子體系(如原子不僅能處

3、于一系列的定態(tài),也可以處于它們的疊加態(tài)。測(cè)量處于疊加態(tài)原子的某種性質(zhì)(如能量,一般說(shuō)來(lái),有時(shí)得到這一個(gè)值,有時(shí)得到另一個(gè)值。至此還沒(méi)有出現(xiàn)任何古怪。量子物理學(xué)是在二十世紀(jì)初葉形成和發(fā)展起來(lái)的。它所研究的對(duì)象是微觀世界客體(電子、原子、分子等的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其性質(zhì),是我們目前認(rèn)識(shí)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。在十九世紀(jì)末以前,通過(guò)總結(jié)有關(guān)研究宏觀物體的性質(zhì)、它們的相互作用以及在空間內(nèi)的位置移動(dòng)等的大量實(shí)驗(yàn)資料,建立了一套理論,稱(chēng)為經(jīng)典物理學(xué)。經(jīng)典物理學(xué)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)達(dá)到了比較高的程度,應(yīng)用它的概念能夠說(shuō)明自然界的大量現(xiàn)象。因此在當(dāng)時(shí)一部分物理學(xué)家中曾經(jīng)形成一種印象,認(rèn)為物理學(xué)已發(fā)展到了最完善的階段,今后的工作

4、只不過(guò)是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的概念去解釋新發(fā)現(xiàn)的各種現(xiàn)象而已。牛頓力學(xué)在當(dāng)時(shí)被抬高到了絕對(duì)真理的地位。但是在十九世紀(jì)末和二十世紀(jì)初,由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,物理學(xué)的研究領(lǐng)域開(kāi)始從宏觀世界逐漸深入到微觀世界,在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象,例如光電效應(yīng)、電子、X射線和放射性等等,利用經(jīng)典物理學(xué)的概念完全無(wú)法解釋,由此暴露了經(jīng)典物理學(xué)基本原理的嚴(yán)重局限性。這些局限性表現(xiàn)在:第一,對(duì)熱物體電磁輻射(光輻射、熱輻射進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和理論研究,證明了經(jīng)典物理學(xué)不能解釋實(shí)驗(yàn)上所觀察到的輻射譜,甚至在最簡(jiǎn)單的絕對(duì)黑體輻射的情況下,也是如此。第二,按照經(jīng)典理論,電子圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)應(yīng)放射出電磁波,電子由于輻射而損失能量,最后應(yīng)落

5、到原子核內(nèi),但這和原子的穩(wěn)定性相矛盾。第三,應(yīng)用經(jīng)典物理學(xué)理論說(shuō)明原子和分子的性質(zhì),也都得到和實(shí)驗(yàn)不符合的結(jié)果。經(jīng)典理論也不能解釋原子的輻射譜和吸收譜的分立性質(zhì)。第四,曾經(jīng)有人企圖發(fā)現(xiàn)以太的運(yùn)動(dòng)或物體相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng),但都得到否定結(jié)果。于是,愛(ài)因斯坦在一九五年創(chuàng)立了狹義相結(jié)論。這些事實(shí)證明,經(jīng)典物理學(xué)只能描述低速的宏觀物理現(xiàn)象,而不能描述低速或高速的微觀物理現(xiàn)象。經(jīng)典物理學(xué)包含有相對(duì)真理的內(nèi)容,但是有很大的局限性。因此有必要建立新的理論來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)上所發(fā)現(xiàn)的新事實(shí)。一九年德國(guó)物理學(xué)家普朗克為了克服應(yīng)用經(jīng)典理論解釋黑體輻射所遇到的困難,曾提出了一個(gè)大膽的假設(shè)。他認(rèn)為,輻射過(guò)程是量子性質(zhì)的,即能量的輻

6、射和吸收是一份一份的,這一份一份的能量稱(chēng)為能量子,而并不象經(jīng)典的電動(dòng)力學(xué)和電子論所假定的那樣,輻射的發(fā)射和吸收是連續(xù)的過(guò)程。普朗克根據(jù)這個(gè)假設(shè)得到的絕對(duì)黑體輻射公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地符合?，F(xiàn)在這個(gè)關(guān)系式已成為近代物理學(xué)的基礎(chǔ)之一。這就是最初的量子論,它標(biāo)志著量子物理學(xué)的開(kāi)端。后來(lái)愛(ài)因斯坦把普朗克的概念進(jìn)一步加以發(fā)展,指出能量的不連續(xù)性反映著電磁輻射的粒子結(jié)構(gòu),提出了光量子即光子的概念。他認(rèn)為不但輻射的發(fā)射和吸收是通過(guò)一個(gè)個(gè)量子進(jìn)行的,而且輻射的傳播也保持著量子性質(zhì),即輻射波場(chǎng)可以分成一個(gè)個(gè)元波場(chǎng),它們彼此獨(dú)立地與物質(zhì)相互作用。愛(ài)因斯坦曾利用這一量子概念成功地解釋了光電現(xiàn)象、固體的熱容量、光化學(xué)作

7、用等。以后還解釋了其他一些現(xiàn)象。量子論雖取得了這些成就,但是,它在解釋許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)時(shí)仍然遇到了嚴(yán)重困難。它仍然不能解釋物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中所提出的許多原則性問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)上所發(fā)現(xiàn)的越來(lái)越多的新現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)工作的發(fā)展,要求提出更完善的理論。一九一一年英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子的有核結(jié)構(gòu),原子是由一個(gè)帶正電荷的小而重的核和一個(gè)或幾個(gè)繞核運(yùn)動(dòng)的核外電子組成的。一九一三年丹麥物理學(xué)家玻爾曾用經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律,加上普朗克提出的量子概念來(lái)闡明這種原子結(jié)構(gòu),創(chuàng)立了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的初步量子理論,這是量子論的進(jìn)一步發(fā)展。玻爾理論在某種程度上反映了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的個(gè)別重要規(guī)律,但它畢竟不是描述原子結(jié)構(gòu)的徹底理論。首先,這一理論

8、本身仍以經(jīng)典概念為基礎(chǔ),只不過(guò)加上了一些反映微觀粒子運(yùn)動(dòng)具有量子特性的量子條件。其次,這一理論只能解釋只有一個(gè)電子的最簡(jiǎn)單原子氫原子或類(lèi)氫原子的譜線頻率,而不能說(shuō)明譜線的強(qiáng)度和偏振。應(yīng)用到說(shuō)明具有兩個(gè)電子的氦原子光譜時(shí),理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)事實(shí)也是完全不相符合的。所有這些都說(shuō)明,玻爾理論只是從經(jīng)典理論過(guò)渡到物質(zhì)結(jié)構(gòu)量子理論的過(guò)渡階段。當(dāng)前玻爾理論已被量子力學(xué)所取代,但它的部分成就在歷史上起過(guò)重大作用,促進(jìn)了量子物理學(xué)的向前發(fā)展。一九二六年至一九二七年間,通過(guò)玻爾、海森堡、薛定諤、德布羅衣、狄拉克和其他人的研究,建立了一種嚴(yán)格的關(guān)于原子過(guò)程的理論,稱(chēng)為量子力學(xué)。量子力學(xué)的創(chuàng)立是科學(xué)史上最卓越的新成就之

9、一。目前,它已成為研究原子過(guò)程的性質(zhì)和掌握這些性質(zhì)的重要武器。實(shí)驗(yàn)證明,在原子過(guò)程的廣大范圍內(nèi),量子力學(xué)的結(jié)論正確地反映了微觀世界的客觀規(guī)律?，F(xiàn)代的量子力學(xué)理論,是了解低速微觀物理現(xiàn)象的理論,它能說(shuō)明經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的許多微觀物理現(xiàn)象,而經(jīng)典物理不過(guò)是它的一個(gè)特殊情況。在微觀世界中,由于空間和時(shí)間的尺度縮小了幾萬(wàn)萬(wàn)倍,這一量變顯示出了深刻的質(zhì)變,因此,微觀世界的物理現(xiàn)象和我們?nèi)粘Ｋ?xí)慣了的宏觀世界的物理現(xiàn)象有本質(zhì)的不同。我們不能搬用從宏觀世界得來(lái)的概念和規(guī)律去理解和描述微觀世界的物理現(xiàn)象,這是十分自然的事情。微觀世界的根本特點(diǎn),歸納起來(lái)有以下各點(diǎn):第一,微觀客體具有粒子波動(dòng)二象性。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)

10、,微觀客體,不論是電子、光子、原子核、原子或分子等都既具有粒子性,又具有波動(dòng)性。微觀粒子具有粒子波動(dòng)二象性,從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)是無(wú)法理解的,因?yàn)榻?jīng)典物理理論不能反映微觀客體的二象性。只有應(yīng)用量子力學(xué)的概念,才能把微觀客體的粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)描述。這說(shuō)明了量子物理學(xué)是比經(jīng)典物理學(xué)更深入的理論。第二,微觀世界是不連續(xù)和突變的。我們知道,宏觀世界的一切物理量或物理過(guò)程都是連續(xù)變化的。例如,能量、動(dòng)量、質(zhì)量、電流、電荷、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和力等等,都可以取連續(xù)變化的任何數(shù)值,并且只能連續(xù)地變化,而不能作不連續(xù)的突變。經(jīng)典物理學(xué)從來(lái)所處理的也都是連續(xù)變化的物理量和物理過(guò)程。因此,在經(jīng)典物理學(xué)中不存在

11、不連續(xù)的概念,不存在突變的概念。但是,微觀世界的情況截然不同,在微觀世界中,不連續(xù)性代替了連續(xù)性。微觀世界的物理量常?？梢匀〔贿B續(xù)的數(shù)值,而且這點(diǎn)表現(xiàn)得最為普遍和突出。例如,原子光譜是由許多分立的譜線組成。原子的能級(jí)也是分立性質(zhì)的,只能取不連續(xù)的數(shù)值。微觀世界的電荷只能以電子的電荷為單位作不連續(xù)的變化,沒(méi)有半個(gè)電子的電荷。角動(dòng)量在任何方向的分量只能不連續(xù)地變化。電子、光子、質(zhì)子、原子,也都是一個(gè)一個(gè)的,沒(méi)有半個(gè)電子、半個(gè)光子、半個(gè)質(zhì)子,半個(gè)原子等。與此相應(yīng),微觀物理系統(tǒng)的狀態(tài)也是分立性質(zhì)的,許多物理狀態(tài)只能作不連續(xù)的變化。所有這些現(xiàn)象,從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn),也是無(wú)法解釋的。量子力學(xué)考慮了微觀世界

12、的這種不連續(xù)性和突變性,因此只有利用量子力學(xué)中引入的概念,才能夠很好地解釋這些奇異現(xiàn)象。第三,微觀世界的物理規(guī)律是統(tǒng)計(jì)性的。微觀客體具有波動(dòng)性,并不是說(shuō)微觀客體能夠象實(shí)際的波一樣無(wú)限擴(kuò)展。所謂波動(dòng)性指的是這種統(tǒng)計(jì)性表現(xiàn)的一個(gè)方面。我們知道,經(jīng)典物理學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是機(jī)械決定論的規(guī)律。只要知道了一個(gè)物理系統(tǒng)的初始狀態(tài),就可以完全確定它以后的狀態(tài);初始狀態(tài)相同的物理系統(tǒng),其發(fā)展的過(guò)程也完全相同。但微觀世界不存在這種機(jī)械決定論的物理規(guī)律,即使知道了微觀客體的初始狀態(tài),也無(wú)法確定它以后的狀態(tài)。我們不能把微觀客體看成是沿一定軌道運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn),軌道的概念已完全失去意義;也不能把宏觀領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)規(guī)律機(jī)械地搬用到微觀

13、領(lǐng)域。微觀客體的運(yùn)動(dòng)遵從一種統(tǒng)計(jì)性規(guī)律,即是處于相同起始狀態(tài)的微觀物理系統(tǒng),往往有不同的發(fā)展過(guò)程,但是取不同發(fā)展過(guò)程的幾率分布則是完全確定的。在量子力學(xué)中,采用波函數(shù)來(lái)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),它反映微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性質(zhì),它給出微觀物理系統(tǒng)處于不同狀態(tài)的幾率分布。各微觀物理系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程雖然不同,但波函數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律則是決定論性的,它滿(mǎn)足一個(gè)稱(chēng)為薛定諤方程的數(shù)學(xué)方程。這個(gè)方程類(lèi)似于確定宏觀物體運(yùn)動(dòng)的牛頓方程,能夠完全確定微觀物理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。其他物理量的數(shù)值都可以通過(guò)對(duì)波函數(shù)進(jìn)行一定的運(yùn)算而得出來(lái)。第四,測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。與宏觀世界中物體在任何時(shí)刻都可以同時(shí)具有完全確定的坐標(biāo)和動(dòng)量不同,在

14、微觀世界中,任何微觀客體都不能同時(shí)具有完全確定的坐標(biāo)和完全確定的動(dòng)量。這種不確定性是微觀客體所固有的,無(wú)論我們?cè)鯓痈倪M(jìn)技術(shù),提高測(cè)量的精確度,都不能改變。把這種不確定性的本質(zhì)包括在內(nèi),是量子物理學(xué)最突出的特點(diǎn)之一。根據(jù)理論,粒子坐標(biāo)的不確定量和粒子動(dòng)量的不確定量?jī)烧叩某朔e,必須大于一個(gè)物理常數(shù)h,這種關(guān)系稱(chēng)為測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系,它是量子力學(xué)的重要原理之一。根據(jù)這個(gè)關(guān)系,絕對(duì)靜止就是不存在的,因?yàn)槿绻Ｗ拥淖鴺?biāo)是完全確定的,則坐標(biāo)的不確定量等于零,粒子是完全靜止的,但這時(shí)粒子動(dòng)量的不確定量變成無(wú)窮大,也即是粒子的動(dòng)量是完全不確定的,可以取無(wú)窮大的數(shù)值。一面說(shuō)粒子是完全靜止的,但它又在迅速運(yùn)動(dòng),這顯然是矛

15、盾的。因此,在微觀世界中一切微觀客體都是在不息地運(yùn)動(dòng),甚至在絕對(duì)零度下,物體內(nèi)的分子也仍在平衡位置附近不息地作著零點(diǎn)振動(dòng),電子、中子、質(zhì)子等等也在不息地運(yùn)動(dòng),絕對(duì)靜止是不存在的。第五,粒子的全同性。微觀世界的另一特點(diǎn)是同一種粒子是全同的,亦即同一種粒子之間是不可區(qū)分的,它們的相互交換不會(huì)造成任何可觀察到的變化。粒子的全同性,指的是同一種粒子的電荷、質(zhì)量和自旋等在任何情況下都是相同的,利用這種特性,可以解釋某些物體的物理性質(zhì)。但這并不是說(shuō)粒子一般是不能改變的,例如電子與正電子相互作用時(shí)兩粒子消失,產(chǎn)生兩個(gè)光子,這時(shí)粒子的電荷、質(zhì)量和自旋都發(fā)生了改變,但是這種改變一般是跳躍式的,也即是只能取分立的

16、數(shù)值,而不能連續(xù)地變化。目前把基本粒子的全同性看成是一種經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。因?yàn)橥环N粒子是全同的,所以對(duì)于任何相互作用的結(jié)果,其幾率都應(yīng)該完全均等,也即是說(shuō),某一相互作用結(jié)果的幾率,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的同一種粒子都是相同的。上面說(shuō)過(guò),在量子力學(xué)中采用波函數(shù)描述微觀物理系統(tǒng)的狀態(tài),粒子的全同性給波函數(shù)帶來(lái)一定的特性,即對(duì)全同粒子參加的一切過(guò)程,波函數(shù)都導(dǎo)致這些過(guò)程有相等的幾率?，F(xiàn)有的基本粒子可以分成兩大類(lèi),對(duì)其中一類(lèi)粒子,例如電子、正電子、質(zhì)子、中子、介子等,波函數(shù)總是反對(duì)稱(chēng)的;另一類(lèi)粒子,例如光子、介子等,波函數(shù)總是對(duì)稱(chēng)的,波函數(shù)的這種根本差別反映了這些粒子性質(zhì)的差別。例如反對(duì)稱(chēng)粒子遵從所謂泡利原理,即不能同時(shí)有二個(gè)或二個(gè)以上的粒子處于同一狀態(tài)內(nèi),因而原子內(nèi)的電子分布于不同的軌道上。而對(duì)稱(chēng)粒子則不存在這樣的限制。這也是微觀世界的重要特性之一,只有量子力學(xué)才能描述它。量子物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)理論一樣,是隨著實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展而形成的。從本世紀(jì)初研究黑體輻射問(wèn)題開(kāi)始,以后推廣到光電現(xiàn)象,最后推廣到原子系統(tǒng)。目前,量子力學(xué)已成為研究和掌握微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的強(qiáng)有力武器,并大大地推動(dòng)了許多學(xué)科的向前發(fā)展。許多學(xué)科采用了量子力學(xué)的工具,才有了進(jìn)一步發(fā)展,才取得了重大成就,例如,原子物理學(xué)、分子物理學(xué)、固體物理學(xué)、半導(dǎo)體理論、原子核理論、超導(dǎo)電理