量子力學(xué)的意義

量子力學(xué)的意義第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四物理學(xué)的近代發(fā)展20世紀(jì)初普朗克的量子論愛因斯坦的相對(duì)論開辟了近代科學(xué)的新紀(jì)元，物理學(xué)成了自然科學(xué)的先驅(qū)。第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四20世紀(jì)物理學(xué)的革命是建立了相對(duì)論和量子力學(xué)，從根本上改變了人們關(guān)于時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的觀念。第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四量子力學(xué)、相對(duì)論和基因雙螺旋結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)最重要的三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。量子力學(xué)在其中又占有特殊的位置。第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四沒有量子力學(xué)，就沒有當(dāng)代物理學(xué)，就沒有與當(dāng)代物理學(xué)聯(lián)系在一起的當(dāng)代技術(shù)，也就不會(huì)形成今天的全球化的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和信息革命。第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四量子力學(xué)直到今天仍有豐富的生命力，基于它的發(fā)展始終層出不窮。在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，它仍然居于物理學(xué)創(chuàng)新的中心。第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四從量子力學(xué)誕生的時(shí)刻開始，盡管其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，但許多科學(xué)家懷疑它并不是一個(gè)完備的物理理論。關(guān)于如何理解它的基本概念、基本圖象和基本規(guī)律，一直存在著深刻的、劇烈的爭(zhēng)論。第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四近20年來，物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展，使得這種爭(zhēng)論發(fā)展成為直接依靠實(shí)驗(yàn)的實(shí)證研究了，已成為當(dāng)代物理學(xué)中一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域。第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四這類實(shí)證研究的重要性結(jié)合當(dāng)代電子學(xué)、光學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)以及當(dāng)代工藝技術(shù)的成就，它們還有可能導(dǎo)致發(fā)展出直接基于量子力學(xué)原則的全新的技術(shù)部門。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四量子信息學(xué)信息科學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科。量子世界的奇妙特性在信息過程中發(fā)揮重要的作用，使量子信息系統(tǒng)的信息功能突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四新理論的探索方向一個(gè)方向圍繞宇宙的起源和發(fā)展，及標(biāo)準(zhǔn)模型的拓展和相互作用力的統(tǒng)一。實(shí)驗(yàn)困難，耗資巨大，進(jìn)展緩慢。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四另一個(gè)方向圍繞量子力學(xué)測(cè)量和解釋問題進(jìn)行。第二個(gè)方向費(fèi)錢不多，有重要的應(yīng)用背景，會(huì)有較快的發(fā)展。第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四由于人類對(duì)單個(gè)原子的操縱能力的增強(qiáng)，應(yīng)用量子力學(xué)將設(shè)計(jì)出越來越多的按照人的要求，具有特殊功能的人造微結(jié)構(gòu)和具有新奇性質(zhì)的宏觀量子態(tài)，21世紀(jì)繼續(xù)對(duì)經(jīng)濟(jì)、軍事、科技和社會(huì)進(jìn)程產(chǎn)生重大的影響。第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四甘子釗院士指出：“整個(gè)當(dāng)代物理學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵就在于量子力學(xué)的教學(xué)，這不僅僅是對(duì)物理系的教學(xué)，而且對(duì)化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、工程科學(xué)、地球科學(xué)等系科的教學(xué)，也是同樣的。”第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四“怎樣充分利用人們?cè)谡J(rèn)識(shí)量子力學(xué)的基本概念、基本規(guī)律和基本物理圖象上取得的成就，特別是最近20年來取得的成就，使學(xué)生能比較準(zhǔn)確、迅速而且有一定深度地學(xué)習(xí)量子力學(xué)，這無疑是教學(xué)改革的一個(gè)帶根本性的問題?！钡?7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四美國導(dǎo)論性大學(xué)物理規(guī)劃IUPP的參加者盡管在許多問題上各持己見，然而他們卻一致認(rèn)為，在物理課程中，量子物理必須自然地并且強(qiáng)化地引入，為量子物理的引入找出一個(gè)最好的、能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的途徑，已成為最重要的一件事了。第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四楊振寧(1999年11月)真正驅(qū)使物理學(xué)家在20世紀(jì)里頭致力于一些革命性發(fā)展的，是對(duì)一些基本原理性的深入的了解。通過了這些深入的了解，人類對(duì)于自然界許許多多的原始的現(xiàn)象，原始的觀念(包括時(shí)間的觀念、空間的觀念、運(yùn)動(dòng)的觀念、能量的觀念、力的觀念)——所有這許多最基本的人類對(duì)于自然界認(rèn)識(shí)的原始的觀念，在20世紀(jì)都有了革命性的、新的了解?！@就是20世紀(jì)物理學(xué)真正的最重要的精神。第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四周光召(2000年12月)在歷史的長(zhǎng)河中，任何理論都是相對(duì)真理，都有其適用范圍，都有在新的條件下改進(jìn)的可能。量子力學(xué)與相對(duì)論的結(jié)合已經(jīng)創(chuàng)造了量子場(chǎng)論，量子場(chǎng)論本身也在繼續(xù)發(fā)展。但是任何想改進(jìn)量子力學(xué)基本觀點(diǎn)的嘗試都必須建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。現(xiàn)代數(shù)學(xué)無疑在發(fā)展量子力學(xué)和量子場(chǎng)論中發(fā)揮了重要的作用。我認(rèn)為，單純從數(shù)學(xué)和邏輯出發(fā)，有可能找到若干有用的關(guān)系，但不經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)、指導(dǎo)和修正，不可能創(chuàng)造出新的理論。第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四“20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的回顧及

21世紀(jì)物理學(xué)的展望”

(周光召

2002年8月29日-31日，北京大學(xué))相對(duì)論和量子力學(xué)為人類認(rèn)識(shí)世界奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，原子能、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、激光等都依賴于這一基礎(chǔ)，它不僅深刻影響到其他相關(guān)學(xué)科，而且直接導(dǎo)致了半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、光通訊等一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展。

第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四P.W.Anderson(諾貝爾獎(jiǎng)獲得者)將一切事物還原成簡(jiǎn)單的基本規(guī)律的能力，并不意味著我們有能力從這些規(guī)律來重建宇宙，……。大量的基本粒子構(gòu)成了復(fù)雜聚集體，其行為并不能由幾個(gè)粒子性質(zhì)作簡(jiǎn)單外推就能理解。取而代之的是，在每一復(fù)雜性的層次上出現(xiàn)了全新的性質(zhì)，而理解這種新性質(zhì)需要極其基本的基礎(chǔ)研究。第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四馮端院士“凝聚態(tài)物理與量子力學(xué)”量子力學(xué)的多體問題似乎含有層出不窮的新花樣?！?dāng)今的凝聚態(tài)物理無疑將是21世紀(jì)高新技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)?！?jì)算機(jī)芯片的集成密度是隨年代而呈指數(shù)式的增長(zhǎng)，服從一經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，被稱為摩爾(Moore)定律?！搅?015年左右，集成電路的尺寸將達(dá)到其物理極限，芯片廠的投資量也會(huì)超出了社會(huì)的承擔(dān)能力。必須改弦易轍，另覓途徑，這也對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)研究提出了重大的挑戰(zhàn)和無上的機(jī)遇。光纖通信的容量，磁存儲(chǔ)器的容量也都隨年代作指數(shù)上升，……”第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四芯片發(fā)展年代曲線第24頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四跨學(xué)科的滲透化學(xué)家Herschbach指出：“典型的化學(xué)家高于一切的愿望是想理解為何一種物質(zhì)和其他物質(zhì)的行為不同；而物理學(xué)家通常冀望找出超出特定物質(zhì)的規(guī)律?！?/p>

(物理學(xué)與化學(xué)在對(duì)物質(zhì)世界的研究上正好是互補(bǔ)的)第25頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四跨學(xué)科的滲透生物學(xué)家S.W.