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量子物理
发布时间:2018-10-09 浏览次数:0
量子物理量子物理是物理学的一个分支,研究物质世界中微观粒子运动的规律。主要研究原子,分子,凝聚态的基本理论,以及原子核和基本粒子的结构和性质。它由相对论组成。现代物理学的理论基础。 量子力学不仅是现代物理学的基本理论之一,而且还广泛应用于化学和许多现代技术。

在20世纪,量子力学为我们提供了改变我们世界的物质和领域理论。展望21世纪,量子力学将继续为所有科学提供基本概念和重要工具。

中文名称量子物理学外文名称Quantum Physics目录

1简介

▪新量子理论

▪旧量子理论

2量子力学史

量子力学的3个关键点

4争议和混乱

5第二次革命

新量子理论简介虽然量子力学的创建是为了描述抽象的原子世界,远离我们的日常生活经历,但它对我们日常生活的影响是巨大的。 没有量子力学作为工具,化学,生物学,医学和其他所有关键学科都不会有令人着迷的进步。 没有量子力学,就没有全球经济,因为作为量子力学产品的电子革命将我们带入了计算机时代。 与此同时,光子学的革命使我们进入了信息时代。 量子物理学的杰作改变了我们的世界,科学革命给世界带来了福音,也带来了潜在的威胁。 量子的概念是如此令人困惑,以至于自引入以来的20年间几乎没有取得任何根本性进展,一小部分物理学家花了三年时间创造了量子力学。 这些科学家对他们的所作所为感到不安,有时甚至对他们的所作所为感到失望。 也许以下观察最能描述这一关键但难以捉摸的理论的独特地位:量子理论是科学史上最准确的实验测试理论,也是科学史上最成功的理论。量子力学一直困扰着它的创始人。然而,直到它基本上被表达为一种普遍的形式75年之后,科学界的一些精英尽管承认其强大的力量,仍然有其基础和基础。解释不满意。 1918年,诺贝尔物理学奖获得者马克斯普朗克提出普朗克的辐射定律,量子理论诞生了。 在他关于热辐射的经典论文中,普朗克认为振动系统的总能量不能连续变化,而是以离散能量子形式的形式从一个值跳到另一个值。 能量孩子的概念太激进了,普朗克后来把它搁置了。 随后,爱因斯坦认识到1905年光量子化的潜在意义(今年对他来说是不平凡的一年)。 然而,量子的概念太奇怪了,并没有什么根本性的进展。 现代量子理论的产生是新一代物理学家花费20多年的结果。 通过量子理论诞生前后的物理学领域的比较,我们可以理解量子物理已经彻底改变了物理学。 1890年至1900年的物理期刊论文基本上是关于原子光谱学和材料的其他基本可测量性质的文章,如粘度,弹性,电导率,热导率,膨胀系数,折射率和热弹性系数。 。 由于维多利亚时代的工作机制的刺激和复杂的实验方法的发展,知识正在以巨大的速度积累。 然而,他同时代人中最引人注目的事情是材料属性的简洁描述基本上是经验性的。 成千上万页的光谱数据列出了大量元素波长的精确值,但是没有人知道会出现什么光谱线,并且他们不知道它们通过了什么。 热导率和电导率的模型解释仅满足大约一半的事实。 虽然有无数的经验法则,但它们都很难满足。 例如,Dulong-Petit定律建立了热量和物质原子量之间的简单关系,但它有时是好的,有时不好。 在大多数情况下,相同体积的气体的质量比满足简单的整数关系。 虽然元素周期表提供了化学繁荣的关键组织规则,但它没有理论依据。在许多伟大的革命性进步中,量子力学提供了一种定量的物质理论。 现在,我们原则上可以理解原子结构的每一个细节;周期表也可以简单而自然地解释;巨大的光谱排列也融合了优雅的理论框架。 量子力学有助于定量分析分子,流体和固体,导体和半导体。 它可以解释诸如超流体和超导体之类的奇怪现象,并且可以解释奇异形式的物质聚集,例如中子星和玻色 - 爱因斯坦凝聚(其中气体中的所有原子表现得像单个超大原子)。 量子力学为所有科学分支和各种高科技提供了关键工具。 量子物理实际上包含两个方面。 一个是原子水平的材料理论:量子力学;我们可以理解和操纵物质世界。 另一个是量子场论,它在科学中起着完全不同的作用,我们稍后会回到它。 旧量子理论量子革命的导火索不是物质研究,而是辐射问题。 具体的挑战是了解黑体(即热物体)辐射的光谱。 过热的人熟悉热物体发光的现象,光线越热,光线越亮。 光谱范围很宽,随着温度的升高,光谱的峰值从红线变为黄线,然后变为蓝线(这些不是我们直接看到的)。 结合热力学和电磁学的概念似乎可以解释光谱的形状,但所有尝试都以失败告终。 然而,普朗克假设振动电子辐射的光的能量被量化,导致表达与实验完全匹配。 但他也充分认识到理论本身是荒谬的,正如他后来所说:“量化只是一种无处可去的方式”。 普朗克将他的量子假设应用于辐射器表面振荡器的能量。如果没有新秀艾伯特爱因斯坦,量子物理学可能已经结束了。 1905年,他毫不犹豫地得出结论,如果振动器的能量被量化,产生光的电磁场的能量也应该被量化。虽然麦克斯韦的理论和一个多世纪的权威实验表明光是波动的,但爱因斯坦的理论仍然包含光的粒子行为。 在十多年的光电效应实验之后,已经表明光能只能在达到某个离散的大小时被吸收,这就像被单个粒子携带一样。 光的波粒二象性取决于观察的观点。这是令人头疼的量子物理学最常见的例子之一。它已成为未来20年的理论问题。 辐射问题导致了量子理论的第一步,物质悖论导致了第二步。 众所周知,原子含有正负双电荷粒子,相反的电荷相互吸引。 根据电磁理论,正电荷和负电荷螺旋地彼此靠近,辐射广谱光直到原子坍塌。 然后,另一位新秀尼尔斯·玻尔迈出了决定性的一步。 1913年,玻尔提出了一个激进的假设:原子中的电子只能处于静止状态,包括基态,电子在两个静止状态之间转换,以改变其能量,同时辐射某一波长的光。光的波长取决于状态之间的能量差异。 结合已知的法则和这个奇怪的假设,波尔清除了原子稳定性的问题。 玻尔的理论充满矛盾,但提供了氢原子谱的定量描述。 他认识到他的模型的成功和缺陷。 凭借惊人的远见,他聚集了一群物理学家来创造新的物理学。 一代年轻的物理学家用了12年才终于实现了他的梦想。 最初,开发玻尔量子理论(通常称为旧量子理论)的尝试遭遇了重复失败。 然后一系列的进步彻底改变了思路。 量子力学的历史1923年,路易斯·德布罗意在他的博士论文中提出光的粒子行为和粒子的波动行为应该对应。 他将粒子的波长和动量联系起来:动量越大,波长越短。 这是一个引人入胜的想法,但没有人知道粒子的波动性意味着什么或它与原子结构的关系。然而,德布罗意的假设是一个重要的前奏,许多事情即将发生。 在1924年夏天,还有另一个热潮。 Satyendra N. Bose提出了一种解释普朗克辐射定律的新方法。 他认为光是由无(静态)质量(现在称为光子)的粒子组成的气体,这些粒子不遵循经典的玻尔兹曼统计定律,并且遵循与粒子无法区分的性质(关于各向同性的新统计理论)。 爱因斯坦立即将Bose的推理应用于实际的气体质量,以描述气体中的粒子数量相对于能量的分布,即着名的玻色 - 爱因斯坦分布。 然而,在正常情况下,新旧理论将预测原子气体的相同行为。 爱因斯坦对这个领域没有兴趣,所以这些结果已被搁置了十多年。 然而,它的——粒子同构的关键思想非常重要。 突然间,一系列事件结束,最终导致了科学革命。 1925年1月至1928年1月:沃尔夫冈·泡利提出了不相容原则,为元素周期表奠定了理论基础。 ·Werner Heisenberg,Max Born和Pascual Jordan提出了量子力学的第一个版本,矩阵力学。 人们最终放弃了通过系统地整理可观察的谱线来理解原子中电子运动的历史目标。 ·欧文·薛定谔提出了量子力学的第二种形式,波动力学。 在波动力学中,系统的状态由薛定谔方程的解——波函数描述。 矩阵力学和波动力学似乎是矛盾的,基本上是等价的。 ·电子学已被证明遵循新的统计法,Fermi-Dirac统计数据。 进一步认识到,所有粒子都遵循费米 - 狄拉克统计或遵循玻色 - 爱因斯坦统计,其具有非常不同的基本性质。·海森堡阐明了不确定性原则。 ·Paul A. M. Dirac提出了一个相对论波动方程来描述电子,解释电子的自旋,并预测反物质。 ·狄拉克提出了电磁场的量子描述,并建立了量子场论的基础。 波尔提出了互补原则(一种哲学原理),试图解释量子理论中的一些明显矛盾,特别是波粒二象性。 量子理论的主要创始人是年轻人。 1925年,保利25岁,海森堡和恩里科费米24岁,狄拉克和乔丹23岁。 薛定谔是一个后来者,36岁。 Born和Bohr年纪稍大,值得一提的是他们的贡献主要是解释性的。 爱因斯坦的反应反驳了量子力学的深刻和激进的本质:他拒绝了许多导致他自己的量子理论理论的关键思想。他关于玻色 - 爱因斯坦统计的论文是他的物理学理论。最后的贡献也是对物理学的最后一个重要贡献。 毫不奇怪,量子力学的创造需要新一代的物理学家,而开尔文爵士在给波尔1913年关于氢原子的论文的一封信中表达了他的理由。 他说,波尔的论文中有许多事实他无法理解。 凯文认为,基本的新物理肯定会来自无拘无束的思想。 1928年革命结束时,量子力学的基础基本建立起来。 后来,亚伯拉罕派在一则轶事中以狂热的节奏记录了革命。 其中一个是这样的。 1925年,Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck提出了电子旋转的概念,并且玻尔表达了深刻的怀疑。 10月,波尔乘坐火车前往荷兰莱顿参加亨德里克·洛伦兹50周年庆典。保利在德国汉堡遇到了波尔,向波尔询问了电子问题。对旋转可能性的看法;波尔用他着名的低调评价语言回答说,旋转的提议“非常非常有趣”。后来,爱因斯坦和保罗·埃伦费斯特在莱顿会见了波尔并讨论了旋转问题。 波尔解释了他的反对意见,但爱因斯坦展示了一种旋转方式,使波尔成为旋转的支持者。 在玻尔的回程中,遇到了更多的讨论者。 当火车经过德国的Gottling时,海森堡和乔丹开了车站,向他征求意见。泡利还故意从汉堡赶到柏林。 波尔告诉他们,旋转的发现是向前迈出的重要一步。 量子力学的创造引发了科学淘金热。 早期的结果是:海森堡于1927年获得了氦原子原子结构的近似解,并建立了原子结构理论的基础; John Slater,Douglas Rayner Hartree和Vladimir Fock随后提出了原子结构的一般计算技术; Fritz London和Walter Heitler解决了氢分子的结构问题。在此基础上,莱纳斯鲍林建立了理论化学; Arnold Sommerfeld和Pauli建立了金属电子理论的基础,Felix Bloch创立了带结构理论;海森堡解释了铁磁性的原因。 1928年,George Gamow解释了α放射性衰变随机性的奥秘,这表明α衰变是由量子力学的隧道效应引起的。 在接下来的几年里,汉斯贝特建立了核物理学的基础,并解释了恒星的能量来源。 随着这些进步,原子物理学,分子物理学,固体物理学和核物理学进入了现代物理学的时代。 量子力学的要点伴随着这些进步,关于量子力学的解释和正确性存在很多争论。 波尔和海森堡是相信新理论的倡导者的重要成员,爱因斯坦和薛定谔对新理论不满意。 要了解这些混沌的原因,我们必须掌握量子理论的关键特征,总结如下。 (为简单起见,我们只描述了薛定谔的波动力学。 基本描述:波函数。 Schrödinger方程描述了系统的行为,称为波函数。系统的完整信息由波函数表示,波函数可用于计算任何可观察量的可能值。 在给定体积的空间中找到电子的概率与波函数的幅度的平方成比例,因此粒子的位置分布在波函数所在的体积内。 粒子的动量取决于波函数的斜率。波函数越陡,动量越大。 斜率是可变的,因此动量也是分布的。 因此,有必要放弃位移和速度来确定任意精度的经典图像,并采用模糊概率图像,这也是量子力学的核心。 在同一系统上执行相同的仔细测量不一定会产生相同的结果。相反,结果分散在波函数描述的范围内。因此,电子特定位置和动量没有意义。 这可以用不确定性原理来表示:为了使粒子位置准确,波函数必须是尖峰形状。但是,峰值必须具有陡峭的斜率,因此动量分布在很大的范围内;由于分布较小,波函数的斜率必须很小,因此波函数分布在很宽的范围内,因此粒子的位置更加不确定。 波浪干扰。 无论是相加还是相减,都取决于它们的相位,相位相加幅度,相位相减。 当波沿着若干路径从波源传播到接收器时,例如光的双缝干涉,通常产生干涉图案。 粒子遵循波动方程,并且必须具有相似的行为,例如电子衍射。 在这一点上,类比似乎是合理的,除非要检查波的性质。 波通常被认为是介质中的一种扰动。然而,量子力学没有媒介。从某种意义上说,根本就没有浪潮。波函数本质上是我们系统信息的陈述。 对称性和全同立构规整度。 氦原子由围绕原子核运动的两个电子组成。 氦原子的波函数描述了每个电子的位置。但是,没有办法区分哪个电子是哪个电子。因此,在电子交换之后,系统没有变化,即,在给定位置找到电子的概率保持不变。 。 由于概率取决于波函数幅度的平方,因此粒子交换后系统的波函​​数与原波函数之间的关系可能只是以下之一:与原波函数相同,或者符号被更改,即乘以-1。是谁呀?量子力学中最引人注目的发现之一是电子的波函数,用于电子交换符号。 结果是戏剧性的。两个电子处于相同的量子态,它们的波函数相反。因此,总波函数为零,即两个电子处于相同状态的概率为0,这是泡利不相容原理。 所有半整数自旋粒子(包括电子)都遵循这一原则,称为费米子。 旋转为整数的粒子(包括光子)的波函数称为不变数,称为玻色子。 电子是费米子,因此在原子中分层排列;光由玻色子组成,因此激光呈现出超强光束(基本上是量子态)。 最近,气体原子已经冷却到量子态以形成玻色 - 爱因斯坦凝聚物,在这种情况下,系统发射超强材料束以形成原子激光。 这个概念仅适用于相同的粒子,因为在不同的粒子交换之后波函数明显不同。 因此,仅在粒子系统是相同粒子时才显示玻色子或费米子的行为。 相同的粒子是完全相同的,这是量子力学最神秘的方面之一,量子场论的成就将解释这一点。 争议和混沌量子力学是什么意思?波函数究竟是什么?测量意味着什么?这些问题在早期就引起了激烈的争论。 直到1930年,波尔和他的同事或多或少地提出了量子力学的标准解释,即哥本哈根解释;关键点是通过玻尔的互补原理概率地描述事物和事件,并调和问题第二波。标志性的矛盾。 爱因斯坦不接受量子理论。在1955年去世之前,他一直在与玻尔争论量子力学的基本原理。 关于量子力学的争论焦点在于波函数是否包含系统的所有信息,或者是否存在决定特定测量结果的隐藏因素(隐藏变量)。 在20世纪60年代中期,John S. Bell证明如果存在隐藏变量,那么实验观察到的概率应该低于某个极限,这是贝尔的不等式。 该组的大部分实验结果与贝尔的不等式相反,他们的数据断然拒绝隐藏变量的可能性。 通过这种方式,大多数科学家不再怀疑量子力学的正确性。但是,由于量子理论的神奇力量,其本质仍然引起了人们的关注。 量子系统的古怪性质源于所谓的纠缠态。简而言之,量子系统(如原子)不仅可以处于一系列静止状态,还可以处于它们的叠加状态。 通常,在叠加态原子中测量属性(例如能量)有时会获得该值,有时会得到另一个值。 到目前为止还没有出现任何奇怪的事 然而,有可能以纠缠态构建双原子系统,使得两个原子共享相同的性质。 当两个原子分开时,一个原子的信息被另一个共享(或纠缠)。 这种行为只能用量子力学的语言来解释。 这种效果是如此令人难以置信,只有少数活跃的理论和实验机构专注于研究它。主题不仅限于原理研究,而是纠缠态的使用;纠缠态已应用于量子信息系统,并已成为量子计算机的基础。 。 第二次革命在20世纪20年代中期的量子力学狂热时代,另一场革命正在发生,量子物理学的另一个分支,即——量子场论的基础,正在建立。 与量子力学的创造不同,如风暴,量子场论的创造经历了一个曲折的历史,并延续至今。 虽然量子场理论很难,但其预测精度是所有物理学科中最准确的。同时,它为探索一些重要的理论领域提供了一个实例。 激发提出的量子场理论的问题是当电子从激发态跃迁到基态时原子如何辐射光。 1916年,爱因斯坦研究了这一过程并将其称为自发辐射,但他无法计算自发辐射系数。 解决这个问题需要开发相对论的电磁场量子理论(即光)。 量子力学是解释物质的理论,量子场理论顾名思义,是研究领域的理论,不仅是电磁场,还有后来发现的其他领域。 1925年,Born,Heisenberg和Jordan发表了关于光量子场理论的初步想法,但关键的一步是年轻和未知的物理学家狄拉克于1926年提出的场论。 狄拉克的理论有许多缺陷:难以克服的计算复杂性,预测无限量,并且明显与相应的原则相矛盾。在20世纪40年代后期,量子场论得到了新的进展。 Richard Feynman,Julian Schwinger和Sinitiro Tomonaga提出量子电动力学(缩写为QED)。 它们通过重整化来避免无穷大,其本质是通过减去无限量来获得有限的结果。 由于方程式很复杂且无法找到精确的解,因此该系列通常用于获得近似解,但系列项越来越难以计算。 尽管一系列术语依次减少,但总项结果在项目之后开始增加,因此近似过程失败。 尽管存在这种危险,QED仍被列为物理学史上最成功的理论之一,用它来预测电子与磁场之间相互作用的强度,实验可靠性仅为2/1,000,000,000,000。 尽管QED取得了非凡的成功,但它仍然充满了神秘色彩。 对于空隙空间(真空),该理论似乎提供了一种荒谬的观点,即真空不是空的,它到处充满了小的电磁波动。 这些小的波动是解释自发辐射的关键,它们会对原子和粒子(如电子)的性质产生可测量的变化。 尽管QED是偏心的,但许多最准确的实验证实了它的有效性。 对于我们周围的低能量世界,量子力学足够准确,但对于高能量世界,相对论效应是显着的,需要更全面的方法。量子场论的产生调和了量子力学与狭义相对论之间的矛盾。 量子场论的突出作用体现在它对与物质本质相关的一些最深刻问题的解释上。 它解释了为什么有两种类型的基本粒子,玻色子和费米子,其性质与内在自旋有关;它描述了粒子(包括光子,电子,正电子或电子)是如何产生和消灭的。它解释了量子力学中神秘的同质性。相同的粒子是完全相同的,因为它们来自同一个基本领域;它不仅解释了电子,还解释了μ子,tau物体及其反粒子。儿童。 QED是关于轻子的理论。它无法描述称为质子的复杂粒子。它们包括质子,中子和大量介子。对于强子而言,提出了比QED更普遍的理论,称为量子色动力学(QCD)。 QED和QCD之间有许多相似之处:电子是原子的组成元素,夸克是强子的组成部分;在QED中,光子是转移带电粒子的介质。在QCD中,胶子在夸克之间传递。行动的媒介。 尽管QED和QCD之间存在许多对应点,但它们仍然存在显着差异。 与轻子和光子不同,夸克和胶子永远被限制在强子内部,它们不能被释放和孤立。 QED和QCD构成了一个基本统一的标准模型的基石。 标准模型成功地解释了今天的所有粒子实验,但许多物理学家认为它是不完整的,因为粒子的质量,电荷和其他性质来自实验;一个理想的理论应该全力以赴。 。 今天,寻找材料的最终本质成为重大科学研究的焦点,使人们无意识地想到了创造量子力学的激烈奇迹时代,其结果的影响将更加深远。 现在必须努力寻求重力的量子描述,并且半个世纪的努力已经表明QED的杰作——电磁场量化程序在引力场中失败。 问题很严重,因为如果广义相对论和量子力学都是正确的,它们必须提供对同一事件的基本兼容的描述。 在我们周围的世界中不存在矛盾,因为重力相对于电力是如此微弱,其量子效应可以忽略不计,经典描述是完美的;但对于拥有如此强大黑洞的系统,我们没有可靠的方法。预测其量子行为。 一个世纪以前,我们所理解的物理世界是经验的;我们做出了如此自信的预测,因为量子力学为我们周围的世界提供了准确而完整的理论;然而,今天的物理学和物理学在1900年有许多共同之处:它仍然保留了基本的经验主义,我们无法完全预测构成物质的基本要素的性质,仍然需要对它们进行测量。 也许超弦理论是唯一被认为可以解释这个谜团的理论。它是量子场理论的推广,它通过用长度物体替换诸如电子的物体来消除所有无限质量。无论结果如何,从科学的曙光开始,对自然的最终理解的梦想将继续成为新知识背后的驱动力。 从本世纪初开始,我们将继续追求这一梦想,结果将使我们所有的想象成为现实。