量子物理历史简要介绍

1、量子物理历史简要介绍-By yzhuang第一次波粒大战：胡克：光必定是某种快速的脉冲。牛顿：光的三棱镜色散实验，光的复合和分解是不同颜色的微粒的混合和分开。第一次交锋微粒说战胜了波动说1666年，牛顿为了躲避瘟疫回到老家度假。在那段日子里，他独立完成了光分解的实验分析、发明了微积分、开创性地思考了万有引力，为光学、数学和力学分别打下了基础。1666年是物理史上第一个奇迹年。惠更斯引入“波前”的概念，认为光是一种在以太中传播的纵波。1807年，托马斯杨在他的自然哲学讲义中阐述了他的“光的双缝干涉实验”，引发了第二次波粒大战。第二次波粒大战： 托马斯杨：用波动说解释干涉条纹。 菲涅尔：光是一种波

2、动，圆满解释了光的衍射问题。 泊松亮斑：泊松根据菲涅尔的理论推导圆盘衍射在阴影中会出现一个亮斑，最后反而证实了菲涅尔的理论。1850年，傅科得出光在水中的速度小于真空中的速度，而根据微粒说，水中光速应该比真空中快。 第二次波粒大战波动说战胜了微粒说。1856、1861和1865年麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文，完整地建立起了电磁理论，根据他的理论预言：光是电磁波的一种。波动说完美主宰了整个光学领域。1887年，赫兹证实了电磁波的存在。1897年，汤姆逊在研究阴极射线时发现了原子中电子的存在，提出原子的“葡萄干模型”。1900年，开尔文提到了物理学的两朵乌云：1：迈克尔逊-莫雷实验：如果存

3、在地球与以太的相对速度，则两束光线返回时会有微小的时间差，而试验中未表现出任何时间差。2：黑体辐射实验与理论的不一致。第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。19世纪末，人们开始研究黑体模型的热辐射问题，“黑体”是可以全部吸收外来辐射的物体。威廉维恩从经典热力学的角度出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的（粒子角度），得出维恩分布公式，但是该公式只适用于短波。瑞利抛弃了维恩的分子假设，从经典的麦克斯韦理论出发（波的角度），得出了自己的公式，后来金斯计算出了公式中的常数，最后他们得到了瑞利-金斯公式，但是只适用于长波。1900年，普

4、朗克从数学角度中和了两个公式，得出普朗克黑体辐射公式，公式精确地与实验数据相符合，但是普朗克本人不知道公式的含义。 “必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的”12月24日，普朗克宣读了黑体辐射光谱中的能量分布。改变历史的一段话： “为了找出N个振子具有总能量Un的可能性，我们必须假设Un是不可连续分割的，它只能是一些相同部件的有限总和” 这个基本单位，普朗克称作“能量子”，后改称为“量子”，他的能量等于普朗克常数乘以特定的辐射频率-E=hv。 1900年12月14日就是量子的诞辰。1887年赫兹的实验引起人们的注意，人们开始关注光电效应现象。对于特定金属能否打出电子

5、，由光的频率决定，而打出多少电子，由光的强度决定。1905年，爱因斯坦阅读了普朗克那些早已被大部分权威和他本人冷落的论文，量子化的思想深深打动了他。3月17日，爱因斯坦写出了关于光的产生和转化的一个启发性观点这篇论文。爱因斯坦后来提出光量子的概念。1905年是物理史上第二个奇迹年。1910年，卢瑟福和他的学生用粒子轰击金箔，发现小部分粒子散射角度非常大以至于超过90。1911年，卢瑟福发表了他的新模型“行星模型”：原子钟有一个占据了绝大部分质量的原子核在原子中心，而电子则围绕原子核运行。1923年，康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候，发现了康普顿效应：散射出来的X射线一部分和原来的波长相同

6、，而另一部分比原来的射线波长要长，具体的大小和散射角存在函数关系。 波尔和卢瑟福交换看法后，认为要么放弃卢瑟福模型，要么放弃麦克斯韦理论，他选择了后者。1913年，波尔在研究巴尔末线系时，发现原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的势能位置之间转换。也就是说，电子只能在某些特定的轨道运行，这些轨道必须符合一定的势能条件。 1925年，泡利提出“泡利不相容原理”，没有两个电子能享有相同的状态，而一层轨道所能包容的不同状态，其数目是有限的。第三次波粒战争： 康普顿效应：引入量子假设，把X射线看成能量为hv的光子束的集合，光子像普通的小球那样，不仅有能量还有冲量，当它和电子相撞便将自己能量

7、的一部分交给电子，这样一来光子的能量下降，E=hv，E下降导致v下降，频率变小即是波长变长。 德布罗意：德布罗意发现电子在前进时本身会伴随一个波，他称之为“相波”，后人称之为“德布罗意波”。=h/m被称作德布罗意波长公式。1927年，戴维逊和他的助手革末通过实验精确地证明了电子的波动性：用电子束轰击金属镍，被镍块散射的电子，其行为和X射线衍射一模一样，即在某种情况下，电子表现出如X射线的纯粹波动性质。1925年，海森堡建立矩阵力学，伯恩、约尔当等为它添枝加叶，狄拉克用“q数”给它装饰。1926年，海森堡和约尔当成功用矩阵解决了电子自旋问题，矩阵力学取得完美的胜利。 1926年，薛定谔连续发表了

8、4篇以量子化是本征值问题的论文，得到薛定谔波动方程，从而彻底的建立了另一种全新的力学波动力学。只有波才是唯一的实在，不管是电子还是光子或者任何粒子本质上都是波，都可以用波动方程表达基本的运动形式。波函数在各个方向上都是连续的，它可以看成某种振动，例如电子可以想象成一种驻波的本证振动，所谓跃迁，只不过是振动方式的改变而已。没有轨道，没有能级，只有波。（波动） 波恩的概率解释：骰子，才是对薛定谔波函数的解释，它代表的是一种随机，一种概率，而不是薛定谔所理解的电子电荷在空间中的分布。电子本身不会像波那样扩散开去，但是它的出现概率则像一个波，严格按照的分布所展开。（微粒）爱因斯坦给海森堡的启发：海森堡

9、：整个物理理论只能以可被观测到的量为前提，只有这些量才是确定的，才能构成任何体系的基础。爱因斯坦：事实恰恰相反，是理论决定了我们能够观测到的东西。海森堡不确定原理（测不准原理）：pqh/4。理论限制了我们能够观察到的东西，而不是实验导致的误差，同时测量到准确的动量和位置在原则上是不可能的，无论科技多么发达。海森堡后来又得到Eth。（微粒）波尔“互补原理”：波和粒子在同一时刻是互相排斥的，但在更高的层次统一在一起。作为电子这个整体概念来说，它表现出波粒二象性，但是一旦观察方式确定了，电子就要选择一种表现形式，而不能混合在一起。波恩的概率解释、海森堡的不确定原理、波尔的互补原理构成了量子论“哥本哈

10、根解释”的核心。前两者摧毁了经典世界的因果性，后两者摧毁了经典世界的客观性。谈论任何物理量都是没有意义的，除非你首先描述测量这个物理量的方式。不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的就是我们能观测到的世界。没有一个脱离于观测而存在的“绝对自然”，测量是新物理学的核心，测量行为创造了整个世界。波尔爱因斯坦之争波尔、波恩、泡利、海森堡 VS 爱因斯坦、德布罗意、薛定谔第一次交锋，1927年第五届索尔维会议，爱因斯坦输了一招。第二次交锋，1930年第六届索尔维会议，爱因斯坦提出“光箱实验”，被波尔击败。第三次交锋，1935年，爱因斯坦和波多尔斯基、罗森联合发表了量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗

11、？提出EPR佯谬。波尔又化险为夷，第三次击败爱因斯坦。同年，薛定谔发表了一片名为量子力学的现状，在论文第五节，他描述了常被人视为噩梦的“薛定谔的猫”实验。埃弗莱特多世界理论（MWI，也叫平行宇宙理论）：电子在观测后仍然处于叠加的状态，只不过我们的世界也是叠加的一部分。波函数无需坍缩，事实上两种情况都发生了，只不过它表现为整个世界的叠加。历史和将来一切可能发生的事情，都已经发生了或者将要发生，只不过它们在另一些宇宙里，和我们所在的宇宙没有物理接触。隐变量理论：量子效应表面上的随机性是由一些我们不可知的变量所造成的，换句话说，量子论是一个不完整的理论，它没有考虑一些不可见的变量，所以才显得不可预测。1927年，德布罗意提出导波的理论。1932年，冯诺依曼证明：任何隐变量理论都不可能对测量行为给出确定的预测。1952年，波姆复活了德布