量子力学引言

量子力学引言第1页，共83页，2023年，2月20日，星期四一.为什么要学习量子力学？1.回顾历史，重温创新历程创新教育的好教材2.量子力学是重要的基础课程最伟大的理论之一

3.量子力学是下一代IT的创新点为明天奠定基础第2页，共83页，2023年，2月20日，星期四1.回顾历史重温创新历程上个世纪创造了两个伟大的理论：量子力学相对论有史以来最伟大的科学理论之一从对人类物质文明影响来看，量子力学影响似乎更大一些第3页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾十九世纪末的物理学物理学发展到相当高的水平已经建立了：经典力学电动力学热力学和统计物理学等一整套物理学理论应用这些理论人们已经能够解释许多天文和自然现象第4页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾力学经过Newton,Lagrange,Hamilton等人的发展，已形成完整的力学体系。成功地解释了宏观物体运动规律预言了海王星的存在（通过天王星轨道的奇异）在上个世纪末，Newton力学被认为是终极的动力学理论，而被广泛接受。第5页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾电磁学英国科学家法拉第的实验研究工作发现了电磁感应、电机，为现代电工学奠定了基础。Maxwell完成了以他的名字命名方程组为基础的理论体系，并预言了电磁波。1887年，Hertz实验证实了电磁波的存在进而人们认识到光的本质是电磁波第6页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾热力学和统计物理热学是古老的科学，直到18世纪，资本主义发展需要动力，瓦特发明了蒸汽机，促使热力学迅速发展起来。十九世纪中叶开尔文、卡诺、克劳修斯等人的杰出工作奠定了热力学理论基础与此同时，Boltzmann、Gibbs等人建立了微观的统计物理理论体系。

第7页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾Kelvin世纪末的预言Kelvin在一篇瞻望20世纪物理学的文章极力称赞十九世纪物理学的伟大成果，他写道：“在已经建成的科学大厦中，后辈科学家只要做一些零散的修补工作就可以了。”

第8页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾经典物理的困难就在人们庆祝物理学大厦落成之时，也发现了一些经典物理学不能解释的现象：首先是黑体辐射其次是光电效应随后不能被经典物理解释的现象越来越多第9页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾经典物理学的局限性经典物理一旦超出原先的范畴，就显得捉襟见肘，漏洞百出。牛顿力学只局限于研究物体在其外在时空中的机械运动，不涉及物体的物质结构和内部属性。光学（包括电磁学）只局限于研究光的传播，并没有真正涉及光的产生和吸收，光与物质的相互作用机制。第10页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾冲破经典物理桎梏自牛顿以来，物理界一直受机械论的控制，任何系统都必须归结于眼睛直觉的世界。这种机械论制约人们对客观世界的认识为解决黑体辐射问题，1900年，Planck冲破经典物理机械论的束缚，提出了量子论，标志着人类对量子认识的开始。2000年，正是这一理论发表100周年，全世界的科学界都举行了隆重的纪念活动。第11页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾20世纪初的科学舞台群英荟萃为了解决经典物理遇到的困难，许多杰出的物理学家投身新理论研究中Planck、Einstein、Rutherford、Bohr、Dirac、deBroglie、Heisenberg、Schrodinger、Fermi、Born、Paoli皆是举世闻名的科学家大部分都获得过诺贝尔奖第12页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾量子力学的诞生量子力学既不象广义相对论那样来自于对引力与几何关系的不可思议的洞察力也不象DNA的破译那样揭开了生物学一个新的世界的神秘面纱它的建立不是一步到位，而是有一个曲折的发展过程：1900－19271927年在比利时的布鲁塞尔召开的科学大会上海森伯和薛定谔提出了新的量子力学理论第13页，共83页，2023年，2月20日，星期四1927年10月布鲁塞尔第五次索尔莫会议合影前排（左起）兰格尔普朗克居里夫人洛伦兹爱因斯坦朗之万威尔逊里查逊中排布拉格克拉梅斯狄拉克康普顿德布罗意玻恩波尔后排皮卡德亨利厄特埃伦菲斯特赫尔岑朗德薛定谔非尔莎菲尔特泡利海森伯第14页，共83页，2023年，2月20日，星期四第15页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾如何理解量子论？玻尔曾经说过：“不为量子论所震惊者，必然不理解量子论。”在量子论诞生后，经典物理的机械论才被彻底打破，人类才第一次认识到我们所处的物质世界远不是我们日常看到的图像。能量的分立、粒子的波粒二象性、动量与位置的测不准原理等量子世界的奇妙现象与人们宏观世界的经验相违背。第16页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾关于量子论的争论自从量子论提出以后，对于量子物理的思想基础（特别是量子力学的哥本哈根学派诠释）的争论从来就没有停止过人们对于量子力学本身的完备性及其基本观念的理解，也持有截然不同的观点争论双方的领军人物分别是Einstein和Bohr他们在上个世纪20－30年代的论战至今仍为人们津津乐道这样一段历史一直是科学史研究的重点第17页，共83页，2023年，2月20日，星期四NielsBohrandEinsteininthetwenties,inthehomeofthephysicistPaulEhrenfest.

第18页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾重走科学历程的长征路这一段历史充满科学创新和丰硕的成果，学习它，对每个人都是一种智慧的启迪，创新精神的熏陶，极具感染力，是素质教育的好教材用“我的长征”类比，回顾这一段科学历程，这是科学创新教育好案例第19页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾世纪回眸今天，当我们踏着跨世纪的台阶，深情回眸量子论带给人类的文明与对宇宙认识的同时，我们更应从量子论的诞生与成长的历史得到有益的借鉴。

——路甬祥第20页，共83页，2023年，2月20日，星期四历史回顾科普读物推荐许多著名的科学家写了多部有关这一段历史的科普读物:〖量子物理学：幻象还是真实〗,

［英］阿莱斯泰尔·雷，江苏人民出版社，2000〖量子史话〗

，［美］B.霍夫曼

著，科学出版社，1979〖量子力学史话〗，［苏］B.H.瑞德尼克著，科学出版社，1979

第21页，共83页，2023年，2月20日，星期四2.学习量子力学的现实意义

如果说，以上是我们学习量子力学的历史意义，那么更重要的是下面要论述的现实意义。

量子力学已成为今天我们认识世界的基本理论特别是微观领域，其中物质及其运动规律必须应用量子力学的概念和理论来理解、描述和预测。第22页，共83页，2023年，2月20日，星期四现实意义

重要的基础理论现代的主要自然科学分支都以量子力学为基础量子力学是物理学四大基础理论之一物理学的大部分分支学科，如固体物理、半导体物理、光学、激光物理、原子、分子物理、天体物理以及地球物理都以量子力学为基础。第23页，共83页，2023年，2月20日，星期四现实意义自然科学的基础自从上个世纪20年代建立以后，量子力学已渗透到许多自然科学领域化学、生物学等均以量子力学为基础形成新的交叉学科，如量子化学，量子生物学等生物体也可以用量子力学进行描述，如DNA双螺旋结构第24页，共83页，2023年，2月20日，星期四现实意义工程技术学科的理论基础工程技术科学也有以量子力学为基础的电子科学与技术—微电子学、光电子学、电子材料与元器件都是直接以量子力学为基础今天的通信、电子工程、计算机、电子机械等工程技术科学，量子力学并不直接构成其基础。第25页，共83页，2023年，2月20日，星期四现实意义最重要的专业基础课之一激光原理，固体物理，半导体物理，光谱学，材料物理都是以量子力学为基础光子、电子的运动规律以及它们与物质作用规律都遵守量子力学规律我们电子科学与技术就是利用电子，光子运动及其与物质作用来承载信息，处理信息，所以必须要学习量子力学。第26页，共83页，2023年，2月20日，星期四3.深层意义下一代IT的创新点电子科学与技术是现代IT业的基础集成电路（半导体集成电路，混合集成电路），光电子器件和各种电子元器件是实现各种电路和系统的物质基础IT业追求的是速度和价格最近几十年来计算机的发展一直遵循着著名的Moor定律第27页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义Moor定律第28页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义山穷水尽疑无路当前硅微电子芯片的特征线宽已经做到了0.13～0.09微米，国际半导体工业协会（SIA）则已经规划到了0.035微米现代半导体集成电路，尺度达到深亚微米，甚至纳米，仍以经典物理为工作原理经典半导体器件不可能无限制地缩小，最终还会达到其物理极限第29页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义量子效应物理极限一方面是技术限制，如散热问题，材料非均匀性问题等。另一方面是量子效应限制，如量子隧道贯穿—产生MOS器件漏电流的主要原因弹道输运，短沟道，载流子在源漏之间直接穿通研究这些问题，需要量子力学的知识第30页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义柳暗花明又一村正在半导体工业由于集成电路中的物理极限凸现而疑无路之时，量子效应器件和量子信息学使得IT业柳暗花明。量子效应器件是以载流子的量子效应为工作原理的器件量子信息学是以物质的量子属性完成信息的存储、传递和处理第31页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义信息处理的新思路预计量子信息处理将以两种实现方式：以量子效应器件代替现在的器件，以现在的电路方式处理信息。用量子方式实现信息处理量子信息学的新概念：量子编码、量子通信量子计算、量子计算机量子逻辑、量子信号处理第32页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义量子信息处理第33页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义量子计算第34页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义量子通信量子通信QuantumCommunication第35页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义

量子力学与信息论第36页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义新型量子器件已初露端倪纳米尺度的量子效应器件的成果：共振隧穿器件——微观粒子的量子隧穿效应为工作原理单电子器件——利用载流子的粒子性为工作原理自旋电子学与器件——利用载流子的自旋属性处理信息第37页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义量子效应器件（续1）量子点器件——量子点之间的隧穿效应及耦合效应分子电子器件——有机基片上用可以电激活的分子制造的电子器件第38页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义量子效应器件（续2）半导体量子点实现的原胞自动机这些内容将在“纳米电子学”课程中介绍第39页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义纳米电子学北京大学2003西安电子科技大学2004上海交通大学2006纳米电子学Nanoelectronics第40页，共83页，2023年，2月20日，星期四深层意义国家中长期科技发展纲要重大科学研究计划：量子调控研究

以微电子为基础的信息技术将达到物理极限，对信息科技发展提出了严峻的挑战，人类必须寻求新出路，而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪，并正在成为发达国家激烈竞争的焦点。量子调控就是探索新的量子现象，发展量子信息学、关联电子学、量子通信、受限小量子体系及人工带隙系统，构建未来信息技术理论基础，具有明显的前瞻性，有可能在20～30年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响。第41页，共83页，2023年，2月20日，星期四二.如何学好量子力学？1.为什么量子理论难以接受？2.从经典物理学的“囚笼”中挣脱出来3.量子力学作为工具4.把握学习侧重点第42页，共83页，2023年，2月20日，星期四1.为什么量子理论难以接受？量子理论自从出现以后，一直被概念和哲学问题所困扰，难以被人们理解和接受。主要是人们长期生活在宏观世界，描述宏观世界的经典力学，如牛顿力学，电动力学，很容易接受，因为它与人们直接的经验一致。一旦接受了经典物理学的概念，这些概念就会形成无形的“牢笼”，束缚和钝化人们的创造性思维。第43页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论难以接受

量子态量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量子态）的概念量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态关于量子理论的长期激烈争论的焦点也是这个量子态第44页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论难以接受

Einstein的困惑经典物理对人们的影响不仅反映在一般初学量子力学人身上那些创建量子论的科学家也为自己所做的事情所困扰甚至有时对自己的所作所为感到失望Einstein：“上帝是不玩掷骰（tou）子的”他总是用怀疑的眼光看待量子力学并且试图通过说明它不一致性来揭示量子力学的不完备第45页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论难以接受

EPR佯谬设想有一对总自旋为零的粒子（称为EPR对），两个粒子随后在空间上分开，假定粒子A在地球上，而粒子B在月球上。量子力学预言，若单独测量A（或B）的自旋，则自旋可能向上，

也可能向下，

各自概率为1／2。但若地球上已测得粒子A的自旋向上，那么，月球上的粒子B不管测量与否，必然会处在自旋向下的本征态上。第46页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论难以接受

Schrödinger’sCat第47页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论难以接受

Schrödinger’sCat第48页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论难以接受

Schrodinger’scat第49页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论难以接受哥本哈根学派Bohr对量子力学的大部分看法得到大多数人的承认他的大部分工作是在哥本哈根完成的因此它的观点以及由这些观点而发展起来的思想被称为“哥本哈根学派”Bohr反驳Einstein：“人们能有什么‘根据’去肯定‘上帝’是‘不玩掷骰子’的呢？就凭经典物理学和拉普拉斯决定论的巨大成就吗？”第50页，共83页，2023年，2月20日，星期四2.从经典物理学的“囚笼”中挣脱出来人们总是根据已有的知识和经验去思考新问题、理解新现象经典物理学影响是习惯性的，不自觉的，因而也是不易挣脱的。量子力学的初学者从经典物理学过渡到量子物理学时，必须善于剖析自己从宏观日常经验中积习起来的观念。第51页，共83页，2023年，2月20日，星期四3.量子力学作为工具量子力学的理论体系博大精深，对人类的认识论和哲学都有深刻影响，一些深层次的问题至今没有彻底搞清楚。要把它作为一门学问研究，确实需要下一番功夫。但是量子力学又是一把实用的工具，可以用于解决许多实际问题，特别是电子科学与技术和材料学中的实际问题。第52页，共83页，2023年，2月20日，星期四作为工具“量子力学”是什么？Quantum

MechanicsTheBlindMenandtheQuantum第53页，共83页，2023年，2月20日，星期四作为工具各取所需各得其所不同专业的人学习量子力学目的不同：有人说：量子力学没有用处有人却以量子力学为终生研究对象有人说：量子力学是数学框架和运算法则有人说：量子力学是钥匙，是工具有人说：量子力学是一堵墙，难以逾越第54页，共83页，2023年，2月20日，星期四作为工具RichardFeynman“IthinkIcansafelysaythatnobodyunderstandsquantummechanics”

[Thecharacterofphysicallaw1965]1965NobelLaureateinPhysics

第55页，共83页，2023年，2月20日，星期四作为工具费因曼其人

DR.RICHARDP.FEYNMAN(1918-1988)NobelistPhysicist,teacher,storyteller,bongoplayer

第56页，共83页，2023年，2月20日，星期四作为工具那些工具作为工科学生，主要把量子力学作为工具来掌握。解释微观结构中光学和电子学现象的工具计算微观粒子（电子、光子、空穴）在材料和器件中的状态和运动规律的工具发展新器件的理论依据第57页，共83页，2023年，2月20日，星期四作为工具教与学的层次要求教师学生正确讲授（掌握）课程全部知识教书匠应试教育的好学生教会学生应用课程知识解决实际问题研究型教师素质教育的好学生注重科学思维训练，掌握创新思想大师创新性人才第58页，共83页，2023年，2月20日，星期四4.把握学习侧重点以掌握量子力学工具为主要的学习目的，就要重点掌握：量子力学最基本的概念、现象与效应量子力学的基本计算方法量子力学基本模型及建模方法量子力学计算结果的实验对比与解释第59页，共83页，2023年，2月20日，星期四三.正确对待量子力学1.量子力学的辉煌成就2.正确认识量子力学3.新的理论突破有待第二个Planck、Einstein的出现第60页，共83页，2023年，2月20日，星期四1.量子力学的辉煌成就全面列举一下20世纪最有影响的科学进展应当包含广义相对论、量子力学、宇宙大爆炸、遗传密码的破译、生物进化理论和其他一些个人喜欢的课题。量子力学深层次的根本属性使得它处在一个最为独特的位置第61页，共83页，2023年，2月20日，星期四辉煌成就

量子力学的影响量子力学迫使物理学家们改造他们已有的观念迫使他们重新审视事物最深层次的本性迫使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的定义尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的但它对我们日常生活的影响无比巨大第62页，共83页，2023年，2月20日，星期四辉煌成就对于量子力学的评价二十世纪是物理学革命性发展的世纪,量子理论和相对论的创立,不仅是物理学革命的标志,而且后者更广泛地影响了整个科学发展,如对化学键和各种物性的理解，对发现DNA双螺旋结构的作用。以量子力学为核心的量子理论，代表了人类对微观世界基本认识的革命性进步，与相对论共同成为二十世纪人类科技文明的基石第63页，共83页，2023年，2月20日，星期四辉煌成就量子力学的成功或许下面的描述能帮助我们理解这个至关重要但又难以捉摸的理论的独特地位：量子理论是科学史上能最精确地被实验检验的理论，是科学史上最成功的理论量子力学的基本预言与大量的实验的符合，已达到了令人吃惊的程度从应用的意义上讲，作为描述世界的工具，量子理论过去的成功意味着它是一个相当完善的科学理论第64页，共83页，2023年，2月20日，星期四2.正确认识量子力学在量子理论辉煌成就面前要保持清醒的头脑量子力学还有许多问题没有彻底搞清楚，包括一些基本问题这些基本问题正在成为或有可能成为新的创造、发现、发明的契机（如量子计算机，量子密码、量子通信）第65页，共83页，2023年，2月20日，星期四正确认识量子力学中的问题量子力学不仅深深地困扰着它的创立者们，直到它本质上被表述成通用形式后的今天，一些科学界的精英们尽管承认它强大的威力，却仍然对它的基础和基本阐释不满意。量子力学的完备性问题（隐变量问题）EPR佯谬量子力学中的测量问题薛定格猫态的实现第66页，共83页，2023年，2月20日，星期四正确认识争论并没有结束应该注意到对量子论创立有重要贡献的两位伟大科学家爱因斯坦与玻尔关于量子论的诠释长达几十年的争论时至今日并没有结束1982年巴黎大学的阿斯佩克特等人所做的实验已把这种思辨性的争论提高到实验辩证阶段。第67页，共83页，2023年，2月20日，星期四正确认识争论对科学技术的影响这一轮量子力学的新研究高潮不仅仅涉及量子力学基本概念的深化，而且有可能对当代电子学、光学、信息科学、材料科学等产生革命性的影响。中国科学院第一期创新工程试点的重大前沿领域特别安排有量子物理与信息研究项目，就是顺应这个量子论的世纪性新发展的需要。第68页，共83页，2023年，2月20日，星期四3.新的理论突破有待第二个Planck,Einstein的出现第69页，共83页，2023年，2月20日，星期四

PaulDirac1902-19841933年与Schodinger分享诺贝物理学奖第70页，共83页，2023年，2月20日，星期四量子理论不是终极的理论从量子力学诞生的时刻起，成功和困难就同时存在。Dirac在评论这些困难时说，人们企盼建立一个更基本的理论，而这需要我们基本观念上的某种巨大的变革。第71页，共83页，2023年，2月20日，星期四国家和前辈的期望我希望我们的年轻科学家加入当代物理学这一非常活跃、非常有基础意义、甚至会产生革命性跃迁的新领域。期望在21世纪从他们当中诞生在中国土地上成长起来的普朗克和爱因斯坦式的大科学家，产生出如同量子论、相对论一般伟大的、新的科学发现和科学理论。——路甬祥第72页，共83页，2023年，2月20日，星期四总结为什么要学习量子力学？创新素质教材

重要的基础课程下一代IT创新点

如何学好量子力学？摆脱宏观世界观念束缚作为工具来掌握正确对待量子力学量子力学不是终极理论理论有待突破第73页，共83页，2023年，2月20日，星期四谢谢大家！第74页，共83页，2023年，2月20日，星期四附录二十世纪初科学年鉴薛定谔猫第75页，共83页，2023年，2月20日，星期四二十世纪初科学年鉴1900年，Planck量子论1905年，Einstein狭义相对论1908年，盖革（H．Geiger，1882—1945）发明计数管。卢瑟福等人从粒子测定电子电荷e值。1909年，盖革与马斯登（E．Marsden）在卢瑟福的指导下，从实验发现粒子碰撞金属箔产生大角度散射。第76页，共83页，2023年，2月20日，星期四二十世纪初科学年鉴（续一）1911年，Rutherford发现原子的结构1912年，劳厄（Laue）实现X射线的晶体衍射1913年，Bohr提出量子轨道并解释了氢原子光谱1915年，Einstein提出广义相对论1906—1917年，密立根（R．A．Millikan，1868—1953）测单个电子电荷值，前后历经11年，实验方法做过三次改革，做了上千次数据。

第77页，共83页，2023年，2月20日，星期四二十世纪初科学年鉴（续二）1916年，密立根用实验证实了爱因斯坦光电方程。

1916年，爱因斯坦根据量子跃迁概念推出普朗克辐射公式，同时提出了受激辐射理论，后发展为激光技术的理论基础。1917年，Rutherford首次实现人工核反应。1919年，阿斯顿（F．W．Aston，1877—1945）发明质谱仪，为同位素的研究提供