量子力学的建立.ppt

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1、第九章 量子力学的建立,1.紫外灾难和普朗克的量子假说2.爱因斯坦的光量子理论3.卢瑟福的原子核式结构4.玻尔的氢原子理论5.电子自旋的提出6.量子理论的发展,上一代人能取得自然知识的如此神奇进展，应归功于人们从传统思想束缚下获得的这一解放。玻尔,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,一.紫外灾难二.普朗克独步一时的研究,1.紫外灾难和普朗克的量子假说,1.维恩定律 1896年，德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法，得到一个辐射能量分布公式：,这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合，而在长波区不符。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,一.紫外灾难,但瑞利

2、、金斯两人得出的共识，是根据经典物理的理论严密推导的，瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人，理论值与实验值在短波区的北辙南辕，揭示了经典物理学面临的严重困难，使人们不得不称之为“紫外灾难”。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,二.普朗克的研究1.普朗克 德国人，1874年考入慕尼黑大学数学系，因为爱好又转向物理，他的老师约里劝他不要选物理，但普朗克选了物理并于1879年获得博士学位。1880年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教。1888年柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长。1894年当选为普

3、鲁士皇家科学院院士，1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。同年被选为英国皇家学会会员，1930-1937年任威廉皇家协会会长。,2.普朗克的内插公式 普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起，得到普朗克辐射定律：,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,当0，即在长波范围，普朗克定律变为瑞利金斯公式。当，即在短波范围，又与维恩定律一致。,鲁本斯得知这一公式后，立即把自己的实验结果和理论曲线相比较，完全符合。于是两人于1900年10月19日向德国物理学会做了报告。题目是维恩光谱方程的改进。,3.普朗克的能量子假设 普朗克为一理论物理学家，他不满足于找到一个

4、经验公式，普朗克写道:“从10月19日提出这个公式开始，我就致力于找出这个公式的真正物理意义。这个问题使我直接去考虑熵和几率之间的关系，也就是说把我引到了波尔兹曼的思想。”1900年12月14日，普朗克明确提出了能量子概念，并指出每个能量子的能量与频率成正比，这一天，被称为量子力学的诞生日。普朗克从这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式。,紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说,普朗克的矛盾 普朗克的能量子假说，对能量连续的观点形成了严重冲击，人们只承认普朗克公式，却不接受他的能量子假说。就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此，他的心情非常矛盾，一方面直觉告诉他：这个发现

5、不同寻常，另一方面他又总想回到经典理论的立场上去。他说：“在将作用量子h引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有理论。”1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的，而吸收则完全是连续进行的。到了1914年，干脆取消了量子假说（0），认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集：“为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中，我花了几年的时间（一直到1915年），它们耗费了我大量的精力。现在我懂得了一件事实，基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多。”,一.光电效应二.康普顿效应,2.爱因斯坦的光

6、量子理论,1.光电效应的发现 1887年赫兹发现了光电效应。当时赫兹在验证麦克撕韦的电磁理论的火花放电实验时，意外发现：如果接收电磁波的电极受到紫外线照射，火花放电就变的容易产生。并将这一现象发表于论文紫外线对放电的影响。2.爱因斯坦的光量子假说的提出 1905年6月、1906年3月、11月，爱因斯坦连续发表了三篇论文关于光的产生和转化的一个启发性观点论光的产生与吸收普朗克的辐射和比热理论。提出光两字理论，并对光电效应进行了解释。3.光电效应理论的验证 美国实验物理学家密立根从1905年起，花了十年时间。爱因斯坦“因对理论物理所做的贡献，特别是发现了光电效应定律”获1921年诺贝尔物理学奖。密

7、立根也因此获1923年诺贝尔物理学奖。,一、光电效应,康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。1918年美国物理学家康普顿()开始研究X射线的散射，1922年，他把X射线投射到石墨上，以观察被散射后的X射线，发现其中有两种不同的频率成分：一种频率与入射线相同，另一种频率则低于入射线。按照经典理论，散射过程不会改变入射线的频率。1923年康普顿利用爱因斯坦1916年提出的光量子的动量表达式，对光子与电子的碰撞过程应用质能守恒和动量守恒定律，圆满解释了实验结果。英国物理学家威尔逊()用自己发明的“云室”发现了这些反冲电子。康普顿因发现康普顿效应、威尔逊“因发现用蒸汽凝聚观察电子粒子轨迹的方法”分

8、享了1927年的诺贝尔物理学奖。,二、康普顿效应,吴有训:1897年4月2日出生，江西高安人。物理学家。1920年毕业于南京高等师范学校。1926年获美国芝加哥大学物理学博士学位。1948年选聘为中央研究院院士。中国科学院研究员、副院长，中国物理学会理事长。主要从事近代物理学特别是X射线散射光谱方面的研究工作，是中国开展近代物理学实验研究的先驱者之一。20年代在康普顿的X射线散射研究中进行了多项实验，为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作。1955年选聘为中国科学院院士（学部委员）。1977年11月30日于北京去世。康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质（石墨），为了证明这一效应的普

9、遍性，吴有训在康普顿的指导下，做了种物质的射线散射曲线，证明只要散射角相同，不同物质散射的效果都一样。1925年吴有训以康普顿效应的论文获得博士学位。,一.原子模型的历史演变二.卢瑟福的核式结构,3.卢瑟福的原子核式结构,一.原子模型的历史演变 电子的发现，引起了人们对原子内部结构的兴趣，提出了各种结构模型。,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,3.JJ汤姆逊西瓜模型：正电荷像西瓜瓤，负电荷像西瓜子分布其上（面包和葡萄干模型）。,2.长岗的土星模型:1904年，提出土星卫环模型。这一模型实际已经提出了原子的有核结构模型，只是未对核的大小的数量级及原子的稳定性等问题给予明确的阐述。,1.勒纳

10、德的动力子模型：1902-1903年勒纳德通过作阴极射线透过金属箔的实验表明，金属中的原子并不是相互紧靠着的刚性小球，其中存在大量空隙，刚性球约占全部空间的10-9。于是他提出：原子内的每个电子与每个正电荷组成一个中性的“刚性配偶体”，并取名为“动力子”，无数动力子漂浮于空旷的原子太空中。,1.卢瑟福行星模型提出的过程,二.卢瑟福的行星模型-核式结构,JJ汤姆逊认为：“原子内的正电荷是均匀地分布在原子中的，而并非呈粒子状态”。而卢瑟福认为应该用带电粒子碰撞去试探。1909年，卢瑟福和盖革、马斯顿，用氦核轰击厚度为10-6米的金箔(散射实验)。起初盖革什么现象也没看到，卢瑟福告诉他要仔细观察：“

11、要多看细看，实验要重复几十次、几百次、几千次，才能发现偶然的现象。”结果，实验测得散射角大于90的比例约为1/8000。根据汤姆逊模型，粒子的大角偏折是多次小偏折积累造成的。其概率约为1/103500。实验结果和模型明显不符。,卢瑟福说:“犹如一发15寸的炮弹去轰一张薄纸，而炮弹却掉过头来击中你自己一样。”,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,为了解决这一矛盾，卢瑟福放弃比汤姆逊模型，利用长冈半太郎的土星模型进行计算，结果与实验值基本相符。于是1911年发表了物质的粒子和粒子的散射和原子结构的论文，提出原子的有核模型。在论文中他写到：“经过思考，我认为反向散射必定是单次碰撞的结果，而当我作

12、出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，是无法得到数量级的任何结果的，这就使我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法。”,1911-1913年间盖革和马斯顿在卢瑟福指导下做了一系列粒子的散射实验，“记录下了100000次以上的闪烁，所有结果都和卢瑟福理论符合的很好，结果都证明：原子中心有很强的电荷，这个中心比原子直径要小的多。”,原子核式结构模型的建立，只肯定了原子核的存在，但还不知道原子核外电子的情况。,卢 瑟 福 的 原 子 核 式 结 构,2.卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾,电子轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，原子光谱应是连续的光

13、谱。实验测得原子光谱是不连续的谱线。,按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。计算表明，原子的寿命将仅有10-12秒。而实验表明原子相当稳定。,一.玻尔(1885-1962)二.玻尔的氢原子理论三 玻尔理论的验证四.玻尔理论的缺陷,4.玻尔的氢原子理论,玻 尔 的 氢 原 子 理 论,一.玻尔(N.D.Bohr,1885-1962),丹麦物理学家尼尔斯玻尔，生于丹麦哥本哈根的一个富裕知识分子家庭，父亲是哥本哈根大学生理学教授。1903年进入哥本哈根大学数学和自然科学系，大学二年级时他热中于研究水的表面张力问题，并

14、在丹麦皇家科学院的有奖征文中容获金质奖章，1909年获硕士学位，1911年以论文金属电子论的研究获博士学位。1913年提出著名的玻尔原子理论。1916年任哥本哈根大学教授，1921年起一直领导着该校为他建立的理论物理研究所，直到去世。玻尔于1916年、1927年分别提出对应原理和互补原理，1936年提出原子核的液滴核模型，1939年创立核裂变理论，预言铀的自身裂变。曾参加第一颗原子弹的制造。1922年因对原子结构和原子辐射的研究而获得诺贝尔物理学奖。,玻 尔 的 氢 原 子 理 论,二.玻尔的氢原子理论,2.斯塔克的启示：1913年2月玻尔注意到德国物理学家斯塔克(J.Stark)在原子动力学

15、原理一书中的一段话：“一个光谱的全部谱线是由单独一个电子造成的，是在这个电子从一个（几乎）完全分离的状态逐次向势能最小的状态跃迁过程中辐射出来的。”他将这一电子跃迁思想和光谱线联系到一起，这样，玻尔突然领悟到，他可以用这一理论解释巴尔末公式了。玻尔曾说过：“我一看到巴尔末公式，整个情形就一下子弄清楚了。”,1.汉森的拜访：1912年7月回到哥本哈根，1913年初，玻尔的好友、光谱学家汉森()在拜访玻尔时问到原子结构和光谱学中的谱线有什么关系？并向玻尔详细介绍了巴尔末的发现，以及谁也无法对巴尔末公式作出解释。,3.跃迁理论的提出：1913年3月、6月、9月，分别写出了原子构造和分子构造（1）（2

16、）（3）三篇论文（人称“三部曲”），提出了定态跃迁的原子模型。,1.匹克林谱线的观测：1896-1897年间，美国天文学家匹克林()在船舻座星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系，这个线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。玻尔指出，皮克林系的频率公式中不应包含有半整数，而应都取整数，只是其里德伯常数为氢的4倍，并认为这些谱线是电离了的氦原子发射的。1913年给卢瑟福去信，请求他要求光谱学家否勒(A.Fowler)检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法，卢瑟福就请伊万斯作这一实验，伊万斯在一个玻璃管中充入极纯的氦气，得到了匹克林谱线。否勒又提出

17、，就这些谱线而言，其里德伯常数并不精确等于氢的4倍。玻尔回答说，这个微小的差别产生于氦原子核的不可忽略的运动。,三 玻尔理论的验证：,2.玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现。3.夫兰克-赫兹实验:J.夫兰克和G.赫兹通过碰撞测出原子的“电离能”，玻尔指出这是原子的“激发能”，由此可以肯定地证明原子定态的存在。从而验证了玻尔理论的正确性。,四.玻尔理论的历史地位和缺陷1.玻尔理论的历史地位 解决了原子的稳定性问题，揭示了光谱规律与原子结构的本质联系，波尔理论标志着量子论的最后形成。2.波尔理论存在的缺陷：它只能解释氢光谱和类氢光谱，对于稍复杂一些的原子 光谱，如氢光谱的精细结构，无法解释；不能

18、计算谱线强度；玻尔理论是经典与量子理论的混合物，存在着内在的不 协调，内在的矛盾。,1.塞曼效应和反常塞曼效应 1896年，荷兰物理学家塞曼按照他的老师洛伦兹的建议，研究磁场对光源的影响。发现在磁场中发射光谱的每条谱线都会发生分裂，当磁场方向和光路垂直时分裂为三条，一致时分裂为两条-称为塞曼效应。,之后不久人们又发现了反常塞曼效应：分裂成三条以上。但反常塞曼效应却始终没能从理论上给予解释。,5 电子自旋的提出,1916年索末菲和德拜分别发表文章解释了正常塞曼效应。,2.电子自旋概念的提出 克罗尼格(,美国)：首先提出电子自旋假设，并进行了初步计算，结果和用相对论推出的结论完全相符。于是去找泡利

19、讨论，但却遭到了泡利的反对。因为泡利早就考虑过这一模型，但由于电子的表面速度有可能超过光速，违背了相对论。于是克罗尼格就放弃了这一研究和想法。乌伦贝克()和古兹密特()：半年以后，在不了解克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。在导师埃伦费斯特的支持下，写了一篇只有一页的短文，并由埃伦费斯特推荐给自然杂志。后来他们又去找洛伦兹请教。结果洛伦兹经思考后再见他们时，却给了他们一叠稿纸，并告诉他们，如果电子绕自身轴旋转，其表面速度将达到光速的十倍。但因为论文已寄走，并可能要发表了。乌伦贝壳和古兹密特感到十分懊丧。海森堡慧眼识珠：海森堡看到乌伦贝壳和古兹密特的论文后，立刻去信表示赞许，并认为可利用自旋-

20、轨道耦合作用，解决泡利理论中所谓“二重线”的问题。,量子力学的发展线索与代表人物一.德布罗意波的提出二.波动力学的创立三.矩阵力学的建立四.玻尔与爱因斯坦的争论,6.量子理论的发展,1.线索:,量 子 理 论 的 发 展,量子力学的发展线索与代表人物,2.代表人物:,量 子 理 论 的 发 展,泡利像,玻尔和泡利,量 子 理 论 的 发 展,量 子 理 论 的 发 展,GP汤姆逊,戴维森,量 子 理 论 的 发 展,量 子 理 论 的 发 展,1.德布罗意(LouisVictordeBroglie,18921989)：法国物理学家。1910年获巴黎大学文学学士学位，1913年获理学硕士学位。第

21、一次世界大战后，拜朗之万为师，研究与量子有关的理论物理问题，攻读博士学位。1923年910月间，连续在法国科学院通报上发表三篇短文：辐射波和量子、光学光量子、衍射和干涉、物理学量子、气体动理论及费马原理，在1924年通过的博士论文量子论研究中提出了德布罗意波理论。1929年获诺贝尔物理学奖，成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖金的学者。1932年任巴黎大学物理教授，1933年被选为法国科学院院士。1942年任该院常任秘书，1962年退休，1987年3月去世，享年95岁。主要著作有：波动力学导论，物质和光：新物理学，物理学中的革命，海森伯不确定关系和波动力学的概率诠释等。,一 德布罗意波的提出,2.

22、思维过程：德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲电子的波动性中说：人们无法理解，为什么对于光来说，需要两种相互矛盾的学说，即波动说和微粒说。为什么原子中的电子只有可能进行某些运动，而按经典概念它应当有无穷多的运动。当我开始思考这些困难时，主要有两个问题吸引着我。第一个问题是，不能认为光量子理论是令人满意的，因为它是用=h这个关系式来确定光微粒的能量，其中包含着频率。可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说，单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。另一个问题是，确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而至今物理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象。这使我想到，不能用简单的微粒来描述

23、电子本身，而应当赋予它们以周期的概念。于是我得出指导我进行研究的全部概念，对于物质和辐射，尤其是光，需要同时引进微粒概念和波动概念。,3.物质波假设的提出 1924年，德布罗意在博士论文中提出物质波概念。德布罗意在论文中提出如下预言：“从很小的孔穿过的电子束能够呈现衍射现象，这或许就是人们能借以寻找关于我们的想法的实验证据的方向。”他曾向道维耶先生提过建议，请他用电子进行实验以获得衍射和干涉现象，但道维耶正忙于其他工作，没有按照他的建议去做；德布罗意的导师也认为他的思想大胆的近乎荒唐，不知该如何评价他论文，于是将论文的副本寄给了爱因斯坦，爱因斯坦认为德布罗意理论体现了光子和物质微粒之间的对称性

24、，并称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。,4.德布罗意波的实验验证 X 射线照在晶体上可以产生衍射，如果物质波理论正确，那么电子打在晶体上也能观察电子衍射。,(1)戴维孙-革末实验-单晶体电子衍射 1927年，在一个偶然机会，做电子束在镍单晶体表面散射实验时，观察到了和X射线在晶体表面衍射相类似的衍射现象，从而证实了电子具有波动性。,(2)G.P.汤姆逊实验-多晶体电子衍射 1927年 G.P.汤姆逊也独立完成了电子衍射实验。但他是在德布罗意理论启发下自觉进行实验的。他采用了高能电子束穿过细晶体粉末或薄金属片做透射实验，很快得到了衍射环，并计算出了相应的波长。,G.P.汤姆逊与 C.J.戴

25、维森共获 1937 年诺贝尔物理学奖。,1.薛定谔简介(ESchrdinger,18871961)奥地利理论物理学家，波动力学的创始人。1887年生于维也纳。1906年入维也纳大学物理系学习，1910年获得博士学位。毕业后，在维也纳大学第二物理研究所工作。1920年移居耶拿，担任维恩的物理实验室助手。1921年，薛定谔受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授。1927年接替普朗克任柏林大学理论物理学教授。同年当选为普鲁士科学院院士。1933年受德国纳粹党徒的迫害，离开苏黎士到英国任牛津大学任物理学教授。同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理学奖。1936年回到奥地利，1938年奥地利沦陷，逃往爱尔兰的都柏

26、林，在都柏林高级研究所，成为理论物理学的领军科学家。1956年，回到奥地利，成为维也纳大学物理系的名誉教授。奥地利政府设立了以他的名字命名的国家奖金。1961年在奥地利的阿尔卑巴赫山村病逝。,量 子 理 论 的 发 展,二.波动力学的建立,2.与爱因斯坦的讨论 1925年前后，爱因斯坦正在研究气体理论，发表了单原子理想气体的量子理论和。薛定谔当时也在研究气体理论，他对爱因斯坦的论文很不理解，认为有错，于1925年2月5日写信给爱因斯坦进行讨论。爱因斯坦在回信中建议他仔细研究德布罗意的博士论文，这促使了薛定谔对德布罗意物质波思想的极大关注，并迅速掌握了德布罗意的新思想。到薛定谔发表波动力学之前，

27、薛定谔与爱因斯坦之间共同通了九封信。,3.德布罗意思想的影响 1925年，著名物理学家德拜主持了一个学术讨论会，指定由薛定谔报告德布罗意理论。当薛定谔介绍完之后，德拜评论说，“讨论波动而没有一个波动方程，太幼稚了”。这次讨论会，实际上就是薛定谔事业的开端。1926年上半年，薛定谔以作为本征值问题的量子化为总题目，连续发表了六篇论文，建立了波动方程，创立了波动力学体系。,1.海森堡的贡献 德国物理学家，1920年进入慕尼黑大学物理系，师从索末菲攻读理论物理学。1923年考取博士，先后跟随玻恩和玻尔学习，并在他们的指导下，研究量子伦。海森堡曾经说过：“在索莫菲那里学了物理，玻恩那里学了数学，玻尔那

28、里学了哲学。”海森堡1925年7月创建矩阵力学，1927年提出测不准关系，同年任莱比锡大学理论物理学教授，1941年任柏林大学物理学教授和威廉皇家物理研究所所长。因创立量子力学获1932年诺贝尔物理学奖，1976年在慕尼黑的家中去世。,三.矩阵力学的创立 在矩阵力学的建立中，海森堡于1925年首先取得突破性成果，后来由海森堡、波恩和约当三人共同完成。,海森堡认为，理论必须建立在实验中可观察量的基础上，他“相信应该不考虑原子里有电子轨道的问题，而应该只用和谱线强度相联系的频率和振幅来处理。”,1925年7月，海森堡写了关于运动学和力学关系的量子论新释，在文中，他按照经典力学中用振幅和频率表示坐标

29、的方法，得出量子论的x表达式：,海森堡的数学方法，当时对大多数物理学家并不熟悉，波恩经过几天的思考后，这就是70年前被创立的矩阵演算，所以海森堡的理论就被称为“矩阵力学”。,2.玻恩的工作 随即波恩运用海森堡的矩阵方法为海森堡的理论建立严密的数学基础，当时海森堡已去英国剑桥访问，玻恩找了年轻数学家约当作助手，于同年9月发表关于量子力学。1925年11月，海森堡、玻恩和约当合作完成了论文关于量子力学。论文中，他们将结果推广到多自由度和有简并的情况，系统的论述了本征值问题，建立了定态微扰和含时间微扰的基础，讨论了角动量、谱线强度和选择定则，奠定了以矩阵形式表示的量子力学的基础理论。,3.波动力学和

30、矩阵力学的等价性 1926年4月发表了关于海森堡-玻恩-约当的量子力学与我的波动力学之间的关系，从数学上证明了两种理论的等价性。后来，把矩阵力学和波动力学合在一起，统称为量子力学。,四.玻尔与爱因斯坦的争论：,量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。,波函数的几率诠释：在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。在相同的实验条件下，可以发生各种不可预测个体量子过程，每次测量都会由于观测仪器与客

31、体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件，使通常情况下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。,1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所(1965年改名为玻尔研究所)。并很快成为当时国际上公认的物理研究中心。逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的“测不准关系”和玻尔的“互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱。1927年后，逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们称为量子力学的“正统”解释。,1.量子力学的哥本哈根学派

32、的诠释：,测不准关系：1927年，海森堡在论文量子论中运动学和动力学的可观测内容中，提出了著名的“测不准原理”。为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：用一个射线显微镜观测一个电子。由于显微镜的分辨率受光波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引起电子动量的变化就越大。因此电子的位置愈准确，就愈难确定电子的动量。反之亦然。,互补原理：微观粒子具有波粒二相性，是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中波和粒子这两种图象却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图

33、象结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是玻尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种哲学原理。,以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：,因果性还是几率波？量子力学仅可建立在可观察量的基础上？,2.爱因斯坦的观点,序幕：1926年9月，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。即以传统的连续性观念，代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来，立即遭到玻尔的强烈反对。这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔

34、争论的序幕。,玻尔的互补原理：1927年9月，在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上，玻尔第一次提出了“互补原理”。这篇演说不仅用物理学语言，而且还用了大量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔和老厄不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在测不准关系或其他不确定的统计解释上。,3.论战的爆发：,论战开始：几个星期后，1927年10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议。会议主题是“电子和光子”。在玻恩和海森堡做关于矩阵力学的报告时指出：“我们主张量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。”这番话无疑是向不同意见提出了挑战。接着玻尔阐述了他

35、的“互补原理”，重复了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满，他曾在1926年12月给玻恩写信时说：“上帝不是在掷骰子”，当玻恩问到爱因斯坦的意见时，爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释，但不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。（爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造成的，所以只能得出不确定的结果。）爱因斯坦的发言掀起了波浪，也从此引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。爱因斯坦的单缝衍射实验（略）双缝干涉实验（略）,4.争论的高潮 在1930年10月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦与玻尔的

36、争论达到一个高潮。会议主题是“物质的磁性”，不过关于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容。起因是爱因斯坦提出了一个新的理想实验，试图从能量和时间这一对共轭变量的测量来否定测不准关系。,“光子箱”实验：如图示。一个光子箱悬挂在上底座上，不消耗辐射能。箱壁上开一小孔C，并设有用计时装置控制的快门。箱子下面挂一重物G，整个箱子重量可由装在箱子外面的指针测定。在从快门打开到闭合的时间t里，只让一个光子飞出；t可通过计时装置精确测定；由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变m也可精确测定，由质能关系式即可计算出能量的变化E。这样t和E就可同时精确测定。测不准关系不再成立。,玻尔指出，如果光子箱的重量是

37、用弹簧秤来测量的，那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时，箱子必将沿重力方向发生运动。箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变，从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由此得出结论：用这种仪器作为精确测定光子能量的工具，将不能控制光子逸出的时间。爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验，不但没有难倒玻尔，反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责。,“EPR佯谬”：第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性，但是仍坚持认为量子力学是不完备的。1935年5月爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基(B.E.Podolsky)

38、、罗森(N.Rosen)合作发表了能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，对量子力学完备性提出了有力的反驳，即“EPR佯谬”。,5.没有结尾的尾声 由于二次世界大战，争论平息了一个时期。这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认，统计性的量子理论为理论物理学带来了极其重大的进展；这个理论也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一起来的理论。玻尔更是这样，据他的助手回忆，在每一个重大问题上，玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的；1962年11月18日玻尔逝世时，人们在他工作室的黑板上发现了两张草图，其中之一就是爱因斯坦的光子箱。,6.意义 爱因斯坦和玻尔的争论，使量子力学的意义不断得到澄清，一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是：科学规律本质上是因果性的，还是概率性的？量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。,玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。,