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1、量子论,1,2,1 开创物理学新时代的“量子”概念的提出,一、背景黑体辐射实验：用经典理论无法解释实验结果导致量子物理的诞生。什么是黑体辐射？为什么要研究它？热辐射：物体内的分子、原子受到热激发而发射电磁辐射的现象。,3,不同温度下，辐射能量集中的波长范围不同。600，物体的热辐射波长在红外和远红外波段。温度的升高，物体热辐射的能量逐渐增强，辐射波长趋向短波段。600700，物体开始呈现暗红色，这表明辐射波段开始进入可见光区域。,物体温度的继续升高，辐射的波长进一步向短波方向移动，物体变得鲜红，甚至白热。,4,一个密闭的空腔上开一个小孔，则此小孔就可近似地看成为黑体。只吸收，不反射。研究它的辐

2、射本领的好处是与空腔材料无关。,黑体辐射,黑体是能100吸收投射到它上面的电磁辐射而没有任何反射的物体。,5,黑体辐射本领与辐射波长的关系,维恩位移定律,瑞利-金斯公式,波长较小时与实验符合很好，大时则不好。,波长较大时能与实验很好符合，小时则根本不对。,6,二、普朗克 普朗克将两个公式综合起来，凑出一个与整个实验曲线符合的经验公式，称为普朗克公式。其中，h是普朗克常数，c是光速，k是玻尔兹曼常数。,普朗克,当 很小，时，此式近似为维恩公式,7,当 很大；时，此式近似为瑞利-金斯公式,黑体辐射,8,经过两个月奋斗，于1900年10月19日，在德国物理学会会议上报告了他在“能量量子化”的假设下，

3、从理论上严格推导出的普朗克公式。,“这一发现成为20世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展”。爱因斯坦,9,普朗克的基本假设：在辐射场中有大量包含各种频率的谐振子，一个频率为 的谐振子的能量不能是连续的，只能是能量元（又称能量子）的整数倍，即，其中n只能取正整数。能量元，h为普朗克常数。这就是著名的“能量量子化”假设。,与经典理论是完全相抵触,在此假设下，大量谐振子体系与辐射场之间的能量交换必须也是量子化的。由此导出了普朗克公式。,10,三、量子观念在“非难”中得到发展 1“能量子”假定遭到怀疑 普朗克引入了“能量子”的假设，标志着量子物理学的诞生，具有划时代的意义。但是

4、由于这个假设对经典物理学致命的打击，所以他同时代的那些物理学家对这一观念都表示疑惑不解，甚至怀疑。洛伦兹说：“关于辐射量子问题的讨论使科学家们都陷在死胡同里了。”,无人问津,11,普朗克本人也由于受传统的经典观念影响太深，对自己提出的“能量子”思想违反了经典的连续性概念而烦恼和后悔。并一直试图用连续性代替不连续性，回到经典范畴。经过十多年徒劳的努力后，他才相信能量子假设是正确的，作用量子h反映了新理论的本质。,年仅21岁的爱因斯坦，对于新生“量子婴儿”，表现出热情支持的态度。并于1905年提出了“光量子”假设，把量子看成是辐射粒子，赋予量子的实在性，并成功地解释了光电效应实验，捍卫和发展了量子

5、论，不愧为量子物理的一代先驱。,12,2 第一个钻到原子中心的人卢瑟福,在介绍第三位量子物理的先驱者玻尔的工作以前，有必要先介绍卢瑟福，不仅因为卢瑟福的工作同样是给了经典物理一个致命的打击，而且玻尔的工作正是建立在他的工作基础上的。,13,一、汤姆孙的原子模型 电子的发现者汤姆孙本人所提出的一种原子模型：原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，而电子是一个个嵌在其中，并保持整个原子的电中性。当时这种模型被称之为“葡萄干布丁模型”。1904年又作进一步假设：原子中电子是分布在一个个同心 圆环上，作着旋转，每个环中 只能包含,有限个电子。这是闪光点！,这个假设可解释元素周期表。,葡萄干布丁模型,1

6、4,卢瑟福,卢瑟福发现了放射性规律，发现了原子核式结构，首此实现了人工核反应，预言了中子等。被誉为“核物理之父”。,粒子散射实验 卢瑟福有意让他的研究生马斯登寻找有否 粒子从金属表面反射回来。后来马斯登和盖革用 粒子轰击厚度为0.4m的金箔，发现有1/20000的概率被反射回来，发生大角度散射这是第一个有科学依据的原子模型的起点。,15,用葡萄干布丁模型是无法解释 粒子被反射回来的现象。卢瑟福提出原子的“核式结构模型”：所有正电荷（Ze）和原子质量都集中在原子中心一个非常小的体积内，这就是原子核。原子中的电子绕核运动,靠静电引力把整个原子结合在一起。并且通过理论推导给出了著名的“卢瑟福散射公式

7、”,所计算出的 粒子散射概率与实验事实完全相符。,16,但是任何重大发现的背后，往往又孕育着新的问题，甚至是一种灾难。卢瑟福模型也不例外。主要问题是无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小。因为按照经典电磁学理论，当带电粒子作加速运动时，会发射电磁波，放出能量。因此，绕核运动的电子辐射而损失能量最后导致落到原子核上。（这个过程非常短暂。）这样的原子就都是不稳定的了。后果不堪设想！有人开玩笑说，物理学家 不知道为什么自己住的楼 没有倒塌掉！,17,面对这样的困难，卢瑟福还是勇敢地宣布了他的原子模型:“关于所提的原子稳定性问题，现阶段尚未考虑进行研究但是，我们的科学事业除了今天还有明天！”“显然，原

8、子的稳定性与原子精细结构有关，并且与其中带电粒子的运动有关。”,18,四、卢瑟福预言核内存在“中子”中子发现的重大意义 在发现原子核后，科学家就在思考原子核的组成。在1920年以前，普遍认为是由质子（氢核）和电子组成，当时电子和质子是人们仅知的两种基本粒子。随着一些元素的同位素的发现，提出了一个问题，即为什么这些同位素的核电荷Ze相同，但质量不同，且非常接近质子质量的整数倍？,19,卢瑟福以他丰富的科学想象力提出了著名的中子假设：“在某些情况下，也许由一个电子更加紧密地与H（氢）核结合在一起，组成一个中性的双子，这样的原子也许有很新颖的特性。”“要解释重元素的组成，这种原子的存在，看来是必需的

9、。”在1924年后，这种中性双子被定名为中子。,20,在中子的发现上，约里奥-居里夫妇在旧的传统观念的影响下，错失了机会。而相信卢瑟福的预言，一心在寻找中子的查德维克抓住了机遇，发现了中子，荣获诺贝尔物理学奖。,查德威克,21,卢瑟福“关于中子”的预言，为后来他的学生查德威克发现中子起了很关键的作用。查德威克是卢瑟福的学生，他设计实验发现了中子，并用云室测定了中子的质量。1935年，在诺贝尔奖评奖委员会上，有人认为应由约里奥-居里夫妇与查德威克共享这一年的奖金。卢瑟福说，给查德威克吧，约里奥-居里夫妇那么能干，他们以后还有机会。就在同一年，化学的诺贝尔奖评委员会把1935年诺贝尔化学奖授予约里

10、奥-居里夫妇，表彰他们发现了人工放射性。,22,中子的发现是核物理发展史上的一个重大转折点，使人们对原子核的研究进入一个崭新阶段。由于中子不带电，容易进入核内，所以用它作为研究原子核的炮弹，比带电的粒子威力大得多，因此中子的发现也为核能的利用打开了大门。,23,3 和谐的乐章玻尔模型,一、行星模型的鉴赏家谁是卢瑟福濒临失败的原子模型的救星呢？不是他自己，而是尼尔斯玻尔。后来，史学家问过玻尔：“当时是不是只有你一个人感兴趣呢？”玻尔回答说：“是的，不过你们知道，我主要不是感兴趣，我只是相信它。”,24,玻尔模型及其重新思维 1玻尔模型的基本假设 玻尔的目的：要解决卢瑟福原子模型的稳定性问题及给出

11、原子大小。在他所发表的划时代的关于原子结构的论文中首先对氢原子提出了玻尔模型的两个基本假定：,（1）定态条件假定 作绕核圆周运动的电子只能处在一些分立的允许轨道上运动，且不存在能量辐射。也就是说电子只允许在一些有确定分立半径和分立能量大小的“定态”轨道上运动。此假定使原子可以保持稳定性,25,（2）频率条件假定 当电子从一定态能量为 的允许轨道跃迁到另一定态能量为 的允许轨道时，会以电磁波形式 释放能量（当）,吸收能量（当）若，则所放出的电磁波所相应的光子能量为,26,讨论与思考 为什么玻尔说：“当我一眼看到巴耳末公式时，一切都在我眼前豁然开朗了？”上述两个假定反映了玻尔的创新思维，其中包含了

12、3个第一：,第一个将量子化概念用到了原子结构,第一个将原子光谱与原子结构定量联系起来,27,玻尔模型的实验验证 除了光谱实验能证明玻尔模型正确外，法国科学家夫兰克和赫兹正是用电子轰击多电子汞原子，成功证明了原子内部能量的量子化。这是独立于光谱实验的另一种方法，极其重要。,夫兰克,赫兹,28,玻尔模型的贡献与困难 1贡献：给出了量子化的原子结构，成功地给出了对氢原子结构的定量描述，揭开了30年来令人费解的氢光谱之谜。2困难：在玻尔理论中却同时存在着两种不协调的概念经典的连续性和量子的不连续性。面对这些困难，人们期待着新的物理思想的诞生。,哥本哈根精神 哥本哈根精神是玻尔研究所所倡导的，也是玻尔研

13、究所能成为世界著名的“物理学界的朝拜圣地”，为近代物理发展做出一系列重大贡献的关键所在。,29,4 德布罗意与物质波,一、物质波提出的背景 1玻尔模型遇到根本困难，亟需突破 2爱因斯坦的光量子论及光的波粒二象性思想得到国际科学界的承认 德布罗意是爱因斯坦的狂热崇拜者，认为他是“现代科学的牛顿”，他领悟了爱因斯坦深刻的思维方式，体会到“爱因斯坦的光的波粒二重性乃是遍及整个物理世界的一种绝对普遍现象”，并且勇敢地发展了爱因斯坦的思想。3在他哥哥的影响下，德布罗意本人对量子物理研究感兴趣，有相当好的研究基础。他从攻读历史转向学习物理，研究生期间他把量子理论研究作为他的博士论文方向。他发誓：“要尽我所

14、能去理解那个神秘的量子。”,30,二、物质波的提出 1创新思维 德布罗意把爱因斯坦所提出的光的“波粒二象性”推广到了所有物质粒子，从而朝创造描写微观粒子运动的新的力学量子力学迈进了革命性的一步。他认为辐射与粒子应是对称的、平等的，辐射有波粒二象性，粒子同样应有波粒二象性，即对微粒也赋予它们波性（周期性）。,31,德布罗意在1929年领诺贝尔奖时曾回忆当时提出物质波时的想法：“在原子中电子稳定运动的确立，引入了整数；到目前为止，在物理学中涉及整数现象只有干涉和振动的简正模式，这一事实使我产生了这样的想法：不能把电子简单地视为微粒，必须同时赋予它们以周期性”。也就是说，必须要赋予电子波性。为此，他

15、认为在玻尔模型中这些电子轨道的周长应该是电子波长的整数倍（驻波要求），也就是德布罗意把玻尔提出的定态与驻波联系起来了。,32,2著名的德布罗意关系式 1924年11月，德布罗意正式提出了所有物质粒子都具有波粒二重性的假设，他认为“任何物体伴随以波，而且不可能将物体的运动与波的转播分开”；并且从理论上导出了粒子动量p与伴随着的波的波长之间的关系式：,这就是著名的德布罗意关系式。例如动能Ek=10eV的电子，其德布罗意波长,33,上述计算中，已用了组合常数hc=1240eVnm。可见这个电子的波长已与原子半径相仿，所以在原子、分子那样的微观世界中，电子的波长就显示出来了。动能越大，电子波长就越短，

16、科学家正是利用短波长的高能电子束代替可见光，制成了电子显微镜。,34,20世纪30年代，电子显微镜诞生了。电子显微镜是利用高速运动的电子束代替光线来观察物体的细微结构的，放大倍数比光学显微镜高许多，可以达到几十万倍。电子显微镜大大开阔了人们的视野，使人们看到了细胞更细微的结构,电子显微镜,35,美国橡树岭国家实验室的研究人员正在以创记录的分辨率清楚地观察原子世界，因为他们研究出的电子显微镜能够能分辨出硅晶体的单个、哑铃形状的原子。,电子显微镜下的原子世界,能看清原子的电子显微镜,36,物质波概念的提出令人惊讶 在论文答辩时，物质波概念的新颖，使答辩委员会不知如何评价，但也不敢轻易否定。为此，他

17、的导师郎之万将论文副本寄给了爱因斯坦。对德布罗意的论文，爱因斯坦大加赞赏。在爱因斯坦的大力推荐下，德布罗意的论文顺利通过了。,37,对于德布罗意的物质波思想，爱因斯坦评价说：“厚幕的一角被德布罗意揭开了。M.德布罗意的弟弟做了一项很有意义的工作我相信，这是对物理之谜中最棘手的一个谜投下了第一道微弱的光芒。”,爱因斯坦,38,四、电子波动性的实验验证 在论文答辩会上，针对物质波思想，有人问德布罗意：有没有办法验证这一观点？他回答：“通过电子在晶体上的衍射实验，应当有可能观察到这种假定的波动的效应。”他哥哥实验室中的一位实验物理学家道维勒试图用阴极射线管做这个实验，没有成功！放弃了。道维勒为什么没

18、有做成呢？后来分析是电子的速度不够大，作为靶子的云母晶体吸收了空中游离的电荷。如果改变实验条件认真做下去，是会成功的。3年后的1927年，美国物理学家戴维孙和英国物理学家G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙的儿子）分别发现了晶体的电子衍射，完全证实了电子的波性。,39,戴维孙,G.P.汤姆孙,电子在晶体中衍射实验示意图,40,戴维孙（左）手持电子衍射管，右为他的助手革末,戴维孙所用的电子衍射管,41,电子双缝干涉实验图样,1961年德国科学家约恩逊首次获得电子的双缝干涉图样，明确显示了电子的波动性，被列为世界十大最美丽的实验之榜首,42,5 描写物质波动的方程及波函数的统计解释,一、薛定谔波动方程

19、德布罗意提出了物质波的概念，可是没告诉大家这种波满足什么样的运动方程，是如何随时间变化的。电子的波动性与粒子性又是如何完美统一起来的？,43,1926年，薛定谔完成了波动方程的建立,称薛定谔方程。,薛定谔,44,请注意：在这里量子化能级是薛定谔方程的自然结果，不必去规定某些量子化条件了。可惜当时薛定谔自己也没有认识到他所提出的波函数的真正意义。,薛定谔：“要是必须承认这该死的量子跃迁，我真后悔卷入到量子理论中来。”玻尔：“但是，我们大家却全都感谢你，你的波动力学代表了一次巨大的进步。”1926年10月，于哥本哈根,45,对薛定谔有必要提一下他对生命科学研究的贡献：1944年，薛定谔出版了生命是

20、什么？活细胞的物理学观一书。书中薛定谔试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性，引进了非周期性晶体、负熵、遗传密码、量子跃迁式的突变等概念。这本书使许多青年物理学家开始注意生命科学中提出的问题，引导人们用物理学、化学方法去研究生命的本性。正是 在这本书的启发下，后来克里克和 沃森发现了DNA双螺旋结构，将生命 科学研究深入到分子水平。使薛定谔 成了分子生物学的先驱。,生命是什么？,46,生命是什么？在上个世纪的生物学革命中的作用确实非同凡响。后来，克里克和沃森发现DNA双螺旋结构。,DNA双螺旋结构,47,二、波函数的统计解释 表示电子于t 时刻在空间x点被测到的概率密度。直到1927

21、年，玻恩才对波函数作出了正确的统计解释，并且利用统计性把波与粒子两个截然不同的经典概念完美地联系了起来。,1爱因斯坦观点的启发“爱因斯坦的观点又一次引导了我。他曾经把光波解释为光子出现的概率波，从而使离子和波的二象性成为可以理解的。这个观点马上可以推广到波函数上：必须是电子（或者其他粒子）的概率波。”玻恩的我这一代的物理学,48,2玻恩的统计解释 类似爱因斯坦把光波振幅的平方（）解释为“光子密度的几率量度”，玻恩认为描写电子运动的波函数的 模（是复数）的平方 表示电子于t 时刻在空间x点被测到的概率密度。这样就自然地把粒子性和波性统一起来。,请注意：波函数 本身没有直接可观察的物理意义，只有

22、才表示粒子在空间被测到的概率密度。,49,三、对量子力学做出重要贡献的其他物理学家“物理学的原理有它的结构，这个结构有它的美和妙的地方。而各个物理学工作者，对于这个结构的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因为大家有不同的感受，所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法，也就是说他会形成他自己的风格。”杨振宁美与物理学,50,让我们先来认识一位物理学家。他的才华，让杨振宁想起唐朝诗人高适的诗：“灵性出万象，风骨超常伦”。说读他的文章读起来很通顺，就像“秋水文章不染尘”，没有任何渣滓，直达深处，直达宇宙的奥秘。,他的创见，让丁肇中戏称：“一个天才和一个神经不正常的人的距离是很小的。”他就

23、是保罗狄拉克（Paul Dirac）,51,狄拉克的杰出成就之一是，他把20世纪物理学的两项伟大成就相对论和量子力学结合起来，他写出一个相对论性的量子力学方程，叫狄拉克方程。开创了相对论量子力学，时年26岁。在相对论和量子力学里，质量是以平方项的形式出现的。M 2可以表示mm，也可以表示为(m)(m)。这也许不会引起普通人的注意，但狄拉克没有放过它，他问m 有物理上的意义吗？（前面丁肇中开玩笑的话就是由此而来）反粒子的概念,狄拉克,52,海森堡是20世纪另一位大物理学家。在他1925年发表的文章中给出了方程，引导出了量子力学的发展，开创了一个模糊前进的方向。因为当时物理学正进入一个非常时代：牛

24、顿力学的基础发生了动摇，“有许多关键性的实验和大胆的决策，有许多错误的尝试和不成熟的假设”,“对于那些参加者，那是一个创新的时代，自宇宙结构的新认识中，他们得到了激奋，也尝到了恐惧。”海森堡正是在那个雾中摸索，摸到了前进方向，这也导致了他的文章有一个共同特点：朦胧、不清晰、有渣滓。与狄拉克的文章风格形成鲜明对比。但当你读他的文章时，会为他的独创力所惊叹，尽管它让你觉得问题还没有做完，还要发展下去。,53,海森堡和狄拉克的风格之所以如此不同，关键在于他们所专注的物理学内涵不同，注意的方向不同。狄拉克的灵感来自他对数学美的直觉欣赏；海森堡的灵感则来自他对实验结果和唯象理论的认识。“粒子的位置测定得

25、越精确，它的动量就知道得越不精确，反之亦然。”海森堡，1927年不确定关系,海森堡,54,比上帝还挑剔的人 泡利提出了著名的泡利不相容原理：一个原子中任何两个轨道电子的4个量子数不能完全相同。,泡利,55,不相容原理并没有立刻呈现出它的价值，可是泡利的才华却因此而得到社会的承认。他还以科学的预见预言了中微子的存在，获得普朗克奖章。直到泡利提出不相容理论20年后的1945年，这个理论的正确性和它产生的广泛深远的影响才得以确认。不相容原理被称为量子力学的主要支柱之一，是自然界的基本定律，它使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得条理化。人们可以利用泡利引入的第四个、表示电子自旋的量子数，把各种元素

26、的电子按壳层和支壳层排列起来，并根据元素性质主要取决于最外层的电子数（价电子数）这一理论，对门捷列夫元素周期律给以科学的解释。,56,势垒穿透（隧道效应）,能量为E的粒子从左向右运动,能透射过能量为的势垒吗？,一些量子效应,57,58,量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代

27、器件。,量子反常霍尔效应,59,霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（，18551938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。,日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应，仅汽车上广泛应用的霍尔器件就包括：信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。,60,量子霍尔效应在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青1980(Klaus v

28、on Klitzing,1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了.,61,它是一种典型的宏观量子效应，,62,现象1.霍尔电导率 出现与电子密度n无关的一定平台2.一定的平台是物理常数e2/h整数倍 意义1.半导体器件可以作为标准电阻2.精确测定 e2/hc的值，从而测定精细结构常数,金属或半导体中的电子本来做无规则热运动。量子霍尔效应相当于定义一个规则：电子在运动过程中要按照规则朝前走，这样的直接结果就是实现了非常低的能耗。人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，这将克服电脑的发热和能量耗散问题。然而，普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此应用起

29、来将非常昂贵和困难。,63,64,反常霍尔效应,1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的。,2013年4月10日清华大学和中国科学院物理研究所在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。,65,量子霍耳效应和反常霍尔

30、效应针对的是磁场对晶体管这类电子元件产生的热研究出来的解决办法，就是给电子的无规则运动轨迹套上个笼头，这个笼头就是外加磁场或者自身磁场，前者的优点是解决起来方便，但是不能小型化实用化，可以专用。后者是自己产生磁场，不需要外加磁场，缺点是自身磁材料贵，目前来说也没有进入高温化、实用化，但前景可人！,66,霍尔效应和超导效应霍尔效应就是给电子一条路，让后面的电子在比较空旷的空间里面前进，不和其它电子碰撞从而损失能量产生热；超导是材料在低温的时候电子库伯对的波粒二象性的波动性使得电子对的流动绕过晶格障碍，本质上来说一个是使得电子在导体里面集中从而使得后面电子无障碍无碰撞。不产生电阻。霍尔效应有电阻不

31、产生热量或者热量少，超导是没有电阻了,67,反常霍尔效应：不加外磁场也可以观测到霍尔效应。量子霍尔效应：霍尔效应的量子力学版本。量子反常霍尔效应：零磁场中实现量子霍尔效应。,68,69,量子跳变（量子信息论）,1）.量子跳变:电子在打到屏幕之前是扩展的,用场表示.但是一旦这个粒子实际打到屏幕上,场就突然在撞击点”局域化”。因此,它的场在一瞬间发生跳变。,70,量子跳变能影响很大的区域。例如:来自任何一颗遥远的星星的每个光子的场,在它到达地球之前,散布的距离长达许多千米。尽管这个场的尺寸很大,它还是在光子打中一个探测器的瞬刻就收缩为一点。,71,）曼德尔的实验粒子走哪条路？1991年曼德尔及其同

32、事对量子理论预言探测器对远处事件的效应进行了实验,一个粒子发生的任何事情都会影响到这个两粒子系统的场,从而影响到另一个粒子。,EPR悖论,A.爱因斯坦、B.波多尔斯基和N.罗森1935年为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论。又称 EPR论证。这一悖论涉及到如何理解微观物理实在的问题。爱因斯坦等人认为，如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的，那么物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量，即完备性判据。当我们不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量，即实在性判据。,72,他们从量子力学基本原理出发，指出在多粒子量子系统中，存在一种奇

33、特的关联，这种关联无法通过粒子的共同历史、经典通信和相互作用等常见的因果关系来解释，于是他们称这种关联为“幽灵式超距作用”（spooky action at a distance）。这个所谓的“幽灵式超距作用”就是当下为人熟知的量子纠缠。,73,面对爱因斯坦等人的反驳，玻尔对EPR实在性判据中关于“不对体系进行任何干扰”的说法提出了异议，认为“测量程序对于问题中的物理量赖以确定的条件有着根本的影响，必须把这些条件看成是可以明确应用物理实在这个词的任何现象中的一个固有要素，所以EPR实验的结论就显得不正确了”。玻尔以测量仪器与客体实在的不可分性为理由，否定了EPR论证的前提物理实在的认识论判据，

34、从而否定了EPR实验的悖论性质。,74,EPR佯谬的提出迄今已经七十多年，量子纠缠已经广泛应用于量子力学基础检验、量子保密通信、量子计算和量子精密测量等各个领域，然而量子纠缠关联塌缩的速度到底是多少这一问题仍然没有得到解决。,75,最近，由中国科学技术大学潘建伟院士领衔的自由空间量子通信团队的彭承志、张强研究小组，在国际上首次成功实现了无局域性漏洞的量子纠缠关联塌缩速度下限测量，结果表明在所有相对地球以千分之一光速或更低速度运行惯性参照系中，量子纠缠关联塌缩速度下限为光速的一万倍。该研究成果发表在近日出版的物理评论快报（Phys.Rev.Lett.110,260407(2013)）上。,76,

35、彭承志解释“在经典状态下，一个个独立的光子各自携带信息，通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似超时空穿越的通信方式。”,77,78,三量子论的宇宙观,1.量子理论的不确定性特点:量子理论的最大特点在于它的不确定性。量子不确定性的实质是,完全相同的物理情况将导致不同的结

36、果。由于一种属性的存在排除了另一种属性的存在,我们就说这两种属性互补。,79,2.量子理论中的观测:量子理论的涵义是和观测相联系的。观测能够立时地根本改变被观测的体系。但是对”观测”必须做广义地理解。如果一个宏观检测装置有可能记录这个事件,我们就认为这是一次观测。但正如在曼德尔实验中看到的,仅仅是能检测的可能性就已经能够引起一次量子跳变。,80,3.粒子属性:只有联系整个实验环境,粒子的属性才有意义。因为这个环境对确定粒子的场起作用。玻尔认为,微观粒子的属性并不属于这个粒子本身,而是存在于”整个测量环境”之中。这种认为粒子的属性是由有关的实验装置产生的观点叫做关联的实在(contextual

37、reality),或观测生成的实在,81,量子论和牛顿世界观1）.原子论:牛顿认为,基本的实在由原子构成。量子论认为,微观世界是由场构成的,但场肯定不是由原子构成的。原子是空的,它们是由场构成的。它们的静止质量、它们的物质,是由这些场能量的结果。,82,2）.客观性:客观性观念在伽利略和牛顿时代对科学进步至关重要,但被绝对化了。在量子论建立前,科学家们普遍相信自然现象总可以脱离它们周围的环境。在量子理论中,整个实验装置对确定待研究物体的性质至关重要。但这并不使物理学变成主观的,因为每个使用同样的观察设备的观察者仍然看到同样的结果;不过它的确是实在依赖于实验装置。,83,3.可预言性:牛顿世界观

38、,每一个物理系统都是完全可以预言的。一旦启动,就要求钟表式的宇宙在过去和未来精确地运行。量子论认为,同样的原因不再导致同样的后果。即使是在完全受控的实验中,单次事件也不再可以预言。宇宙不像个时钟。但统计图样是可以预言的,纵然不能预言单个事件。机遇统治着单个事件,而自然则决定了机会。,84,4）.分析:从伽利略起,科学就依靠把现象分解为其最简单的成分,并研究这些成分而进步。这导致人们把注意力集中在最简单和最微小的成分原子上。分析过程实际假定,有可能把一个现象分成几部分而不改变它。量子理论认为,我们一定不能把一个微观体系看成是由可以分开的部分构成的。量子纠缠就是最显著的例子。两个纠缠的粒子连结的如此紧密,甚至想象它们为独立的粒子也不允许。有一种微观的整体性,它是我们的宏观眼睛看不清的。,85,什么时候用量子力学？1能量尺度很小的時候：决定能量不连续性的常数h非常小，所以当讨论的能量很高時，这么小的不连续性大部分都可以忽略（黑体輻射问题是一个例外）2空间尺度很小的時候：不确定原理、物质波的特性，只在物体很小的時候才显得重要3通常在研究原子、分子，或是更小的尺度时，必須使用量子力学,