物理學(xué)史論文

1、學(xué)號理學(xué)史論文題 目：量子物理百年作 者李楊年 級2008學(xué) 院物理與電子學(xué)院專 業(yè)物理學(xué)指導(dǎo)老師劉喜斌職 稱副教授完成時(shí)間2011年6月物理學(xué)史論文 摘 要全面列舉一下20世紀(jì)最有影響的科學(xué)進(jìn)展應(yīng)當(dāng)包含廣義相對論、量子力學(xué)、宇宙大爆炸、遺傳密碼的破譯、生物進(jìn)化理論和其他一些讀者喜歡的課題。在這些進(jìn)展當(dāng)中，量子力學(xué)深層次的根本屬性使得它處在一個(gè)最為獨(dú)特的位置。它迫使物理學(xué)家們改造他們關(guān)于實(shí)在的觀念；迫使他們重新審視事物最深層次的本性；迫使他們修正位置和速度的概念以及原因和結(jié)果的定義。關(guān)鍵詞：量子物理；舊量子論；歷史abstractcomprehensive list

2、of what the 20th centurys most influential scientific progress should include general relativity, quantum mechanics, big bang, cracked the genetic code, biological evolutionary theory, and other readers like the subject. among these advances, the fundamental quantum mechanical properties of deep-lev

3、el makes it in a most unique position. it forced the physicists to transform their ideas about it; forced them to re-examine the deepest nature of things; force them to correct position and velocity of the concept and definition of cause and effect. keyword: quantum physics；the old quantum theory；hi

4、story目 錄摘 要iabstractii目 錄iii第一章緒 論11.1 引言11.2量子世界1第二章 量子物理學(xué)及其發(fā)展簡史32.1舊量子論32.1.1量子力學(xué)史32.1.2量子力學(xué)要點(diǎn)32.1.3爭議與混亂3參考文獻(xiàn)4ii第一章緒 論1.1 引言量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已經(jīng)一百多年了。期間，經(jīng)過玻爾、德布羅意、玻恩、海森柏、薛定諤、狄拉克、愛因斯坦等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，初步建立了一套完整的量子力學(xué)理論。1.2量子世界我們把科學(xué)家們在研究原子、分子、原子核、基本粒子時(shí)所觀察到的關(guān)于微觀世界的系列特殊的物理現(xiàn)象稱為量子現(xiàn)象量子世界除了其線度極其微

5、小之外（10-1010-15m量級），另一個(gè)主要特征是它們所涉及的許多宏觀世界所對應(yīng)的物理量往往不能取連續(xù)變化的值，（如：坐標(biāo)、動量、能量、角動量、自旋），甚至取值不確定。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，量子世界滿足的物理規(guī)律不再是經(jīng)典的牛頓力學(xué)，而是量子物理學(xué)。量子物理學(xué)是當(dāng)今人們研究微觀世界的理論，也有人稱為研究量子現(xiàn)象的物理學(xué)。由于宏觀物體是由微觀世界建構(gòu)而成的，因此量子物理學(xué)不僅是研究微觀世界結(jié)構(gòu)的工具，而且在深入研究宏觀物體的微結(jié)構(gòu)和特殊的物理性質(zhì)中也發(fā)揮著巨大作用。第二章 量子物理學(xué)及其發(fā)展簡史2.1 舊量子論量子革命的導(dǎo)火線不是對物質(zhì)的研究，而是輻射問題。具體的挑戰(zhàn)是理解黑體（即某種熱的物體）

6、輻射的光譜?？具^火的人都很熟悉這樣一種現(xiàn)象：熱的物體發(fā)光，越熱發(fā)出的光越明亮。光譜的范圍很廣，當(dāng)溫度升高時(shí)，光譜的峰值從紅線向黃線移動，然后又向藍(lán)線移動（這些不是我們能直接看見的）。 結(jié)合熱力學(xué)和電磁學(xué)的概念似乎可以對光譜的形狀作出解釋，不過所有的嘗試均以失敗告終。然而，planck假定振動電子輻射的光的能量是量子化的，從而得到一個(gè)表達(dá)式，與實(shí)驗(yàn)符合得相當(dāng)完美。但是他也充分認(rèn)識到，理論本身是很荒唐的，就像他后來所說的那樣：“量子化只不過是一個(gè)走投無路的做法”。planck將他的量子假設(shè)應(yīng)用到輻射體表面振子的能量上，如果沒有新秀albert einstein，量子物理恐怕要至此結(jié)束。 1905年

7、，他毫不猶豫的斷定：如果振子的能量是量子化的，那么產(chǎn)生光的電磁場的能量也應(yīng)該是量子化的。盡管maxwell理論以及一個(gè)多世紀(jì)的權(quán)威性實(shí)驗(yàn)都表明光具有波動性，einstein的理論還是蘊(yùn)含了光的粒子性行為。隨后十多年的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)顯示僅當(dāng)光的能量到達(dá)一些離散的量值時(shí)才能被吸收，這些能量就像是被一個(gè)個(gè)粒子攜帶著一樣。光的波粒二象性取決于你觀察問題的著眼點(diǎn)，這是始終貫穿于量子物理且令人頭痛的實(shí)例之一，它成為接下來20年中理論上的難題。輻射難題促成了通往量子理論的第一步，物質(zhì)悖論則促成了第二步。眾所周知，原子包含正負(fù)兩種電荷的粒子，異號電荷相互吸引。根據(jù)電磁理論，正負(fù)電荷彼此將螺旋式的靠近，輻射出光譜

8、范圍寬廣的光，直到原子坍塌為止。接著，又是一個(gè)新秀niels bohr邁出了決定性的一步。1913年，bohr提出了一個(gè)激進(jìn)的假設(shè)：原子中的電子只能處于包含基態(tài)在內(nèi)的定態(tài)上，電子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷而改變它的能量，同時(shí)輻射出一定波長的光，光的波長取決于定態(tài)之間的能量差。結(jié)合已知的定律和這一離奇的假設(shè)，bohr掃清了原子穩(wěn)定性的問題。bohr的理論充滿了矛盾，但是為氫原子光譜提供了定量的描述。他認(rèn)識到他的模型的成功之處和缺陷。憑借驚人的預(yù)見力，他聚集了一批物理學(xué)家創(chuàng)立了新的物理學(xué)。一代年輕的物理學(xué)家花了12年時(shí)間終于實(shí)現(xiàn)了他的夢想。開始時(shí)，發(fā)展bohr量子論（習(xí)慣上稱為舊量子論）的嘗試遭受了一次又

9、一次的失敗。接著一系列的進(jìn)展完全改變了思想的進(jìn)程。2.1.1 量子力學(xué)史1923年louis de broglie在他的博士論文中提出光的粒子行為與粒子的波動行為應(yīng)該是對應(yīng)存在的。他將粒子的波長和動量聯(lián)系起來：動量越大，波長越短。這是一個(gè)引人入勝的想法，但沒有人知道粒子的波動性意味著什么，也不知道它與原子結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系。然而de broglie的假設(shè)是一個(gè)重要的前湊，很多事情就要發(fā)生了。 1924年夏天，出現(xiàn)了又一個(gè)前湊。satyendra n. bose提出了一種全新的方法來解釋planck輻射定律。他把光看作一種無（靜）質(zhì)量的粒子（現(xiàn)稱為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經(jīng)典的boltzman

10、n統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而遵循一種建立在粒子不可區(qū)分的性質(zhì)（即全同性）上的一種新的統(tǒng)計(jì)理論。einstein立即將bose的推理應(yīng)用于實(shí)際的有質(zhì)量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數(shù)關(guān)于能量的分布規(guī)律，即著名的bose-einstein分布。然而，在通常情況下新老理論將預(yù)測到原子氣體相同的行為。einstein在這方面再無興趣，因此這些結(jié)果也被擱置了10多年。然而，它的關(guān)鍵思想粒子的全同性，是極其重要的。 突然，一系列事件紛至沓來，最后導(dǎo)致一場科學(xué)革命。從1925年元月到1928年元月： wolfgang pauli 提出了不相容原理，為周期表奠定了理論基礎(chǔ)。 werner heisenberg、max b

11、orn 和pascual jordan提出了量子力學(xué)的第一個(gè)版本，矩陣力學(xué)。人們終于放棄了通過系統(tǒng)的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運(yùn)動這一歷史目標(biāo)。 erwin schr?dinger提出了量子力學(xué)的第二種形式，波動力學(xué)。在波動力學(xué)中，體系的狀態(tài)用schr?dinger方程的解-波函數(shù)來描述。矩陣力學(xué)和波動力學(xué)貌似矛盾，實(shí)質(zhì)上是等價(jià)的。 電子被證明遵循一種新的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，fermi-dirac統(tǒng)計(jì)。人們進(jìn)一步認(rèn)識到所有的粒子要么遵循fermi-dirac統(tǒng)計(jì)，要么遵循bose-einstein統(tǒng)計(jì)，這兩類粒子的基本屬性很不相同。 heisenberg闡明測不準(zhǔn)原理。 paul a. m

12、. dirac提出了相對論性的波動方程用來描述電子，解釋了電子的自旋并且預(yù)測了反物質(zhì)。 dirac提出電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎(chǔ)。 bohr提出互補(bǔ)原理（一個(gè)哲學(xué)原理），試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，特別是波粒二象性。 量子理論的主要創(chuàng)立者都是年輕人。1925年，pauli 25歲，heisenberg和enrico fermi 24歲，dirac和jordan 23歲。schr?dinger是一個(gè)大器晚成者，36歲。born和bohr年齡稍大一些，值得一提的是他們的貢獻(xiàn)大多是闡釋性的。einstein的反應(yīng)反襯出量子力學(xué)這一智力成果深刻而激進(jìn)的屬性：他拒絕自己發(fā)明的導(dǎo)致量子理

13、論的許多關(guān)鍵的觀念，他關(guān)于bose-einstein 統(tǒng)計(jì)的論文是他對理論物理的最后一項(xiàng)貢獻(xiàn)，也是對物理學(xué)的最后一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)。 創(chuàng)立量子力學(xué)需要新一代物理學(xué)家并不令人驚訝，lord kelvin在祝賀bohr 1913年關(guān)于氫原子的論文的一封書信中表述了其中的原因。他說，bohr的論文中有很多真理是他所不能理解的。kelvin認(rèn)為基本的新物理學(xué)必將出自無拘無束的頭腦。 1928年，革命結(jié)束，量子力學(xué)的基礎(chǔ)本質(zhì)上已經(jīng)建立好了。后來，abraham pais以軼事的方式記錄了這場以狂熱的節(jié)奏發(fā)生的革命。其中有一段是這樣的，1925年，samuel goudsmit和george uhlenbeck

14、就提出了電子自旋的概念，bohr對此深表懷疑。10月bohr乘火車前往荷蘭的萊頓參加hendrik a. lorentz的50歲生日慶典，pauli在德國的漢堡格碰到bohr并探詢bohr對電子自旋可能性的看法；bohr用他那著名的低調(diào)評價(jià)的語言回答說，自旋這一提議是 “非常，非常有趣的”。后來，einstein和paul ehrenfest在萊頓碰到了bohr并討論了自旋。bohr說明了自己的反對意見，但是einstein展示了自旋的一種方式并使bohr成為自旋的支持者。在bohr的返程中，遇到了更多的討論者。當(dāng)火車經(jīng)過德國的哥挺根時(shí)，heisenberg和jordan接站并詢問他的意見，p

15、auli也特意從漢堡格趕到柏林接站。bohr告訴他們自旋的發(fā)現(xiàn)是一重大進(jìn)步。 量子力學(xué)的創(chuàng)建觸發(fā)了科學(xué)的淘金熱。早期的成果有：1927年heisenberg得到了氦原子schr?dinger方程的近似解，建立了原子結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)；john slater，douglas rayner hartree, 和vladimir fock隨后又提出了原子結(jié)構(gòu)的一般計(jì)算技巧；fritz london和walter heitler解決了氫分子的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，linus pauling建立了理論化學(xué)；arnold sommerfeld和pauli建立了金屬電子理論的基礎(chǔ)，felix bloch創(chuàng)立了能帶結(jié)

16、構(gòu)理論；heisenberg解釋了鐵磁性的起因。1928年george gamow解釋了放射性衰變的隨機(jī)本性之謎，他表明衰變是由量子力學(xué)的隧道效應(yīng)引起的。隨后幾年中，hans bethe建立了核物理的基礎(chǔ)并解釋了恒星的能量來源。隨著這些進(jìn)展，原子物理、分子物理、固體物理和核物理進(jìn)入了現(xiàn)代物理的時(shí)代。2.1.2 量子力學(xué)要點(diǎn) 伴隨著這些進(jìn)展，圍繞量子力學(xué)的闡釋和正確性發(fā)生了許多爭論。bohr和heisenberg是倡導(dǎo)者的重要成員，他們信奉新理論，einstein和schr?dinger則對新理論不滿意。要理解這些混亂的原因，必須掌握量子理論的關(guān)鍵特征，總結(jié)如下。（為了簡明，我們只描述schr?

17、dinger的波動力學(xué)。） 基本描述：波函數(shù)。系統(tǒng)的行為用schr?dinger方程描述，方程的解稱為波函數(shù)。系統(tǒng)的完整信息用它的波函數(shù)表述，通過波函數(shù)可以計(jì)算任意可觀察量的可能值。在空間給定體積內(nèi)找到一個(gè)電子的概率正比于波函數(shù)幅值的平方，因此，粒子的位置分布在波函數(shù)所在的體積內(nèi)。粒子的動量依賴于波函數(shù)的斜率，波函數(shù)越陡，動量越大。斜率是變化的，因此動量也是分布的。這樣，有必要放棄位移和速度能確定到任意精度的經(jīng)典圖象，而采納一種模糊的概率圖象，這也是量子力學(xué)的核心。 對于同樣一些系統(tǒng)進(jìn)行同樣精心的測量不一定產(chǎn)生同一結(jié)果，相反，結(jié)果分散在波函數(shù)描述的范圍內(nèi)，因此，電子特定的位置和動量沒有意義。這

18、可由測不準(zhǔn)原理表述如下：要使粒子位置測得精確，波函數(shù)必須是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此動量就分布在很大的范圍內(nèi)；相反，若動量有很小的分布，波函數(shù)的斜率必很小，因而波函數(shù)分布于大范圍內(nèi)，這樣粒子的位置就更加不確定了。波的干涉。波相加還是相減取決于它們的相位，振幅同相時(shí)相加，反相時(shí)相減。當(dāng)波沿著幾條路徑從波源到達(dá)接收器，比如光的雙縫干涉，一般會產(chǎn)生干涉圖樣。粒子遵循波動方程，必有類似的行為，如電子衍射。至此，類推似乎是合理的，除非要考察波的本性。波通常認(rèn)為是媒質(zhì)中的一種擾動，然而量子力學(xué)中沒有媒質(zhì)，從某中意義上說根本就沒有波，波函數(shù)本質(zhì)上只是我們對系統(tǒng)信息的一種陳述。對稱性和全同性。氦

19、原子由兩個(gè)電子圍繞一個(gè)核運(yùn)動而構(gòu)成。氦原子的波函數(shù)描述了每一個(gè)電子的位置，然而沒有辦法區(qū)分哪個(gè)電子究竟是哪個(gè)電子，因此，電子交換后看不出體系有何變化，也就是說在給定位置找到電子的概率不變。由于概率依賴于波函數(shù)的幅值的平方，因而粒子交換后體系的波函數(shù)與原始波函數(shù)的關(guān)系只可能是下面的一種：要么與原波函數(shù)相同，要么改變符號，即乘以1。到底取誰呢？ 量子力學(xué)令人驚詫的一個(gè)發(fā)現(xiàn)是電子的波函數(shù)對于電子交換變號。其結(jié)果是戲劇性的，兩個(gè)電子處于相同的量子態(tài)，其波函數(shù)相反，因此總波函數(shù)為零，也就是說兩個(gè)電子處于同一狀態(tài)的概率為0，此即pauli不相容原理。所有半整數(shù)自旋的粒子（包括電子）都遵循這一原理，并稱為費(fèi)

20、米子。自旋為整數(shù)的粒子（包括光子）的波函數(shù)對于交換不變號，稱為玻色子。電子是費(fèi)米子，因而在原子中分層排列；光由玻色子組成，所以激光光線呈現(xiàn)超強(qiáng)度的光束（本質(zhì)上是一個(gè)量子態(tài)）。最近，氣體原子被冷卻到量子狀態(tài)而形成bose-einstein凝聚，這時(shí)體系可發(fā)射超強(qiáng)物質(zhì)束，形成原子激光。 這一觀念僅對全同粒子適用，因?yàn)椴煌Ｗ咏粨Q后波函數(shù)顯然不同。因此僅當(dāng)粒子體系是全同粒子時(shí)才顯示出玻色子或費(fèi)米子的行為。同樣的粒子是絕對相同的，這是量子力學(xué)最神秘的側(cè)面之一，量子場論的成就將對此作出解釋。2.1.3 爭議與混亂量子力學(xué)意味著什么？波函數(shù)到底是什么？測量是什么意思？這些問題在早期都激烈爭論過。直到193

21、0年，bohr和他的同事或多或少地提出了量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)闡釋，即哥本哈根闡釋；其關(guān)鍵要點(diǎn)是通過bohr的互補(bǔ)原理對物質(zhì)和事件進(jìn)行概率描述，調(diào)和物質(zhì)波粒二象性的矛盾。einstein不接受量子理論，他一直就量子力學(xué)的基本原理同bohr爭論，直至1955年去世。 關(guān)于量子力學(xué)爭論的焦點(diǎn)是：究竟是波函數(shù)包含了體系的所有信息，還是有隱含的因素（隱變量）決定了特定測量的結(jié)果。60年代中期john s. bell證明，如果存在隱變量，那么實(shí)驗(yàn)觀察到的概率應(yīng)該在一個(gè)特定的界限之下，此即bell不等式。多數(shù)小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與bell不等式相悖，他們的數(shù)據(jù)斷然否定了隱變量存在的可能性。這樣，大多數(shù)科學(xué)家對量子力學(xué)的

22、正確性不再懷疑了。 然而，由于量子理論神奇的魔力，它的本質(zhì)仍然吸引著人們的注意力。量子體系的古怪性質(zhì)起因于所謂的糾纏態(tài)，簡單說來，量子體系（如原子）不僅能處于一系列的定態(tài)，也可以處于它們的疊加態(tài)。測量處于疊加態(tài)原子的某種性質(zhì)（如能量），一般說來，有時(shí)得到這一個(gè)值，有時(shí)得到另一個(gè)值。至此還沒有出現(xiàn)任何古怪。 但是可以構(gòu)造處于糾纏態(tài)的雙原子體系，使得兩個(gè)原子共有相同的性質(zhì)。當(dāng)這兩個(gè)原子分開后，一個(gè)原子的信息被另一個(gè)共享（或者說是糾纏）。這一行為只有量子力學(xué)的語言才能解釋。這個(gè)效應(yīng)太不可思議以至于只有少數(shù)活躍的理論和實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)在集中精力研究它，論題并不限于原理的研究，而是糾纏態(tài)的用途；糾纏態(tài)已經(jīng)應(yīng)用于

23、量子信息系統(tǒng)，也成為量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。 二次革命 在20年代中期創(chuàng)立量子力學(xué)的狂熱年代里，也在進(jìn)行著另一場革命，量子物理的另一個(gè)分支量子場論的基礎(chǔ)正在建立。不像量子力學(xué)的創(chuàng)立那樣如暴風(fēng)疾雨般一揮而就，量子場論的創(chuàng)立經(jīng)歷了一段曲折的歷史，一直延續(xù)到今天。盡管量子場論是困難的，但它的預(yù)測精度是所有物理學(xué)科中最為精確的，同時(shí)，它也為一些重要的理論領(lǐng)域的探索提供了范例。 激發(fā)提出量子場論的問題是電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)原子怎樣輻射光。1916年，einstein研究了這一過程，并稱其為自發(fā)輻射，但他無法計(jì)算自發(fā)輻射系數(shù)。解決這個(gè)問題需要發(fā)展電磁場（即光）的相對論量子理論。量子力學(xué)是解釋物質(zhì)的理論，而量

24、子場論正如其名，是研究場的理論，不僅是電磁場，還有后來發(fā)現(xiàn)的其它場。 1925年，born，heisenberg和jordan發(fā)表了光的量子場論的初步想法，但關(guān)鍵的一步是年輕且本不知名的物理學(xué)家dirac于1926年獨(dú)自提出的場論。dirac的理論有很多缺陷：難以克服的計(jì)算復(fù)雜性，預(yù)測出無限大量，并且顯然和對應(yīng)原理矛盾。 40年代晚期，量子場論出現(xiàn)了新的進(jìn)展，richard feynman，julian schwinger和sin-itiro tomonaga提出了量子電動力學(xué)（縮寫為qed）。他們通過重整化的辦法回避無窮大量，其本質(zhì)是通過減掉一個(gè)無窮大量來得到有限的結(jié)果。由于方程復(fù)雜，無法找

25、到精確解，所以通常用級數(shù)來得到近似解，不過級數(shù)項(xiàng)越來越難算。雖然級數(shù)項(xiàng)依次減小，但是總結(jié)果在某項(xiàng)后開始增大，以至于近似過程失敗。盡管存在這一危險(xiǎn)，qed仍被列入物理學(xué)史上最成功的理論之一，用它預(yù)測電子和磁場的作用強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)可靠值僅差2/1,000,000,000,000。 盡管qed取得了超凡的成功，它仍然充滿謎團(tuán)。對于虛空空間（真空），理論似乎提供了荒謬的看法，它表明真空不空，它到處充斥著小的電磁漲落。這些小的漲落是解釋自發(fā)輻射的關(guān)鍵，并且，它們使原子能量和諸如電子等粒子的性質(zhì)產(chǎn)生可測量的變化。雖然qed是古怪的，但其有效性是為許多已有的最精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的。對于我們周圍的低能世界，量子力學(xué)

26、已足夠精確，但對于高能世界，相對論效應(yīng)作用顯著，需要更全面的處理辦法，量子場論的創(chuàng)立調(diào)和了量子力學(xué)和狹義相對論的矛盾。量子場論的杰出作用體現(xiàn)在它解釋了與物質(zhì)本質(zhì)相關(guān)的一些最深刻的問題。它解釋了為什么存在玻色子和費(fèi)米子這兩類基本粒子，它們的性質(zhì)與內(nèi)稟自旋有何關(guān)系；它能描述粒子（包括光子，電子，正電子即反電子）是怎樣產(chǎn)生和湮滅的；它解釋了量子力學(xué)中神秘的全同性，全同粒子是絕對相同的是因?yàn)樗鼈儊碜杂谙嗤幕緢?；它不僅解釋了電子，還解釋了子，子及其反粒子等輕子。qed是一個(gè)關(guān)于輕子的理論，它不能描述被稱為強(qiáng)子的復(fù)雜粒子，它們包括質(zhì)子、中子和大量的介子。對于強(qiáng)子，提出了一個(gè)比qed更一般的理論，稱為量子色動力學(xué)（qcd）。qed和qcd之間存在很多類似：電子是原子的組成要素，夸克是強(qiáng)子的組成要素；在qed中，光子是傳遞帶電粒子之間作用的媒介，在qcd中，