量子物理历史简要介绍.docx

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=hv1900 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，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 α 粒子轰击金箔，发现小部分 α 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，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” λ=h/mν 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 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 ψ 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 ψ 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 ψ 的分布所展开 （微粒）爱因斯坦给海森堡的启发：海森堡：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）：△p×△q〉h/4π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△E×△t〉h （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？》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，波姆复活了德布罗意的导波，成功创造了一个完整的隐变量体系贝尔不等式（︱Pxz - Pzy︱〈1 +Pxy）：只要安排一个 EPR 式的实验证明无论在任何情况下，贝尔不等式都是成立的，就宣判了量子论的死刑强大的武器，往往是双刃剑1982 年，在法国奥赛光学研究所，相关性检测实验实验结果和量子论的语言完全符合贝尔不等式想要恢复爱因斯坦的光辉，却反过来证明了量子论的不可撼动。