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opt-comm木蟲 (正式寫手)
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【交流】[轉(zhuǎn)帖]量子物理史話（序）,（1）,（2）,（3）,（4）,（5） 已有5人參與
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量子那些事兒（序） 量子理論是關(guān)于自然界的最基本的科學(xué)理論，它被認(rèn)為是人類所創(chuàng)造的最完美、最成功的科學(xué)藝術(shù)品。它優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式令人贊嘆，它精確的預(yù)言與實(shí)驗(yàn)驚人地符合，而它的成功應(yīng)用更是遍及了世界的每個(gè)角落。從激光、核能到計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)，以至最新的量子計(jì)算機(jī)，無不留下量子的足跡。可以說，是量子引領(lǐng)人們邁入了現(xiàn)代社會(huì)，讓人們享受到豐富多彩的現(xiàn)代生活。 然而，令人不可思議的是，人們至今仍未能理解量子理論的含義，并一直為此爭論不休，一些科學(xué)家甚至認(rèn)為這個(gè)理論根本沒有意義。它的神秘更增添了它的美麗。愛因斯坦無疑是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家，但是，盡管他對量子理論的思索比相對論多一百倍，晚年仍坦然承認(rèn)，“整整50年有意識(shí)的思考仍沒有使我更接近‘光量子是什么’這個(gè)問題的答案”。愛開玩笑的物理學(xué)家費(fèi)曼同樣對此困惑不已，并斷言“沒有人理解量子理論”。的確，我們生活在經(jīng)典世界中，我們所看到的都是宏觀物體和它們的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。然而，這一切對于量子世界中的粒子和運(yùn)動(dòng)都不再適用，每個(gè)人都會(huì)有一種腳下的土地突然被抽去的感覺。 那么，量子究竟是什么呢？應(yīng)當(dāng)如何理解量子理論呢？很多人根本沒聽說過量子，而初學(xué)者無不感到困惑不解，更多的實(shí)用科學(xué)家則只管利用它進(jìn)行計(jì)算、獲得結(jié)果。然而，越困難、越具有挑戰(zhàn)性的問題就越讓人類的好奇心無法割舍。人類志在理解自然的本性，并最終理解自己。我們相信，只要保持開放的思維，并樂于去理解，我們就會(huì)逐漸認(rèn)識(shí)這個(gè)陌生但更為真實(shí)的量子世界，并最終窺見它的神秘和美麗。 人們將量子理論的建立稱為人類科學(xué)和思想領(lǐng)域中的一場革命，因?yàn)樗鼤?huì)讓所有第一次試圖接近它的人感到從未有過的心靈震撼。現(xiàn)代人所缺少的正是這種真正的心靈震撼，他們太沉迷于感性的快樂，而忽視了理性的尊嚴(yán)和威力。今天，對于每一個(gè)仍然對自然充滿好奇的人來說，不理解量子，就無法理解身邊的世界，就不能真正成為一個(gè)有理性的、思想健全的人。令人欣喜的是，物理學(xué)家和哲學(xué)家們正在接近量子謎題的最終答案。 在本文后續(xù)的故事中，我將向你講述貫穿整個(gè)20世紀(jì)的驚心動(dòng)魄的量子思想革命，并突出描述人們?yōu)槔斫饬孔铀鞯母鞣N努力，他們的困惑和領(lǐng)悟，他們的痛苦與歡樂。敬請期待！ 轉(zhuǎn)自“高山的博客” http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=348857 [ Last edited by opt-comm on 2010-8-17 at 18:22 ] |
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2樓2010-08-04 14:18:56
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那么，量子究竟是什么呢？ 本文來自: 小木蟲論壇 http://www.gaoyang168.com/bbs/viewthread.php?tid=2268008&fpage=1 |
3樓2010-08-04 14:21:18
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量子物理史話（1）：生于1900
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原名“量子那些事（1）：生于1900” --------------------------------------------------- 1900年對于科學(xué)來說無疑是一個(gè)新的開端。這一年，諾貝爾基金委員會(huì)成立，從此代表科學(xué)界最高榮譽(yù)的諾貝爾獎(jiǎng)開始頒發(fā)；這一年，希爾伯特在國際數(shù)學(xué)家大會(huì)上提出了著名的23個(gè)問題，為新世紀(jì)勾勒了一幅美麗的數(shù)學(xué)畫卷；也正是在這一年，普朗克發(fā)現(xiàn)了量子，人類從此邁入了輝煌的量子時(shí)代。 1900年10月的一個(gè)秋日的午后，在柏林近郊一條幽靜的林間小路上，普朗克和他的兒子正在散步。秋天將整個(gè)柏林染成了夢幻般的金黃色，小路兩邊已積了一層厚厚的落葉。普朗克有些激動(dòng)地說道，“埃爾文，你知道嗎？爸爸可能已經(jīng)做出了可與牛頓力學(xué)相媲美的偉大發(fā)現(xiàn)�！边@正是量子的發(fā)現(xiàn)。 那么量子是什么呢？簡單地說，它就是自然的一種本性---分立性或非連續(xù)性，而量子的歷史就是人們發(fā)現(xiàn)和研究這種非連續(xù)性規(guī)律的探索歷程。日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們，物體的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，物體性質(zhì)的變化也是連續(xù)的。而經(jīng)典理論---牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場理論也正基于這樣的假設(shè)，并且它們的預(yù)測已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。然而，自然并不輕易顯露她的神秘和美麗，盡管她會(huì)在你付出執(zhí)著和熱情之后給你意想不到的驚喜。（待續(xù)） 轉(zhuǎn)自高山的博客 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=349161 |
4樓2010-08-04 20:29:27
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量子物理史話（2）：孤注一擲的行動(dòng)
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經(jīng)過我一生中最緊張的幾個(gè)星期的工作，黑暗中終于露出光亮，一幅未知的遠(yuǎn)景開始朦朧地顯現(xiàn)出來。---普朗克 1900年12月14日，在德國著名的亥姆霍茲研究所里，一年一度的德國物理學(xué)會(huì)年會(huì)正在召開。參加會(huì)議的都是德國各大學(xué)和研究所的物理學(xué)家，來自柏林大學(xué)的普朗克教授已經(jīng)到了不惑之年，但仍然工作在物理學(xué)的前沿領(lǐng)域。 普朗克演講的內(nèi)容是關(guān)于物體熱輻射的規(guī)律，即關(guān)于一定溫度的物體發(fā)出的熱輻射在不同頻率上的能量分布規(guī)律。普朗克對這一問題的研究已有6個(gè)年頭了，今天他將公布自己關(guān)于熱輻射規(guī)律的最新研究結(jié)果。普朗克首先報(bào)告了他在兩個(gè)月前發(fā)現(xiàn)的輻射定律，這一定律與最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確符合（后來人們稱此定律為普朗克定律）。然后，普朗克指出，為了推導(dǎo)出這一定律，必須假設(shè)在光波的發(fā)射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續(xù)的，或者說，物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，能量變化只能取某個(gè)最小能量元的整數(shù)倍。為此，普朗克還引入了一個(gè)新的自然常數(shù)h = 6.55 x 10^-27 erg·s。這一假設(shè)后來被稱為能量量子化假設(shè)，其中最小能量元被稱為能量量子，而常數(shù)h被稱為普朗克常數(shù)。 于是，在一次普通的物理學(xué)會(huì)議上，在與會(huì)者們的不經(jīng)意間，普朗克首次指出了熱輻射過程中能量變化的非連續(xù)性。今天我們知道，普朗克所提出的能量量子化假設(shè)是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，能量子的存在打破了一切自然過程都是連續(xù)的經(jīng)典定論，第一次向人們顯示了自然的非連續(xù)本性。普朗克的發(fā)現(xiàn)使神秘的量子從此出現(xiàn)在人們的面前，它讓物理學(xué)家們即興奮，又煩惱，直到今天。 物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，但是，怎么會(huì)這樣呢？物體能量的變化怎么會(huì)是非連續(xù)的呢？根據(jù)我們熟悉的經(jīng)典理論，任何過程的能量變化都是連續(xù)的，而且光從光源中也是連續(xù)地、不間斷地發(fā)射出來的。 沒有人愿意接受一個(gè)解釋不通的假設(shè)，尤其是嚴(yán)肅的科學(xué)家。因此，即使普朗克為了說明物體熱輻射的規(guī)律被迫假設(shè)能量量子的存在，但他內(nèi)心卻無法容忍這樣一個(gè)近乎荒謬的假設(shè)。他需要理解它！就象人們理解牛頓力學(xué)那樣。于是，在能量量子化假設(shè)提出之后的十余年里，普朗克本人一直試圖利用經(jīng)典的連續(xù)概念來解釋輻射能量的不連續(xù)性，但最終歸于失敗。 1931年，普朗克在給好友伍德（Willias Wood）的信中真實(shí)地回顧了他發(fā)現(xiàn)量子的不情愿歷程，他寫道，“簡單地說，我可以把這整個(gè)的步驟描述成一種孤注一擲的行動(dòng)，因?yàn)槲以谔煨陨鲜瞧胶偷�、反對可疑的冒險(xiǎn)的，然而我已經(jīng)和輻射與物質(zhì)之間的平衡問題斗爭了六年（從1894年開始）而沒有得到任何成功的結(jié)果。我明白，這個(gè)問題在物理學(xué)中是有根本重要性的，而且我也知道了描述正常譜（即黑體輻射譜）中的能量分布的公式，因此就必須不惜任何代價(jià)來找出它的一種理論詮釋，不管那代價(jià)有多高�！保ㄆ绽士酥挛榈拢琹931年10月7日） 1919年，物理學(xué)家索末菲在他的《原子構(gòu)造和光譜線》一書中最早將1900年12月14日稱為“量子理論的誕辰”，后來的科學(xué)史家普遍將這一天定為量子的誕生日。 附：普朗克的兩句名言 永遠(yuǎn)把對絕對的探求看成是一切科學(xué)活動(dòng)的最崇高的目標(biāo)。 一個(gè)新的科學(xué)真理取得勝利并不是通過讓它的反對者們信服并看到真理的光明，而是通過這些反對者們最終死去，熟悉它的新一代成長起來。 ------------------------------------------------------------------------------ 轉(zhuǎn)自高山的博客 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=351121 [ Last edited by opt-comm on 2010-8-11 at 06:37 ] |
6樓2010-08-11 06:35:46
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量子物理史話（3）：我一生中最具革命性的思想
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對于普朗克的能量量子化假設(shè)，好奇的朋友肯定會(huì)追問：為什么在光波的發(fā)射過程中，物體的能量變化是不連續(xù)的，并且能量值只能取某個(gè)最小能量元的整數(shù)倍呢？是的，愛因斯坦也同樣感到困惑，他于1905年給出了一個(gè)試探性的答案：因?yàn)楣獠ū旧砭褪怯梢粋�(gè)個(gè)的能量子組成的。然而，8年后丹麥青年玻爾卻給出了另一個(gè)答案，他認(rèn)為這是由于物體中束縛在原子周圍的電子只能處于分立的能量態(tài)，而當(dāng)電子在這些能量態(tài)之間躍遷時(shí)，它所發(fā)射的光也就自然地具有分立的能量。那么究竟誰的答案是對的呢？抑或兩者都有道理，讓我們繼續(xù)往下看。 瑞士的首都伯爾尼是一個(gè)美麗的小城，這里歷史悠久的噴泉聞名于整個(gè)歐洲。1902年，愛因斯坦終于在朋友的幫助下在這里找到了一份工作---瑞士專利局的三級專利員。在以后的幾年里，愛因斯坦一直在業(yè)余時(shí)間堅(jiān)持從事熱力學(xué)基礎(chǔ)和分子運(yùn)動(dòng)論的研究。 1905年，愛因斯坦的研究終于有了重要進(jìn)展，他從分子運(yùn)動(dòng)論導(dǎo)出了一條關(guān)于輻射本性的重要推論，他稱之為“試探性的（heuristic）觀點(diǎn)”。當(dāng)時(shí)的情況是，普朗克定律的正確性一次又一次地得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，然而關(guān)于它的真實(shí)含義物理學(xué)家們（包括普朗克本人）的認(rèn)識(shí)卻是模糊的。他們普遍認(rèn)為能量量子化假設(shè)只與物質(zhì)和輻射之間的相互作用有關(guān)，而并不影響自由的光輻射。這時(shí)，是年輕的愛因斯坦第一個(gè)意識(shí)到普朗克量子假設(shè)的革命性意義，即能量量子化與牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場理論是不相容的。同時(shí)，愛因斯坦還進(jìn)一步發(fā)展了普朗克的能量子概念，并大膽地提出了光量子假設(shè)。 愛因斯坦認(rèn)為，能量子概念不只是在光波的發(fā)射和吸收時(shí)才有意義，光波本身就是由一個(gè)個(gè)不連續(xù)的、不可分割的能量量子所組成。例如，當(dāng)光波從一個(gè)點(diǎn)向外擴(kuò)散時(shí)，它的能量并不是如經(jīng)典理論所認(rèn)為的那樣連續(xù)地分布在一個(gè)越來越大的體積中，而是由定域在空間中的有限數(shù)目的能量子組成的。這些能量子在運(yùn)動(dòng)中并不分裂，而且只能作為整體被吸收或發(fā)射，愛因斯坦稱之為光量子。進(jìn)一步地，利用普朗克的能量量子化公式，愛因斯坦還給出了光量子的能量和動(dòng)量表達(dá)式，即E = hv及P = h/λ，式中h是普朗克常數(shù)，v和λ是光波的頻率和波長。利用這一光量子假設(shè)，愛因斯坦成功地解釋了麥克斯韋電磁場理論所無法解釋的光電效應(yīng)等現(xiàn)象，并提出了光電效應(yīng)定律。 然而，麥克斯韋電磁場理論已經(jīng)取得了巨大的成功。根據(jù)這一理論，光是一種電磁波，而不是粒子。因此，光量子假設(shè)在提出之后幾乎沒有人相信它，并被認(rèn)為是愛因斯坦的一次“迷失方向”。的確，人們當(dāng)時(shí)并未充分意識(shí)到能量量子化假設(shè)與麥克斯韋電磁場理論，進(jìn)而與經(jīng)典理論是不相容的，而光量子假設(shè)卻將這種不相容性表現(xiàn)得更為明顯，因此，即使是量子的發(fā)現(xiàn)者普朗克都拒絕接受光量子概念。 1915年，美國物理學(xué)家密立根在實(shí)驗(yàn)上精確證實(shí)了愛因斯坦給出的光電效應(yīng)定律，但他本人并不相信光量子的存在。直到1922年，康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)才最終令人信服地證實(shí)了光量子的真實(shí)存在，并使光量子概念開始為人們所接受。1926年，美國化學(xué)家劉易斯將光量子正式命名為光子（photon）。 愛因斯坦由于對光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)而獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他晚年認(rèn)為光量子概念是他一生中所提出的最具革命性的思想。 --------------------------------------------------------------------------------- 轉(zhuǎn)自高山的博客 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=352379 [ Last edited by opt-comm on 2010-8-16 at 15:36 ] |
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量子物理史話（4）：薩爾斯堡演講
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眾所周知，楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)早在1801年就已經(jīng)令人信服地證明了光可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從而是一種波。然而，愛因斯坦卻發(fā)現(xiàn)，光波理論無法解釋光電效應(yīng)等新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為此又必須利用光量子假設(shè)。但是，如果光是由粒子組成的，它又怎么能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象呢？這絕對是一個(gè)兩難的局面！幾年后，愛因斯坦不得不承認(rèn)：光似波，也似粒子。于是問題變得更加嚴(yán)重了，波和粒子是兩種相互矛盾的圖像，它們怎么可能在單一的光輻射中和平共處呢？人們又該相信哪個(gè)理論呢？ 1909年9月21日，愛因斯坦應(yīng)邀參加了在薩爾斯堡（Salzburg）舉行的德國自然科學(xué)家協(xié)會(huì)第8l次大會(huì)。這是愛因斯坦第一次正式參加學(xué)術(shù)界的活動(dòng)，也是他第一次會(huì)見普朗克等著名物理學(xué)家。愛因斯坦在這次大會(huì)上作了題為“論我們關(guān)于輻射的本質(zhì)和組成的觀點(diǎn)的發(fā)展”的報(bào)告，首次提出光具有波粒二象性。愛因斯坦通過對光輻射的統(tǒng)計(jì)特性的精辟分析得出結(jié)論：對于統(tǒng)計(jì)平均現(xiàn)象光表現(xiàn)為波動(dòng)，而對于能量漲落現(xiàn)象光卻表現(xiàn)為粒子，從而光同時(shí)具有波動(dòng)結(jié)構(gòu)和粒子結(jié)構(gòu)。愛因斯坦進(jìn)一步指出，這兩種特性結(jié)構(gòu)并不是彼此不相容的。 這樣，愛因斯坦在更深的層次上揭示出了光的神秘本性---波粒二象性，從而也將他最尊敬的兩位前輩---牛頓和麥克斯韋關(guān)于光的理論有機(jī)地綜合在一起。 盡管參加會(huì)議的多數(shù)物理學(xué)家（包括普朗克）并不同意愛因斯坦的觀點(diǎn)，但是14年后，光的這種奇妙性質(zhì)卻觸發(fā)了一位年輕的法國貴族子弟---德布羅意的思想靈感，并最終導(dǎo)致了量子力學(xué)的波動(dòng)形式---薛定諤方程的發(fā)現(xiàn)。 光似波，也似粒子，那么光到底是什么呢？愛因斯坦同樣感到深深的困惑。以理解上帝的精神為己任的他從此又開始了漫長的探索旅程。然而，上帝雖不懷惡意，但卻是如此的狡黠，他終究沒有成功。愛因斯坦晚年承認(rèn)，“整整50年有意識(shí)的思考仍沒有使我更接近‘光量子是什么’這個(gè)問題的答案�！� ------------------------------------------------------------------------------------------- 轉(zhuǎn)自高山的博客 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=353021 |
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- 專業(yè): 傳輸與交換光子學(xué)
量子物理史話（5）：布魯塞爾的女巫盛宴
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量子問題的重要性使一些物理學(xué)家意識(shí)到有必要開一次國際會(huì)議，專門討論與量子有關(guān)的問題。1911年10月29日，在物理化學(xué)家能斯特的組織下，主題為“輻射理論與量子”的第一屆索爾維會(huì)議終于在布魯塞爾成功召開了。來自各個(gè)國家的物理學(xué)家們聚在一起，共同討論惱人的量子問題。他們都有一種共同的感受，即經(jīng)典物理學(xué)的某些基本原理處境不妙了。第一屆索爾維會(huì)議使量子思想聲名遠(yuǎn)播，并使更多的人投入到對量子問題的研究中。愛因斯坦的好友貝索風(fēng)趣地將這次會(huì)議稱為“布魯塞爾的女巫盛宴”。 索爾維會(huì)議激發(fā)了年邁的彭加勒對量子問題的研究興趣，他于1912年獲得了一個(gè)新的結(jié)果，即任何可以推出普朗克定律的理論，都必然包含一種本質(zhì)上的非連續(xù)性。這一結(jié)果更加清晰地顯示了量子假設(shè)與以連續(xù)性為基礎(chǔ)的經(jīng)典理論的不相容性。此外，彭加勒還富有預(yù)見性地討論了如何表述包含非連續(xù)性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的問題。然而，由于他不久之后的去世，這些關(guān)于非連續(xù)性的深入研究也就此終止。 索爾維會(huì)議也引起了另一位丹麥青年玻爾對量子的興趣，當(dāng)時(shí)他剛剛從哥本哈根大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。然而，兩年之后，玻爾就將量子假設(shè)成功地應(yīng)用于原子系統(tǒng)，并給出了普朗克能量量子化假設(shè)的另一種“異想天開”的解釋。  --------------------------------------------------------------------------- 轉(zhuǎn)自高山的博客 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=353026 |
9樓2010-08-17 18:26:11
10樓2010-08-20 14:31:44
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