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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(wú)不留下量子的足跡�？梢哉f(shuō)，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(zhēng)論不休，一些科學(xué)家甚至認(rèn)為這個(gè)理論根本沒(méi)有意義。它的神秘更增添了它的美麗。愛(ài)因斯坦無(wú)疑是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家，但是，盡管他對(duì)量子理論的思索比相對(duì)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(méi)有使我更接近‘光量子是什么’這個(gè)問(wèn)題的答案”。愛(ài)開(kāi)玩笑的物理學(xué)家費(fèi)曼同樣對(duì)此困惑不已，并斷言“沒(méi)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(duì)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(jué)。 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(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)量子，而初學(xué)者無(wú)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(wèn)題就越讓人類的好奇心無(wú)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(kāi)放的思維，并樂(lè)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(jiàn)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(chǎng)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(guò)的心靈震撼�，F(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(lè)，而忽視了理性的尊嚴(yán)和威力。今天，對(duì)于每一個(gè)仍然對(duì)自然充滿好奇的人來(lái)說(shuō)，不理解量子，就無(wú)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(lè)。敬請(qǐng)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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量子物理史話（3）：我一生中最具革命性的思想
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對(duì)于普朗克的能量量子化假設(shè)，好奇的朋友肯定會(huì)追問(wèn)：為什么在光波的發(fā)射過(guò)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(ài)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?chē)碾娮又荒芴幱诜至⒌哪芰繎B(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(shuí)的答案是對(duì)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(ài)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(jí)專利員。在以后的幾年里，愛(ài)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(ài)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(ài)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(chǎng)理論是不相容的。同時(shí)，愛(ài)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(ài)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(lái)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(ài)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(ài)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(zhǎng)。利用這一光量子假設(shè)，愛(ài)因斯坦成功地解釋了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論所無(wú)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(chǎng)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(méi)有人相信它，并被認(rèn)為是愛(ài)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(chǎng)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(guó)物理學(xué)家密立根在實(shí)驗(yàn)上精確證實(shí)了愛(ài)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(kāi)始為人們所接受。1926年，美國(guó)化學(xué)家劉易斯將光量子正式命名為光子（photon）。 愛(ài)因斯坦由于對(duì)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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那么，量子究竟是什么呢？ 本文來(lái)自: 小木蟲(chóng)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(duì)于科學(xué)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)新的開(kāi)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(kāi)始頒發(fā)；這一年，希爾伯特在國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上提出了著名的23個(gè)問(wèn)題，為新世紀(jì)勾勒了一幅美麗的數(shù)學(xué)畫(huà)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(mèng)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(shuō)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(jiǎn)單地說(shuō)，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(chǎng)理論也正基于這樣的假設(shè)，并且它們的預(yù)測(cè)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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