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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 物理学史&新闻 » 【交流】[转帖]量子物理史话（序）,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）
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木虫 (正式写手)

[交流] 【交流】[转帖]量子物理史话（序）,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）已有5人参与

量子那些事儿（序）  
量子理论是关于自然界的最基本的科学理论，它被认为是人类所创造的最完美、最成功的科学艺术品。它优美的数学形式令人赞叹，它精确的预言与实验惊人地符合，而它的成功应用更是遍及了世界的每个角落。从激光、核能到计算机、互联网，以至最新的量子计算机，无不留下量子的足迹。可以说，是量子引领人们迈入了现代社会，让人们享受到丰富多彩的现代生活。

然而，令人不可思议的是，人们至今仍未能理解量子理论的含义，并一直为此争论不休，一些科学家甚至认为这个理论根本没有意义。它的神秘更增添了它的美丽。爱因斯坦无疑是20世纪最伟大的科学家，但是，尽管他对量子理论的思索比相对论多一百倍，晚年仍坦然承认，“整整50年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案”。爱开玩笑的物理学家费曼同样对此困惑不已，并断言“没有人理解量子理论”。的确，我们生活在经典世界中，我们所看到的都是宏观物体和它们的连续运动。然而，这一切对于量子世界中的粒子和运动都不再适用，每个人都会有一种脚下的土地突然被抽去的感觉。

那么，量子究竟是什么呢？应当如何理解量子理论呢？很多人根本没听说过量子，而初学者无不感到困惑不解，更多的实用科学家则只管利用它进行计算、获得结果。然而，越困难、越具有挑战性的问题就越让人类的好奇心无法割舍。人类志在理解自然的本性，并最终理解自己。我们相信，只要保持开放的思维，并乐于去理解，我们就会逐渐认识这个陌生但更为真实的量子世界，并最终窥见它的神秘和美丽。

人们将量子理论的建立称为人类科学和思想领域中的一场革命，因为它会让所有第一次试图接近它的人感到从未有过的心灵震撼。现代人所缺少的正是这种真正的心灵震撼，他们太沉迷于感性的快乐，而忽视了理性的尊严和威力。今天，对于每一个仍然对自然充满好奇的人来说，不理解量子，就无法理解身边的世界，就不能真正成为一个有理性的、思想健全的人。令人欣喜的是，物理学家和哲学家们正在接近量子谜题的最终答案。

在本文后续的故事中，我将向你讲述贯穿整个20世纪的惊心动魄的量子思想革命，并突出描述人们为理解量子所作的各种努力，他们的困惑和领悟，他们的痛苦与欢乐。敬请期待！

转自“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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1楼2010-08-01 19:55:50
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muchong20108761

★
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只有序，没有正文吗？
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2楼2010-08-04 14:18:56
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鼻_涕_虫

金虫 (小有名气)
★
小木虫(金币+0.5):给个红包，谢谢回帖交流
那么，量子究竟是什么呢？
本文来自: 小木虫论坛 http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=2268008&fpage=1
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3楼2010-08-04 14:21:18
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opt-comm

木虫 (正式写手)

量子物理史话（1）：生于1900

原名“量子那些事（1）：生于1900”
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1900年对于科学来说无疑是一个新的开端。这一年，诺贝尔基金委员会成立，从此代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖开始颁发；这一年，希尔伯特在国际数学家大会上提出了著名的23个问题，为新世纪勾勒了一幅美丽的数学画卷；也正是在这一年，普朗克发现了量子，人类从此迈入了辉煌的量子时代。

1900年10月的一个秋日的午后，在柏林近郊一条幽静的林间小路上，普朗克和他的儿子正在散步。秋天将整个柏林染成了梦幻般的金黄色，小路两边已积了一层厚厚的落叶。普朗克有些激动地说道，“埃尔文，你知道吗？爸爸可能已经做出了可与牛顿力学相媲美的伟大发现。”这正是量子的发现。

那么量子是什么呢？简单地说，它就是自然的一种本性---分立性或非连续性，而量子的历史就是人们发现和研究这种非连续性规律的探索历程。日常经验告诉我们，物体的运动是连续的，物体性质的变化也是连续的。而经典理论---牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论也正基于这样的假设，并且它们的预测已经被大量的实验所证实。然而，自然并不轻易显露她的神秘和美丽，尽管她会在你付出执著和热情之后给你意想不到的惊喜。（待续）

转自高山的博客
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=349161
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4楼2010-08-04 20:29:27
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quantumpyh

铜虫 (正式写手)
量子信息是科学前沿啊
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5楼2010-08-04 22:48:33
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木虫 (正式写手)

量子物理史话（2）：孤注一掷的行动

经过我一生中最紧张的几个星期的工作，黑暗中终于露出光亮，一幅未知的远景开始朦胧地显现出来。---普朗克

1900年12月14日，在德国著名的亥姆霍兹研究所里，一年一度的德国物理学会年会正在召开。参加会议的都是德国各大学和研究所的物理学家，来自柏林大学的普朗克教授已经到了不惑之年，但仍然工作在物理学的前沿领域。

普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律，即关于一定温度的物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布规律。普朗克对这一问题的研究已有6个年头了，今天他将公布自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月前发现的辐射定律，这一定律与最新的实验结果精确符合（后来人们称此定律为普朗克定律）。然后，普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量变化只能取某个最小能量元的整数倍。为此，普朗克还引入了一个新的自然常数h = 6.55 x 10^-27 erg·s。这一假设后来被称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数h被称为普朗克常数。

于是，在一次普通的物理学会议上，在与会者们的不经意间，普朗克首次指出了热辐射过程中能量变化的非连续性。今天我们知道，普朗克所提出的能量量子化假设是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们显示了自然的非连续本性。普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们的面前，它让物理学家们即兴奋，又烦恼，直到今天。

物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，但是，怎么会这样呢？物体能量的变化怎么会是非连续的呢？根据我们熟悉的经典理论，任何过程的能量变化都是连续的，而且光从光源中也是连续地、不间断地发射出来的。

没有人愿意接受一个解释不通的假设，尤其是严肃的科学家。因此，即使普朗克为了说明物体热辐射的规律被迫假设能量量子的存在，但他内心却无法容忍这样一个近乎荒谬的假设。他需要理解它！就象人们理解牛顿力学那样。于是，在能量量子化假设提出之后的十余年里，普朗克本人一直试图利用经典的连续概念来解释辐射能量的不连续性，但最终归于失败。

1931年，普朗克在给好友伍德（Willias Wood）的信中真实地回顾了他发现量子的不情愿历程，他写道，“简单地说，我可以把这整个的步骤描述成一种孤注一掷的行动，因为我在天性上是平和的、反对可疑的冒险的，然而我已经和辐射与物质之间的平衡问题斗争了六年（从1894年开始）而没有得到任何成功的结果。我明白，这个问题在物理学中是有根本重要性的，而且我也知道了描述正常谱（即黑体辐射谱）中的能量分布的公式，因此就必须不惜任何代价来找出它的一种理论诠释，不管那代价有多高。”（普朗克致伍德，l931年10月7日）

1919年，物理学家索末菲在他的《原子构造和光谱线》一书中最早将1900年12月14日称为“量子理论的诞辰”，后来的科学史家普遍将这一天定为量子的诞生日。

附：普朗克的两句名言

永远把对绝对的探求看成是一切科学活动的最崇高的目标。

一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明，而是通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一代成长起来。
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转自高山的博客
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=351121

[ Last edited by opt-comm on 2010-8-11 at 06:37 ]
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6楼2010-08-11 06:35:46
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木虫 (正式写手)

量子物理史话（3）：我一生中最具革命性的思想

对于普朗克的能量量子化假设，好奇的朋友肯定会追问：为什么在光波的发射过程中，物体的能量变化是不连续的，并且能量值只能取某个最小能量元的整数倍呢？是的，爱因斯坦也同样感到困惑，他于1905年给出了一个试探性的答案：因为光波本身就是由一个个的能量子组成的。然而，8年后丹麦青年玻尔却给出了另一个答案，他认为这是由于物体中束缚在原子周围的电子只能处于分立的能量态，而当电子在这些能量态之间跃迁时，它所发射的光也就自然地具有分立的能量。那么究竟谁的答案是对的呢？抑或两者都有道理，让我们继续往下看。

瑞士的首都伯尔尼是一个美丽的小城，这里历史悠久的喷泉闻名于整个欧洲。1902年，爱因斯坦终于在朋友的帮助下在这里找到了一份工作---瑞士专利局的三级专利员。在以后的几年里，爱因斯坦一直在业余时间坚持从事热力学基础和分子运动论的研究。

1905年，爱因斯坦的研究终于有了重要进展，他从分子运动论导出了一条关于辐射本性的重要推论，他称之为“试探性的（heuristic）观点”。当时的情况是，普朗克定律的正确性一次又一次地得到实验证实，然而关于它的真实含义物理学家们（包括普朗克本人）的认识却是模糊的。他们普遍认为能量量子化假设只与物质和辐射之间的相互作用有关，而并不影响自由的光辐射。这时，是年轻的爱因斯坦第一个意识到普朗克量子假设的革命性意义，即能量量子化与牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论是不相容的。同时，爱因斯坦还进一步发展了普朗克的能量子概念，并大胆地提出了光量子假设。

爱因斯坦认为，能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成。例如，当光波从一个点向外扩散时，它的能量并不是如经典理论所认为的那样连续地分布在一个越来越大的体积中，而是由定域在空间中的有限数目的能量子组成的。这些能量子在运动中并不分裂，而且只能作为整体被吸收或发射，爱因斯坦称之为光量子。进一步地，利用普朗克的能量量子化公式，爱因斯坦还给出了光量子的能量和动量表达式，即E = hv及P = h/λ，式中h是普朗克常数，v和λ是光波的频率和波长。利用这一光量子假设，爱因斯坦成功地解释了麦克斯韦电磁场理论所无法解释的光电效应等现象，并提出了光电效应定律。

然而，麦克斯韦电磁场理论已经取得了巨大的成功。根据这一理论，光是一种电磁波，而不是粒子。因此，光量子假设在提出之后几乎没有人相信它，并被认为是爱因斯坦的一次“迷失方向”。的确，人们当时并未充分意识到能量量子化假设与麦克斯韦电磁场理论，进而与经典理论是不相容的，而光量子假设却将这种不相容性表现得更为明显，因此，即使是量子的发现者普朗克都拒绝接受光量子概念。

1915年，美国物理学家密立根在实验上精确证实了爱因斯坦给出的光电效应定律，但他本人并不相信光量子的存在。直到1922年，康普顿效应的发现才最终令人信服地证实了光量子的真实存在，并使光量子概念开始为人们所接受。1926年，美国化学家刘易斯将光量子正式命名为光子（photon）。

爱因斯坦由于对光电效应定律的发现而获得了1921年的诺贝尔物理学奖，他晚年认为光量子概念是他一生中所提出的最具革命性的思想。
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转自高山的博客
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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7楼2010-08-16 15:33:47
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木虫 (正式写手)

量子物理史话（4）：萨尔斯堡演讲

众所周知，杨氏双缝实验早在1801年就已经令人信服地证明了光可以产生干涉现象，从而是一种波。然而，爱因斯坦却发现，光波理论无法解释光电效应等新的实验现象，为此又必须利用光量子假设。但是，如果光是由粒子组成的，它又怎么能产生干涉现象呢？这绝对是一个两难的局面！几年后，爱因斯坦不得不承认：光似波，也似粒子。于是问题变得更加严重了，波和粒子是两种相互矛盾的图像，它们怎么可能在单一的光辐射中和平共处呢？人们又该相信哪个理论呢？

1909年9月21日，爱因斯坦应邀参加了在萨尔斯堡（Salzburg）举行的德国自然科学家协会第8l次大会。这是爱因斯坦第一次正式参加学术界的活动，也是他第一次会见普朗克等著名物理学家。爱因斯坦在这次大会上作了题为“论我们关于辐射的本质和组成的观点的发展”的报告，首次提出光具有波粒二象性。爱因斯坦通过对光辐射的统计特性的精辟分析得出结论：对于统计平均现象光表现为波动，而对于能量涨落现象光却表现为粒子，从而光同时具有波动结构和粒子结构。爱因斯坦进一步指出，这两种特性结构并不是彼此不相容的。

这样，爱因斯坦在更深的层次上揭示出了光的神秘本性---波粒二象性，从而也将他最尊敬的两位前辈---牛顿和麦克斯韦关于光的理论有机地综合在一起。

尽管参加会议的多数物理学家（包括普朗克）并不同意爱因斯坦的观点，但是14年后，光的这种奇妙性质却触发了一位年轻的法国贵族子弟---德布罗意的思想灵感，并最终导致了量子力学的波动形式---薛定谔方程的发现。

光似波，也似粒子，那么光到底是什么呢？爱因斯坦同样感到深深的困惑。以理解上帝的精神为己任的他从此又开始了漫长的探索旅程。然而，上帝虽不怀恶意，但却是如此的狡黠，他终究没有成功。爱因斯坦晚年承认，“整整50年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案。”
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转自高山的博客
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=353021
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8楼2010-08-16 15:37:25
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木虫 (正式写手)

量子物理史话（5）：布鲁塞尔的女巫盛宴

量子问题的重要性使一些物理学家意识到有必要开一次国际会议，专门讨论与量子有关的问题。1911年10月29日，在物理化学家能斯特的组织下，主题为“辐射理论与量子”的第一届索尔维会议终于在布鲁塞尔成功召开了。来自各个国家的物理学家们聚在一起，共同讨论恼人的量子问题。他们都有一种共同的感受，即经典物理学的某些基本原理处境不妙了。第一届索尔维会议使量子思想声名远播，并使更多的人投入到对量子问题的研究中。爱因斯坦的好友贝索风趣地将这次会议称为“布鲁塞尔的女巫盛宴”。

索尔维会议激发了年迈的彭加勒对量子问题的研究兴趣，他于1912年获得了一个新的结果，即任何可以推出普朗克定律的理论，都必然包含一种本质上的非连续性。这一结果更加清晰地显示了量子假设与以连续性为基础的经典理论的不相容性。此外，彭加勒还富有预见性地讨论了如何表述包含非连续性的运动规律的问题。然而，由于他不久之后的去世，这些关于非连续性的深入研究也就此终止。

索尔维会议也引起了另一位丹麦青年玻尔对量子的兴趣，当时他刚刚从哥本哈根大学获得物理学博士学位。然而，两年之后，玻尔就将量子假设成功地应用于原子系统，并给出了普朗克能量量子化假设的另一种“异想天开”的解释。



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转自高山的博客
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=353026
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9楼2010-08-17 18:26:11
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息汐

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这本书确实不错
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10楼2010-08-20 14:31:44
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