奇妙的量子世界

奇妙的量子世界第一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五Outline什么是量子理論？

量子佯謬-薛定諤的貓、EPR悖論宏觀量子效應(yīng)量子力學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)量子力學(xué)與科幻小說(shuō)第二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、什么是量子理論？“量子”一詞意指“一個(gè)量”或“一個(gè)離散的量”。量子理論又稱(chēng)為量子力學(xué)或量子物理學(xué)，是一組在極小尺度上主要應(yīng)用于原子或更小實(shí)體的物理定律。量子理論的核心是測(cè)不準(zhǔn)原理和波粒二象性概念的結(jié)合。量子物理實(shí)際上包含兩個(gè)方面。一個(gè)是原子層次的物質(zhì)理論：量子力學(xué)；正是它我們才能理解和操縱物質(zhì)世界。另一個(gè)是量子場(chǎng)論，它在科學(xué)中起到一個(gè)完全不同的作用。第三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五量子力學(xué)建立

A舊量子論的形成（沖破經(jīng)典—量子假說(shuō)）1900Planck振子能量量子化1905Einstein電磁輻射能量量子化1913N.Bohr原子能量量子化第四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五B、量子力學(xué)的建立（嶄新概念）

1923deBroglie電子具有波動(dòng)性

1926-27Davisson,G.P.Thomson

電子衍射實(shí)驗(yàn)

1925Heisenberg矩陣力學(xué)

1926Schroedinger波動(dòng)方程

1928Dirac相對(duì)論波動(dòng)方程第五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五量子力學(xué)發(fā)展之路第六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五普朗克量子假說(shuō)（1900年）諧振子的能量只能是第七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五普朗克是《PHYSIK》雜志的主編，他對(duì)愛(ài)因斯坦的工作給予了高度的評(píng)價(jià)。在普朗克獲博士學(xué)位五十周年紀(jì)念會(huì)上普朗克向愛(ài)因斯坦頒發(fā)普朗克獎(jiǎng)?wù)碌诎隧?yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五尼爾斯·玻爾(Bohr,Niels)1885年10月7日生于丹麥?zhǔn)锥几绫竟?922年玻爾獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1920年在玻爾籌劃下創(chuàng)立的哥本哈根大學(xué)理論物理研究所，在創(chuàng)立量子力學(xué)的過(guò)程中，成為世界原子物理研究中心．1962年11月18日，玻爾因心臟病突發(fā)而逝世．第九頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五玻爾正在講課玻爾（左）和海森伯（中）泡利（右）在一起玻爾其人，成績(jī)優(yōu)秀、全面發(fā)展、愛(ài)踢足球；學(xué)術(shù)平等、愛(ài)國(guó)反戰(zhàn)。第十頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五在玻爾研究所里學(xué)術(shù)空氣很濃，玻爾演講后與聽(tīng)眾踴躍討論。哥本哈根學(xué)派“丹麥?zhǔn)俏页錾牡胤?，是我的故鄉(xiāng)，是我心中的世界開(kāi)始的地方?！辈栔?shī)句：第十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五

波爾和他的五個(gè)兒子右2在1975年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)（因?qū)υ雍私Y(jié)構(gòu)的研究）第十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五德布羅意(LouisVictorduedeBroglie,1892-1960)法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。1923年，提出實(shí)物粒子也同樣具有波動(dòng)性。第十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五奧地利物理學(xué)家薛定諤

（Schrodinger1887-1961）1926年提出量子力學(xué)中最基本的薛定諤方程1933年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。第十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五匯聚了物理學(xué)界智慧之腦的“明星照”

1927年第五屆索爾威會(huì)議愛(ài)因斯坦洛侖茲居里夫人普朗克德拜泡利康普頓薛定諤狄拉克埃倫費(fèi)斯特布喇格玻爾海森伯玻恩朗之萬(wàn)德布羅意第十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五具有劃時(shí)代意義的量子論---產(chǎn)生了半導(dǎo)體技術(shù)---改變了人類(lèi)的生活水平---擴(kuò)展了我們這些專(zhuān)業(yè)-----引起了科學(xué)界的一場(chǎng)革命第十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五如果有一天量子力學(xué)突然不起作用了，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？不可想象！自然界的一切物體都將解體為一個(gè)個(gè)原子，而電子說(shuō)不定一齊落在原子核上。當(dāng)然量子力學(xué)是不會(huì)突然不起作用的，它是微觀世界的根本規(guī)律。第十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五盡管量子力學(xué)是為描述遠(yuǎn)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)的抽象原子世界而創(chuàng)立的，但它對(duì)我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憻o(wú)比巨大。沒(méi)有量子力學(xué)作為工具，就不可能有化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)以及其他每一個(gè)關(guān)鍵學(xué)科的引人入勝的進(jìn)展。沒(méi)有量子力學(xué)就沒(méi)有全球經(jīng)濟(jì)可言，因?yàn)樽鳛榱孔恿W(xué)的產(chǎn)物的電子學(xué)革命將我們帶入了計(jì)算機(jī)時(shí)代。同時(shí)，光子學(xué)的革命也將我們帶入信息時(shí)代。量子物理的杰作改變了我們的世界，科學(xué)革命為這個(gè)世界帶來(lái)了的福音，也帶來(lái)了潛在的威脅。第十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五量子論是一個(gè)極為奇妙的理論從物理角度來(lái)說(shuō)，它在科學(xué)家中間引起了最為激烈的爭(zhēng)議和關(guān)注；從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)說(shuō)，它給我們的社會(huì)帶來(lái)了無(wú)與倫比的變化和進(jìn)步；從科學(xué)史角度來(lái)說(shuō)，也幾乎沒(méi)有哪段歷史比量子論的創(chuàng)立得到了更為徹底的研究。然而不可思議的是，它的基本觀點(diǎn)和假說(shuō)至今沒(méi)有滲透到大眾的意識(shí)中去，這無(wú)疑又給它增添了一道神秘的光環(huán)。第十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五波或粒子？

第二十頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五（n=1,2,……）？駐波：r朗之萬(wàn)把德布洛意的文章寄給愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦說(shuō)：“揭開(kāi)了自然界巨大帷幕的一角”“瞧瞧吧，看來(lái)瘋狂，可真是站得住腳呢”第二十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五氫原子波函數(shù)曲線和輪廓圖

第二十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五波動(dòng)性與粒子性的共存，很快就導(dǎo)致了關(guān)于自然界的一些令人吃驚的結(jié)論。

幾乎沒(méi)有什么比著名的托馬斯·楊（TomasYoung）雙縫實(shí)驗(yàn)更能顯示量子的模糊性了第二十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五理查德·費(fèi)恩曼(1918—88)曾經(jīng)說(shuō)：雙孔實(shí)驗(yàn)包藏了量子力學(xué)的‘核心秘密’，無(wú)人懂得其中究竟發(fā)生了什么。它不僅僅表示量子實(shí)體運(yùn)動(dòng)時(shí)像波，到達(dá)和出發(fā)時(shí)像粒子，而且它們似乎還知道過(guò)去和未來(lái)。第二十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、量子佯謬——薛定諤的貓、

EPR悖論第二十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五薛定諤的貓(Schrödinger'scat)是關(guān)于量子理論的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。薛定諤和他的貓（1935年）第二十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五玻爾名言：誰(shuí)要是第一次聽(tīng)到量子理論時(shí)沒(méi)有感到困惑，那他一定沒(méi)聽(tīng)懂這個(gè)貓十分可憐，她被封在一個(gè)密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制，電子開(kāi)關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，雌貓必死無(wú)疑。第二十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五如果我們不揭開(kāi)密室的蓋子，根據(jù)我們?cè)谌粘Ｉ钪械慕?jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)定，雌貓或者死，或者活。這是她的兩種本征態(tài)。但是，如果我們用薛定諤方程來(lái)描述薛定諤貓，則只能說(shuō)，她處于一種活與不活的疊加態(tài)。我們只有在揭開(kāi)蓋子的一瞬間，才能確切地知道雌貓是死是活。此時(shí)，貓的波函數(shù)由疊加態(tài)立即收縮到某一個(gè)本征態(tài)。量子理論認(rèn)為：如果沒(méi)有揭開(kāi)蓋子，進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不知道雌貓是死是活，她將永遠(yuǎn)到處于半死不活的疊加態(tài)。這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重相違，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？

第二十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五薛定諤挖苦說(shuō)：按照量子力學(xué)的解釋?zhuān)渲兄執(zhí)幱凇八溃畀B加態(tài)”——既死了又活著！要等到打開(kāi)箱子看貓一眼才決定其生死。（請(qǐng)注意！不是發(fā)現(xiàn)而是決定，僅僅看一眼就足以致命?。?ài)因斯坦將薛定諤的意見(jiàn)看作是證明“對(duì)世界的波動(dòng)描述是不完備的”的“最佳途徑”。第二十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五哥本哈根的幾率詮釋哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是：只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這與我們觀測(cè)到的結(jié)果相符合。但是有一個(gè)大的問(wèn)題：它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學(xué)中沒(méi)有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮。盡管如此，長(zhǎng)期以來(lái)物理學(xué)家們出于實(shí)用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價(jià)是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。第三十頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五想象一個(gè)基本粒子，例如電子既不在這里又不在那里．而是以一定幾率在空間分布著的．這是可以理解的。然而難以想象的是一個(gè)非常熟悉的事物，像描處于這種形式的假死狀態(tài)。薛定諤構(gòu)想這個(gè)仍于是為了說(shuō)明在嚴(yán)格的哥本哈根解釋中存在著理疵，因?yàn)楹茱@然這只描不可能同時(shí)既是活的，又是死的。但是，這比一個(gè)電子的波粒二象性更明顯。第三十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五薛定諤的貓佯謬的意義常識(shí)已經(jīng)作為量子世界的向?qū)Ы邮芰藱z驗(yàn)，這也是所希望的。對(duì)于量子世界，不要相信我們的常識(shí)，而要相信我們直接看到的或者用實(shí)驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)確檢測(cè)到的，對(duì)于這一點(diǎn)我們是有把握的。如果不進(jìn)行觀察．我們就不知道匣子中發(fā)生了什么。第三十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五哥本哈根詮釋在很長(zhǎng)的一段時(shí)間成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢(mèng)一樣讓物理學(xué)家們不得安寧。佯謬的意義：在不接受“死——活”貓這樣一個(gè)“現(xiàn)實(shí)’’的情況下，是不可能與嚴(yán)格的哥本哈根解釋達(dá)成一致的，因?yàn)樵蚝徒Y(jié)果的無(wú)限復(fù)歸。這個(gè)佯謬曾經(jīng)使維格納和約蹬·惠勒考慮過(guò)這種可能性：高級(jí)生物的觀察導(dǎo)致了整個(gè)宇宙的“真實(shí)’’存在。第三十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五休.埃弗雷特的解釋量子力學(xué)方程告訴我們，在薛定諤的著名思想實(shí)驗(yàn)中，匣子里面有兩種版本的波函數(shù)——“活貓”和“死貓”，兩者是同樣真實(shí)的。傳統(tǒng)的哥本哈根解釋從一個(gè)不同的角度來(lái)看得這些概率。它說(shuō)，從效果上看，這兩個(gè)波函數(shù)都同樣的不真實(shí)。當(dāng)我們往匣子里面觀看時(shí)，它們當(dāng)中只有一個(gè)固化為現(xiàn)實(shí)。第三十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五埃弗雷特的解釋接受了整個(gè)量子方程的表面價(jià)值．并且指出兩只貓都是真實(shí)的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問(wèn)題并不在于匣子中的輻射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。面臨一個(gè)決定，整個(gè)世界——宇宙——分裂成它自己的兩個(gè)版本。第三十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五這兩個(gè)版本在其余各個(gè)方面都是全同的。唯一的區(qū)別在于在其中一個(gè)版本中，原子衰變了，貓死了：而在另外一個(gè)版本中，原子沒(méi)有衰變，貓還活著。這聽(tīng)起來(lái)就像科幻小說(shuō)，然而它比科幻小說(shuō)所探討的要深得多，它是基于無(wú)懈可擊的數(shù)學(xué)方程，基于量子力學(xué)樸實(shí)的、自恰的、符合邏箱的結(jié)果。第三十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五愛(ài)因斯坦—波多爾斯基—羅孫（EPR）實(shí)驗(yàn)這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的目的是為了揭示對(duì)于擴(kuò)展于一個(gè)大的空間域上的物理系統(tǒng)進(jìn)行量子描述所具有的種種深刻的奇異性。此實(shí)驗(yàn)要我們考慮通過(guò)同時(shí)窺視一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，以蒙騙海森伯不確定性原理。采用的計(jì)謀是使用一個(gè)同謀粒子，實(shí)行一次取代所感興趣粒子的測(cè)量。第三十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五EPR悖論

什么是EPR悖論

1935年美國(guó)《物理評(píng)論》的第47、48期上分別發(fā)表了兩篇題目相同的論文：“物理實(shí)在的量子力學(xué)描述能否認(rèn)為是完備的？”在47期上署名的是：愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森，在48期上署名的是玻爾。EPR是前三位物理學(xué)家姓的頭一個(gè)字母。EPR悖論是這三位物理學(xué)家為論證量子力學(xué)的不完備性而提出的一個(gè)悖論，又稱(chēng)EPR論證或EPR佯謬。這個(gè)悖論涉及到如何理解微觀物理實(shí)在的問(wèn)題。

第三十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五愛(ài)因斯坦等認(rèn)為，愛(ài)因斯坦等認(rèn)為，如果一個(gè)物理理論對(duì)物理實(shí)在的描述是完備的，那么物理實(shí)在的每個(gè)要素都必須在其中有它的對(duì)應(yīng)量，即完備性判據(jù)。當(dāng)我們不對(duì)體系進(jìn)行任何干擾，卻能確定地預(yù)言某個(gè)物理量的值時(shí)，必定存在著一個(gè)物理實(shí)在的要素對(duì)應(yīng)于這個(gè)物理量，即實(shí)在性判據(jù)。他們認(rèn)為，量子力學(xué)不滿(mǎn)足于這些判據(jù)，所以是不完備的。愛(ài)因斯坦等人認(rèn)為，量子力學(xué)蘊(yùn)涵著EPR悖論，所以不能認(rèn)為它提供了對(duì)物理實(shí)在的完備描述。

第三十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五玻爾對(duì)EPR實(shí)在性判據(jù)中關(guān)于“不對(duì)體系進(jìn)行任何干擾”的說(shuō)法提出了異議認(rèn)為“測(cè)量程序?qū)τ趩?wèn)題中的物理量賴(lài)以確定的條件有著根本的影響，必須把這些條件看成是可以明確應(yīng)用‘物理實(shí)在’這個(gè)詞的任何現(xiàn)象中的一個(gè)固有要