量子物理 bbin宝盈_bbin网站bbin网站

bbin网站

物理學圖片
量子物理
發佈時間:2018-10-09 瀏覽次數:0
量子物理量子物理是物理學的一個分支,研究物質世界中微觀粒子運動的規律。主要研究原子,分子,凝聚態的基本理論,以及原子核和基本粒子的結構和性質。它由相對論組成。現代物理學的理論基礎。 量子力學不僅是現代物理學的基本理論之一,而且還廣泛應用於化學和許多現代技術。

在20世紀,量子力學爲我們提供了改變我們世界的物質和領域理論。展望21世紀,量子力學將繼續爲所有科學提供基本概念和重要工具。

中文名稱量子物理學外文名稱Quantum Physics目錄

1簡介

▪新量子理論

▪舊量子理論

2量子力學史

量子力學的3個關鍵點

4爭議和混亂

5第二次革命

新量子理論簡介雖然量子力學的創建是爲了描述抽象的原子世界,遠離我們的日常生活經歷,但它對我們日常生活的影響是巨大的。 沒有量子力學作爲工具,化學,生物學,醫學和其他所有關鍵學科都不會有令人着迷的進步。 沒有量子力學,就沒有全球經濟,因爲作爲量子力學產品的電子革命將我們帶入了計算機時代。 與此同時,光子學的革命使我們進入了信息時代。 量子物理學的傑作改變了我們的世界,科學革命給世界帶來了福音,也帶來了潛在的威脅。 量子的概念是如此令人困惑,以至於自引入以來的20年間幾乎沒有取得任何根本性進展,一小部分物理學家花了三年時間創造了量子力學。 這些科學家對他們的所作所爲感到不安,有時甚至對他們的所作所爲感到失望。 也許以下觀察最能描述這一關鍵但難以捉摸的理論的獨特地位:量子理論是科學史上最準確的實驗測試理論,也是科學史上最成功的理論。量子力學一直困擾着它的創始人。然而,直到它基本上被表達爲一種普遍的形式75年之後,科學界的一些精英儘管承認其強大的力量,仍然有其基礎和基礎。解釋不滿意。 1918年,諾貝爾物理學獎獲得者馬克斯普朗克提出普朗克的輻射定律,量子理論誕生了。 在他關於熱輻射的經典論文中,普朗克認爲振動系統的總能量不能連續變化,而是以離散能量子形式的形式從一個值跳到另一個值。 能量孩子的概念太激進了,普朗克後來把它擱置了。 隨後,愛因斯坦認識到1905年光量子化的潛在意義(今年對他來說是不平凡的一年)。 然而,量子的概念太奇怪了,並沒有什麼根本性的進展。 現代量子理論的產生是新一代物理學家花費20多年的結果。 通過量子理論誕生前後的物理學領域的比較,我們可以理解量子物理已經徹底改變了物理學。 1890年至1900年的物理期刊論文基本上是關於原子光譜學和材料的其他基本可測量性質的文章,如粘度,彈性,電導率,熱導率,膨脹係數,折射率和熱彈性係數。 。 由於維多利亞時代的工作機制的刺激和複雜的實驗方法的發展,知識正在以巨大的速度積累。 然而,他同時代人中最引人注目的事情是材料屬性的簡潔描述基本上是經驗性的。 成千上萬頁的光譜數據列出了大量元素波長的精確值,但是沒有人知道會出現什麼光譜線,並且他們不知道它們通過了什麼。 熱導率和電導率的模型解釋僅滿足大約一半的事實。 雖然有無數的經驗法則,但它們都很難滿足。 例如,Dulong-Petit定律建立了熱量和物質原子量之間的簡單關係,但它有時是好的,有時不好。 在大多數情況下,相同體積的氣體的質量比滿足簡單的整數關係。 雖然元素週期表提供了化學繁榮的關鍵組織規則,但它沒有理論依據。在許多偉大的革命性進步中,量子力學提供了一種定量的物質理論。 現在,我們原則上可以理解原子結構的每一個細節;週期表也可以簡單而自然地解釋;巨大的光譜排列也融合了優雅的理論框架。 量子力學有助於定量分析分子,流體和固體,導體和半導體。 它可以解釋諸如超流體和超導體之類的奇怪現象,並且可以解釋奇異形式的物質聚集,例如中子星和玻色 - 愛因斯坦凝聚(其中氣體中的所有原子表現得像單個超大原子)。 量子力學爲所有科學分支和各種高科技提供了關鍵工具。 量子物理實際上包含兩個方面。 一個是原子水平的材料理論:量子力學;我們可以理解和操縱物質世界。 另一個是量子場論,它在科學中起着完全不同的作用,我們稍後會回到它。 舊量子理論量子革命的導火索不是物質研究,而是輻射問題。 具體的挑戰是瞭解黑體(即熱物體)輻射的光譜。 過熱的人熟悉熱物體發光的現象,光線越熱,光線越亮。 光譜範圍很寬,隨着溫度的升高,光譜的峯值從紅線變爲黃線,然後變爲藍線(這些不是我們直接看到的)。 結合熱力學和電磁學的概念似乎可以解釋光譜的形狀,但所有嘗試都以失敗告終。 然而,普朗克假設振動電子輻射的光的能量被量化,導致表達與實驗完全匹配。 但他也充分認識到理論本身是荒謬的,正如他後來所說:“量化只是一種無處可去的方式”。 普朗克將他的量子假設應用於輻射器表面振盪器的能量。如果沒有新秀艾伯特愛因斯坦,量子物理學可能已經結束了。 1905年,他毫不猶豫地得出結論,如果振動器的能量被量化,產生光的電磁場的能量也應該被量化。雖然麥克斯韋的理論和一個多世紀的權威實驗表明光是波動的,但愛因斯坦的理論仍然包含光的粒子行爲。 在十多年的光電效應實驗之後,已經表明光能只能在達到某個離散的大小時被吸收,這就像被單個粒子攜帶一樣。 光的波粒二象性取決於觀察的觀點。這是令人頭疼的量子物理學最常見的例子之一。它已成爲未來20年的理論問題。 輻射問題導致了量子理論的第一步,物質悖論導致了第二步。 衆所周知,原子含有正負雙電荷粒子,相反的電荷相互吸引。 根據電磁理論,正電荷和負電荷螺旋地彼此靠近,輻射廣譜光直到原子坍塌。 然後,另一位新秀尼爾斯·玻爾邁出了決定性的一步。 1913年,玻爾提出了一個激進的假設:原子中的電子只能處於靜止狀態,包括基態,電子在兩個靜止狀態之間轉換,以改變其能量,同時輻射某一波長的光。光的波長取決於狀態之間的能量差異。 結合已知的法則和這個奇怪的假設,波爾清除了原子穩定性的問題。 玻爾的理論充滿矛盾,但提供了氫原子譜的定量描述。 他認識到他的模型的成功和缺陷。 憑藉驚人的遠見,他聚集了一羣物理學家來創造新的物理學。 一代年輕的物理學家用了12年才終於實現了他的夢想。 最初,開發玻爾量子理論(通常稱爲舊量子理論)的嘗試遭遇了重複失敗。 然後一系列的進步徹底改變了思路。 量子力學的歷史1923年,路易斯·德布羅意在他的博士論文中提出光的粒子行爲和粒子的波動行爲應該對應。 他將粒子的波長和動量聯繫起來:動量越大,波長越短。 這是一個引人入勝的想法,但沒有人知道粒子的波動性意味着什麼或它與原子結構的關係。然而,德布羅意的假設是一個重要的前奏,許多事情即將發生。 在1924年夏天,還有另一個熱潮。 Satyendra N. Bose提出了一種解釋普朗克輻射定律的新方法。 他認爲光是由無(靜態)質量(現在稱爲光子)的粒子組成的氣體,這些粒子不遵循經典的玻爾茲曼統計定律,並且遵循與粒子無法區分的性質(關於各向同性的新統計理論)。 愛因斯坦立即將Bose的推理應用於實際的氣體質量,以描述氣體中的粒子數量相對於能量的分佈,即着名的玻色 - 愛因斯坦分佈。 然而,在正常情況下,新舊理論將預測原子氣體的相同行爲。 愛因斯坦對這個領域沒有興趣,所以這些結果已被擱置了十多年。 然而,它的——粒子同構的關鍵思想非常重要。 突然間,一系列事件結束,最終導致了科學革命。 1925年1月至1928年1月:沃爾夫岡·泡利提出了不相容原則,爲元素週期表奠定了理論基礎。 ·Werner Heisenberg,Max Born和Pascual Jordan提出了量子力學的第一個版本,矩陣力學。 人們最終放棄了通過系統地整理可觀察的譜線來理解原子中電子運動的歷史目標。 ·歐文·薛定諤提出了量子力學的第二種形式,波動力學。 在波動力學中,系統的狀態由薛定諤方程的解——波函數描述。 矩陣力學和波動力學似乎是矛盾的,基本上是等價的。 ·電子學已被證明遵循新的統計法,Fermi-Dirac統計數據。 進一步認識到,所有粒子都遵循費米 - 狄拉克統計或遵循玻色 - 愛因斯坦統計,其具有非常不同的基本性質。·海森堡闡明瞭不確定性原則。 ·Paul A. M. Dirac提出了一個相對論波動方程來描述電子,解釋電子的自旋,並預測反物質。 ·狄拉克提出了電磁場的量子描述,並建立了量子場論的基礎。 波爾提出了互補原則(一種哲學原理),試圖解釋量子理論中的一些明顯矛盾,特別是波粒二象性。 量子理論的主要創始人是年輕人。 1925年,保利25歲,海森堡和恩里科費米24歲,狄拉克和喬丹23歲。 薛定諤是一個後來者,36歲。 Born和Bohr年紀稍大,值得一提的是他們的貢獻主要是解釋性的。 愛因斯坦的反應反駁了量子力學的深刻和激進的本質:他拒絕了許多導致他自己的量子理論理論的關鍵思想。他關於玻色 - 愛因斯坦統計的論文是他的物理學理論。最後的貢獻也是對物理學的最後一個重要貢獻。 毫不奇怪,量子力學的創造需要新一代的物理學家,而開爾文爵士在給波爾1913年關於氫原子的論文的一封信中表達了他的理由。 他說,波爾的論文中有許多事實他無法理解。 凱文認爲,基本的新物理肯定會來自無拘無束的思想。 1928年革命結束時,量子力學的基礎基本建立起來。 後來,亞伯拉罕派在一則軼事中以狂熱的節奏記錄了革命。 其中一個是這樣的。 1925年,Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck提出了電子旋轉的概念,並且玻爾表達了深刻的懷疑。 10月,波爾乘坐火車前往荷蘭萊頓參加亨德里克·洛倫茲50週年慶典。保利在德國漢堡遇到了波爾,向波爾詢問了電子問題。對旋轉可能性的看法;波爾用他着名的低調評價語言回答說,旋轉的提議“非常非常有趣”。後來,愛因斯坦和保羅·埃倫費斯特在萊頓會見了波爾並討論了旋轉問題。 波爾解釋了他的反對意見,但愛因斯坦展示了一種旋轉方式,使波爾成爲旋轉的支持者。 在玻爾的回程中,遇到了更多的討論者。 當火車經過德國的Gottling時,海森堡和喬丹開了車站,向他徵求意見。泡利還故意從漢堡趕到柏林。 波爾告訴他們,旋轉的發現是向前邁出的重要一步。 量子力學的創造引發了科學淘金熱。 早期的結果是:海森堡於1927年獲得了氦原子原子結構的近似解,並建立了原子結構理論的基礎; John Slater,Douglas Rayner Hartree和Vladimir Fock隨後提出了原子結構的一般計算技術; Fritz London和Walter Heitler解決了氫分子的結構問題。在此基礎上,萊納斯鮑林建立了理論化學; Arnold Sommerfeld和Pauli建立了金屬電子理論的基礎,Felix Bloch創立了帶結構理論;海森堡解釋了鐵磁性的原因。 1928年,George Gamow解釋了α放射性衰變隨機性的奧祕,這表明α衰變是由量子力學的隧道效應引起的。 在接下來的幾年裏,漢斯貝特建立了核物理學的基礎,並解釋了恆星的能量來源。 隨着這些進步,原子物理學,分子物理學,固體物理學和核物理學進入了現代物理學的時代。 量子力學的要點伴隨着這些進步,關於量子力學的解釋和正確性存在很多爭論。 波爾和海森堡是相信新理論的倡導者的重要成員,愛因斯坦和薛定諤對新理論不滿意。 要了解這些混沌的原因,我們必須掌握量子理論的關鍵特徵,總結如下。 (爲簡單起見,我們只描述了薛定諤的波動力學。 基本描述:波函數。 Schrödinger方程描述了系統的行爲,稱爲波函數。系統的完整信息由波函數表示,波函數可用於計算任何可觀察量的可能值。 在給定體積的空間中找到電子的概率與波函數的幅度的平方成比例,因此粒子的位置分佈在波函數所在的體積內。 粒子的動量取決於波函數的斜率。波函數越陡,動量越大。 斜率是可變的,因此動量也是分佈的。 因此,有必要放棄位移和速度來確定任意精度的經典圖像,並採用模糊概率圖像,這也是量子力學的核心。 在同一系統上執行相同的仔細測量不一定會產生相同的結果。相反,結果分散在波函數描述的範圍內。因此,電子特定位置和動量沒有意義。 這可以用不確定性原理來表示:爲了使粒子位置準確,波函數必須是尖峯形狀。但是,峯值必須具有陡峭的斜率,因此動量分佈在很大的範圍內;由於分佈較小,波函數的斜率必須很小,因此波函數分佈在很寬的範圍內,因此粒子的位置更加不確定。 波浪干擾。 無論是相加還是相減,都取決於它們的相位,相位相加幅度,相位相減。 當波沿着若干路徑從波源傳播到接收器時,例如光的雙縫干涉,通常產生干涉圖案。 粒子遵循波動方程,並且必須具有相似的行爲,例如電子衍射。 在這一點上,類比似乎是合理的,除非要檢查波的性質。 波通常被認爲是介質中的一種擾動。然而,量子力學沒有媒介。從某種意義上說,根本就沒有浪潮。波函數本質上是我們系統信息的陳述。 對稱性和全同立構規整度。 氦原子由圍繞原子核運動的兩個電子組成。 氦原子的波函數描述了每個電子的位置。但是,沒有辦法區分哪個電子是哪個電子。因此,在電子交換之後,系統沒有變化,即,在給定位置找到電子的概率保持不變。 。 由於概率取決於波函數幅度的平方,因此粒子交換後系統的波函​​數與原波函數之間的關係可能只是以下之一:與原波函數相同,或者符號被更改,即乘以-1。是誰呀?量子力學中最引人注目的發現之一是電子的波函數,用於電子交換符號。 結果是戲劇性的。兩個電子處於相同的量子態,它們的波函數相反。因此,總波函數爲零,即兩個電子處於相同狀態的概率爲0,這是泡利不相容原理。 所有半整數自旋粒子(包括電子)都遵循這一原則,稱爲費米子。 旋轉爲整數的粒子(包括光子)的波函數稱爲不變數,稱爲玻色子。 電子是費米子,因此在原子中分層排列;光由玻色子組成,因此激光呈現出超強光束(基本上是量子態)。 最近,氣體原子已經冷卻到量子態以形成玻色 - 愛因斯坦凝聚物,在這種情況下,系統發射超強材料束以形成原子激光。 這個概念僅適用於相同的粒子,因爲在不同的粒子交換之後波函數明顯不同。 因此,僅在粒子系統是相同粒子時才顯示玻色子或費米子的行爲。 相同的粒子是完全相同的,這是量子力學最神祕的方面之一,量子場論的成就將解釋這一點。 爭議和混沌量子力學是什麼意思?波函數究竟是什麼?測量意味着什麼?這些問題在早期就引起了激烈的爭論。 直到1930年,波爾和他的同事或多或少地提出了量子力學的標準解釋,即哥本哈根解釋;關鍵點是通過玻爾的互補原理概率地描述事物和事件,並調和問題第二波。標誌性的矛盾。 愛因斯坦不接受量子理論。在1955年去世之前,他一直在與玻爾爭論量子力學的基本原理。 關於量子力學的爭論焦點在於波函數是否包含系統的所有信息,或者是否存在決定特定測量結果的隱藏因素(隱藏變量)。 在20世紀60年代中期,John S. Bell證明如果存在隱藏變量,那麼實驗觀察到的概率應該低於某個極限,這是貝爾的不等式。 該組的大部分實驗結果與貝爾的不等式相反,他們的數據斷然拒絕隱藏變量的可能性。 通過這種方式,大多數科學家不再懷疑量子力學的正確性。但是,由於量子理論的神奇力量,其本質仍然引起了人們的關注。 量子系統的古怪性質源於所謂的糾纏態。簡而言之,量子系統(如原子)不僅可以處於一系列靜止狀態,還可以處於它們的疊加狀態。 通常,在疊加態原子中測量屬性(例如能量)有時會獲得該值,有時會得到另一個值。 到目前爲止還沒有出現任何奇怪的事 然而,有可能以糾纏態構建雙原子系統,使得兩個原子共享相同的性質。 當兩個原子分開時,一個原子的信息被另一個共享(或糾纏)。 這種行爲只能用量子力學的語言來解釋。 這種效果是如此令人難以置信,只有少數活躍的理論和實驗機構專注於研究它。主題不僅限於原理研究,而是糾纏態的使用;糾纏態已應用於量子信息系統,並已成爲量子計算機的基礎。 。 第二次革命在20世紀20年代中期的量子力學狂熱時代,另一場革命正在發生,量子物理學的另一個分支,即——量子場論的基礎,正在建立。 與量子力學的創造不同,如風暴,量子場論的創造經歷了一個曲折的歷史,並延續至今。 雖然量子場理論很難,但其預測精度是所有物理學科中最準確的。同時,它爲探索一些重要的理論領域提供了一個實例。 激發提出的量子場理論的問題是當電子從激發態躍遷到基態時原子如何輻射光。 1916年,愛因斯坦研究了這一過程並將其稱爲自發輻射,但他無法計算自發輻射係數。 解決這個問題需要開發相對論的電磁場量子理論(即光)。 量子力學是解釋物質的理論,量子場理論顧名思義,是研究領域的理論,不僅是電磁場,還有後來發現的其他領域。 1925年,Born,Heisenberg和Jordan發表了關於光量子場理論的初步想法,但關鍵的一步是年輕和未知的物理學家狄拉克於1926年提出的場論。 狄拉克的理論有許多缺陷:難以克服的計算複雜性,預測無限量,並且明顯與相應的原則相矛盾。在20世紀40年代後期,量子場論得到了新的進展。 Richard Feynman,Julian Schwinger和Sinitiro Tomonaga提出量子電動力學(縮寫爲QED)。 它們通過重整化來避免無窮大,其本質是通過減去無限量來獲得有限的結果。 由於方程式很複雜且無法找到精確的解,因此該系列通常用於獲得近似解,但系列項越來越難以計算。 儘管一系列術語依次減少,但總項結果在項目之後開始增加,因此近似過程失敗。 儘管存在這種危險,QED仍被列爲物理學史上最成功的理論之一,用它來預測電子與磁場之間相互作用的強度,實驗可靠性僅爲2/1,000,000,000,000。 儘管QED取得了非凡的成功,但它仍然充滿了神祕色彩。 對於空隙空間(真空),該理論似乎提供了一種荒謬的觀點,即真空不是空的,它到處充滿了小的電磁波動。 這些小的波動是解釋自發輻射的關鍵,它們會對原子和粒子(如電子)的性質產生可測量的變化。 儘管QED是偏心的,但許多最準確的實驗證實了它的有效性。 對於我們周圍的低能量世界,量子力學足夠準確,但對於高能量世界,相對論效應是顯着的,需要更全面的方法。量子場論的產生調和了量子力學與狹義相對論之間的矛盾。 量子場論的突出作用體現在它對與物質本質相關的一些最深刻問題的解釋上。 它解釋了爲什麼有兩種類型的基本粒子,玻色子和費米子,其性質與內在自旋有關;它描述了粒子(包括光子,電子,正電子或電子)是如何產生和消滅的。它解釋了量子力學中神祕的同質性。相同的粒子是完全相同的,因爲它們來自同一個基本領域;它不僅解釋了電子,還解釋了μ子,tau物體及其反粒子。兒童。 QED是關於輕子的理論。它無法描述稱爲質子的複雜粒子。它們包括質子,中子和大量介子。對於強子而言,提出了比QED更普遍的理論,稱爲量子色動力學(QCD)。 QED和QCD之間有許多相似之處:電子是原子的組成元素,夸克是強子的組成部分;在QED中,光子是轉移帶電粒子的介質。在QCD中,膠子在夸克之間傳遞。行動的媒介。 儘管QED和QCD之間存在許多對應點,但它們仍然存在顯着差異。 與輕子和光子不同,夸克和膠子永遠被限制在強子內部,它們不能被釋放和孤立。 QED和QCD構成了一個基本統一的標準模型的基石。 標準模型成功地解釋了今天的所有粒子實驗,但許多物理學家認爲它是不完整的,因爲粒子的質量,電荷和其他性質來自實驗;一個理想的理論應該全力以赴。 。 今天,尋找材料的最終本質成爲重大科學研究的焦點,使人們無意識地想到了創造量子力學的激烈奇蹟時代,其結果的影響將更加深遠。 現在必須努力尋求重力的量子描述,並且半個世紀的努力已經表明QED的傑作——電磁場量化程序在引力場中失敗。 問題很嚴重,因爲如果廣義相對論和量子力學都是正確的,它們必須提供對同一事件的基本兼容的描述。 在我們周圍的世界中不存在矛盾,因爲重力相對於電力是如此微弱,其量子效應可以忽略不計,經典描述是完美的;但對於擁有如此強大黑洞的系統,我們沒有可靠的方法。預測其量子行爲。 一個世紀以前,我們所理解的物理世界是經驗的;我們做出瞭如此自信的預測,因爲量子力學爲我們周圍的世界提供了準確而完整的理論;然而,今天的物理學和物理學在1900年有許多共同之處:它仍然保留了基本的經驗主義,我們無法完全預測構成物質的基本要素的性質,仍然需要對它們進行測量。 也許超弦理論是唯一被認爲可以解釋這個謎團的理論。它是量子場理論的推廣,它通過用長度物體替換諸如電子的物體來消除所有無限質量。無論結果如何,從科學的曙光開始,對自然的最終理解的夢想將繼續成爲新知識背後的驅動力。 從本世紀初開始,我們將繼續追求這一夢想,結果將使我們所有的想象成爲現實。