新萄京娱乐场手机板:【马克斯·玻恩】玻尔和玻恩

马克斯·玻恩生于德国布雷斯劳,是犹太裔理论物理学家,被称作量子力学的奠基人之一。玻恩曾在法兰克福、哥廷根和爱丁堡大学等高校学习,在数学、物理、天文、法律和伦理学等方面都有涉猎;他提出玻恩近似,著有《晶体点阵动力学》、《关于空间点阵的振动》等作品,获得了诺贝尔物理学奖。1970年,玻恩在哥廷根逝世。人物生平新萄京娱乐场手机板 1玻恩
玻恩于1882年12月11日出生于德国普鲁士的布雷斯劳(今波兰城市弗罗茨瓦夫)一个犹太人家庭,父亲是布雷斯劳大学的解剖学和胚胎学教授。小时受父亲影响,喜欢摆弄仪器和参加科学讨论。
1901年进入布雷斯劳大学。后来到海德堡大学和苏黎士大学求学。1905年慕名进入哥廷根大学听D.希耳伯特、H.闵可夫斯基等数学、物理学大师讲学。1907年在哥廷根大学通过博士考试,导师是希尔伯特。此后前往剑桥大学跟随拉默尔和约瑟夫·汤姆孙学习了一段时间。1908年至1909年回到布雷斯劳学习相对论。闵可夫斯基曾邀请他去哥廷根与他共事,但是此后不久的1909年冬天闵可夫斯基便去世了,玻恩受命继续闵可夫斯基在物理领域的研究工作。玻恩在1909年获得大学任教资格,先是在哥廷根大学受聘为无薪金讲师,1912年接受迈克尔逊的邀请前往芝加哥教授相对论,并与迈克尔逊合作完成了一些光栅光谱实验。此外,玻恩对固体理论进行过比较系统的研究,1912年和冯·卡尔曼一起撰写了一篇有关晶体振动能谱的论文,他们的这项成果早于劳厄(1879—1960)用实验确定晶格结构的工作。
1913年8月2日玻恩与爱伦伯格(H.
Ehrenberg)结婚。他们都是路德教教徒,有三个孩子。那时玻恩喜好的消遣活动是长途徒步旅行和音乐。
1915年玻恩去柏林大学任理论物理学教授,并在那里与普朗克、爱因斯坦和能斯特并肩工作,玻恩与爱因斯坦结下了深厚的友谊,即使是在爱因斯坦对玻恩的量子理论持怀疑态度的时候,他们之间的书信见证了量子力学开创的历史,后来被整理成书出版。玻恩在柏林大学期间,曾加入德国陆军,负责研究声波理论和原子晶格理论,并于1915年发表了他的第一本书《晶格动力学》(Dynamik
der Kristallgitter),该书总结了他在哥廷根开始的一系列研究成果。
1919年第一次世界大战结束后,玻恩转去法兰克福大学任教并领导一个实验室,他的助手奥托·施特恩后来也获得了诺贝尔物理学奖。1921年至1933年玻恩与好友夫兰克一同回到哥廷根大学任教授,主要的工作先是晶格研究,然后是量子力学理论。他在哥廷根费米、狄拉克、奥本海默和玛丽亚·格佩特-梅耶等一大批物理学家合作。1925年至1926年与泡利、海森堡和帕斯库尔·约尔丹(Pascual
Jordan)一起发展了现代量子力学的大部分理论。1926年又发表了他自己的研究成果玻恩概率诠释,后来成为著名的“哥本哈根解释”。
卢瑟福-玻尔的原子行星模型和玻尔关于电子能级的假设(其中把普朗克的量子概念与原子光谱联系起来了)曾被用来解释后来知道的一些数据和现象,但只取得了一些微不足道的成功。在物理理论从经典向现代过渡的这一时期(约在1923年前后),泡利和海森堡都在哥廷根大学做玻恩的助手。德布罗意在1924年巴黎的论文中提出电子与一组波相联系。海森堡在他的“测不准原理”中,表明了经典力学规律不适用于亚原子粒子,因为不能同时知道这些粒子的位置和速度。
玻恩以此为起点对这一问题进行了研究,他系统地提出了一种理论体系,在其中把德布罗意的电子波认为是电子出现的几率波。玻恩-海森堡-约当矩阵力学与薛定谔发展起来的波动力学的数学表述不同,狄拉克证明了这两种理论体系是等效的并可相互转换。今天,我们把它称为量子力学。
1933年纳粹上台后,玻恩由于是犹太人血统而被停职,并与当时许多德国科学家一样被迫移居国外。移居英国后,1934年起受邀在剑桥大学任教授,这段时间的主要研究集中在非线性光学,并与利奥波德·因费尔德(Leopold
Infeld)一起提出了玻恩-因费尔德理论。1935年冬天,玻恩在印度班加罗尔的印度科学研究所呆了6个月,与C·V·喇曼共事。1936年前往爱丁堡大学任教直到1953年退休。1936年被纳粹剥夺德国国籍。
玻恩很想把量子力学和相对论统一起来,因此他于1938年提出了他的倒易理论:物理学的基本定律在从坐标表象变换到动量表象时是不变的。1939年玻恩加入英国国籍。这时他仍继续从事爱因斯坦和英费尔德曾探索过的统一场论的研究。
1953年,玻恩退休后居住在巴德派尔蒙特,这是位于哥廷根附近的一个旅游胜地。1953年6月28日玻恩成为哥廷根的荣誉市民。1954年由于在量子力学和波函数的统计解释及研究方面的贡献,与瓦尔特·博特共同获得诺贝尔物理学奖。他最后一本关于晶体的书是1954年完成的(与我国物理学家黄昆合作完成)。除了在物理领域的杰出研究外,玻恩还是“哥廷根十八人”(德语:Göttinger
Achtzehn)之一,《哥廷根宣言》的签署人,旨在反对德国联邦国防军使用原子武器装备。
1970年1月5日,玻恩在哥廷根逝世。玻尔和玻恩新萄京娱乐场手机板 2玻恩等人
尼尔斯·玻尔是丹麦物理学家,哥本哈根学派的创始人,曾获得诺贝尔物理学奖。他提出了玻尔模型来解释氢原子光谱,提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,对20世纪物理学的发展有着巨大影响。
马克斯·玻恩则是德国犹太裔理论物理学家,被称作量子力学奠基人之一,也是诺贝尔物理学奖得主。他创立矩阵力学、解释对波函数、开创晶格动力学等,尤其是对波函数的统计学诠释贡献最大。玻恩的主要成就
创立矩阵力学
1920年以后,玻恩对原子结构和它的理论进行了长期而系统的研究。那时,卢瑟福-玻尔的原子模型和有关电子能级的假设遇到了许多困难。因此,法国物理学家德布罗意于1924年提出了物质波假设,认为电子等微观粒子既有粒子性,也有波动性。1926年奥地利物理学家薛定谔(1887—1961)创立了波动力学。同时,玻恩和海森伯、约尔丹等人用矩阵这一数学工具,研究原子系统的规律,创立了矩阵力学,这个理论解决了旧量子论不能解决的有关原子理论的问题。后来证明矩阵力学和波动力学是同一理论的不同形式,统称为量子力学。因此,玻恩是量子力学的创始人之一。
解释对波函数
为了描述原子系统的运动规律,薛定谔提出了波函数所遵循的运动方程——薛定谔方程。但是,波函数和各种物理现象的观察之间有什么关系,并没有解决。玻恩通过自己的研究对波函数的物理意义作出了统计解释,即波函数的二次方代表粒子出现的几率取得了很大的成功。从统计解释可以知道,在量度某一个物理量的时候,虽然已知几个体系处在相同的状态,但是测量结果不都是一样的,而是有一个用波函数描述的统计分布。因为这一成就,玻恩荣获了1954年度诺贝尔物理学奖。
开创晶格动力学
在他的早期生涯中,玻恩的兴趣集中在点阵力学上,这是关于固体中原子怎样结合在一起如何振动的理论。在冯·劳厄最终证明了晶体的格点结构之前,玻恩和冯·卡门(Von
Karman)就在1912年发表了关于晶体振动谱的论文。玻恩以后又多次回到晶体理论的研究上,1925年玻恩写了一本关于晶体理论的书,开创了一门新学科——晶格动力学。1954年他和我国著名物理学家黄昆合著的《晶格动力学》一书,被国际学术界誉为有关理论的经典著作。
其他成就
1953年退休以后,玻恩劲头十足地研究爱因斯坦的统一场论。1959年,与沃耳夫合著了《光学原理》,至2001年已出至第七版,成为光的电磁理论方面的一部公认经典著作。玻恩还研究了流体动力学、非线性动力学等理论。
玻恩和富兰克(1882—1964)一起把哥廷根建成很有名望的国际理论物理研究中心。当时,只有玻尔建立的哥本哈根理论物理中心可以和它匹敌。人物评价新萄京娱乐场手机板 3玻恩
在量子理论的发展历程中,玻恩属于量子的革命派,他是旧量子理论的摧毁者,他认为旧量子论本身内在矛盾是根本性的,为公理化的方法所不容,构造特性架设的办法只是权宜之计,新量子论必须另起炉灶,用公理化方法从根本上解决问题。
玻恩先后培养了两位诺贝尔物理学奖获得者:海森堡(1932年获诺贝尔物理学奖);泡利(因为提出不相容原理获1945年的诺贝尔物理学奖)。不过,玻恩似乎没有他的学生幸运,他对量子力学的几率解释受到了包括爱因斯坦、普朗克等很多伟大的科学家的反对,直到1954年才获诺贝尔物理学奖。

量子电动力学的研究在这时达到了顶峰,费曼所创造的费曼图成为了研究相互作用场的微扰理论的基本工具,从费曼图可直接导出粒子散射的S矩阵。

最后,我要强调的是我们必须做练习,学习量子力学必须要拿起笔来做计算,这些计算其实都很简单,但如果你不算,不知道过程,你就不能说你已经懂了。

德国物理学家阿诺·索末菲在1914年至1915年间发展了玻尔理论,他提出了电子椭圆轨道的量子化条件,从而将开普勒运动纳入到量子化的玻尔理论中并提出了空间量子化概念,他还给量子化公式添加了狭义相对论的修正项。

这里我们把电子的运动状态用一个波函数来描述,这和说我们把电子想象成一个波还是有区别的。物理学家的意思是电子本身还是粒子,只是它的运动需要借助波的语言。在此基础上我们需要发展成套的数学工具来描述电子的性质,比如:如何由一个波函数知道电子的能量等等。

在电磁相互作用及强相互作用中,宇称确实守恒,因此在那时期的科学家猜想在弱相互作用中宇称也守恒,但这一点尚未得到实验验证。李杨二人的理论研究结果显示出,在弱相互作用中,宇称并不守恒。他们提出了一个在实验室中验证宇称守恒性的实验方案。李政道随即请求吴健雄对于这一点进行实验验证。吴健雄选择了具有放射性的钴-60样品进行该实验,成功证实了宇称在弱相互作用中确实不守恒。Θ+和τ+后来被证明是同一种粒子,也就是K介子,K+。

这里我们发现一个问题,量子力学的研究和物质有关,它涉及我们对物质结构的理解,它寻求对物质性质的解释等等。

密立根的光电效应实验测量了爱因斯坦所预言的遏制电压和频率的关系,其曲线斜率正是普朗克在1900年计算得到的普朗克常数,从而“第一次判决性地证明了”爱因斯坦光量子理论的正确。不过,密立根最初的实验动机恰恰相反,其本人和当时大多数人一样,对量子理论持相当大的保守态度。

量子力学与相对论以及从前任何一个物理理论的不同在于它没有一个明确的创建人,我们没法把量子力学和某一位物理学家的名字联系起来,就像我们把经典力学和牛顿,经典电动力学和麦克斯韦,相对论和爱因斯坦联系起来一样。

1956年,当时在美国的物理学者李政道和杨振宁发表了著名论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》,在这篇文章中他们认为,θ-τ之谜所带来的宇称不守恒问题不是一个孤立事件,宇称不守恒很可能就是一个普遍性的基础科学原理。

还有很多实验家的名字同样不能忽略:J J
汤姆逊、卢瑟福、密立根、康普顿、劳厄、布拉格父子、布拉开特、劳伦斯……

我们知道了量子电动力学起源于1927年保罗·狄拉克将量子理论应用于电磁场量子化的研究工作。他将电荷和电磁场的相互作用处理为引起能级跃迁的微扰,能级跃迁造成了发射光子数量的变化,但总体上系统满足能量和动量守恒。

量子力学是这种青年文化的产物,先是卢瑟福和他的孩子们通过散射实验确立了原子的有核模型,继而是卢瑟福的孩子玻尔猜出了一个能够解释氢原子光谱主要特征的玻尔模型。

费曼认为高能实验已经证明了夸克是物理实在的粒子,并按他的习惯称之为部分子。盖尔曼和费曼的不同观点在理论物理学界产生了深刻的分歧,费曼坚持认为夸克和其他粒子一样具有位置和动量的分布,盖尔曼则认为虽然特定的夸克电荷是可以定域化的,但夸克本身则有可能是无法定域化的。美国物理学家詹姆斯·比约肯指出如果夸克真的像部分子那样是实在的点粒子,则电子和质子的深度非弹性散射将满足特定关系,这一实验由斯坦福直线加速器中心于1968年证实。1973年,美国物理学家戴维·格娄斯和他的学生弗朗克·韦尔切克,以及美国物理学家休·波利策发现了强相互作用中的渐近自由性质,这使得物理学家能够利用量子场论中的微扰方法对很多高能实验作出相当精确的预言。1979年,德国电子加速器中心的正电子-电子串联环形加速器(PETRA)发现了胶子存在的直接证据。

几乎与此同时,薛定谔由德布罗意的物质波概念出发,把电子的运动想象为一种可以用波描述的对象。然后建立了一个对波函数适用的偏微分方程——薛定谔方程。

电弱理论的成功重新唤起了人们对规范场论的研究兴趣,1973年,美国物理学家戴维·格娄斯和他的学生弗朗克·韦尔切克,以及美国物理学家休·波利策发现了非阿贝尔规范场中的渐近自由性质。而他们也给出了对于观察不到静止质量为零的胶子的解释:胶子如同夸克一样,由于色荷的存在而受到色禁闭的约束从而无法独立存在。在统合了电弱理论和量子色动力学的基础上,粒子物理学建立了一个能够描述除引力以外的三种基本相互作用及所有基本粒子(夸克、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子)的规范理论——标准模型,二十世纪中叶以来高能物理的所有实验成果都符合标准模型的预言。然而,标准模型不但无法将引力,以及近年来提出的暗物质与暗能量包含在内,它所预言的希格斯玻色子的存在还没有确凿的实验证实,它也没有解释中微子振荡中的非零质量问题。2008年起在欧洲核子研究组织开始运行的大型强子对撞机的主要实验目的之一,就是对希格斯玻色子的存在性进行验证;2013年3月14日,欧洲核子研究组织发表新闻稿正式宣布探测到希格斯玻色子。

我们把海森堡的方案叫矩阵力学,把薛定谔的方案叫波动力学,这都是很直接的命名,如果你解矩阵方程的话,就是矩阵力学,如果你解波动方程的话就是波动力学。同时我们也理解为什么一个物理系的学生在学量子力学之前必须先学线性代数和数理方法。线性代数是研究矩阵运算的,而数理方法教我们如何求解波动方程。

1934年,法国的约里奥-居里夫妇通过用放射性钋所产生的α射线轰击硼、镁、铝等轻元素,会发射出很多粒子产物,尽管之后移开放射性钋,仍旧会继续发射粒子产物,这个现象导致了他们发现了人工放射性。

最简单的原子是氢原子,原子核外只有1个电子,原子核带正电,电子带负电,它们之间会有吸引力,表面看来这和求解月亮如何围绕地球运动一样,区别仅仅是电磁相互作用替代了万有引力。

在海森堡的理论中,电子不再具有明确的轨道,他从而意识到电子的跃迁几率并不是一个经典量,因为在描述跃迁的傅里叶级数中只有频率是可观察量。他用一个系数矩阵取代了经典的傅里叶级数,在经典理论中傅里叶系数表征着辐射的强度,而在矩阵力学中表征强度的则是位置算符的矩阵元的大小。

量子力学的形式体系是由狄拉克最终完成的,狄拉克比海森堡稍小,他的教育背景是电机工程和应用数学。他发明了一套方便的记号去表达量子力学,同时他重建了量子力学与经典力学的联系。

在读了这些物理学的发展史之后,我更加觉得要做一个科普者是多么不易。要做一个创新者更是需要很深厚的理论物理基础,而这些我似乎并不具备。所以我目前理论,也只是停留下猜想阶段,我希望我能用数学来证明它们。我也希望你能用数学证明它们。

爱因斯坦(Albert
Einstein,1879-1955)认为光本身就是以量子形态存在的,光子是像粒子一样的实体,它能集中地把能量给电子,只要光子的能量足够强,换句话说就是频率足够高(波长足够短),光就能把电子从金属里一脚踢出。这就是爱因斯坦对光电效应的解释,简单直观!

直到1926年薛定谔在研究海森堡的理论之后,发表了《论海森堡、玻恩与约尔当和我的量子力学之间的关系》,证明了两种理论的等价性;不过,对当时大多数的物理学家而言,波动力学中数学的简明性仍然是显而易见的。

经典力学对物理系统的描述也有不止一种数学形式,比如哈密顿形式使用位置和动量,拉格朗日形式使用位置和速度等等。狄拉克提出在哈密顿形式下,只要引入普朗克常数$h$,并把位置$x$和动量$p$看作是不能互相交换次序的量子力学数($q$数),我们就能把一个经典力学问题量子化(quantization)。

在1984年至1986年间发生的第一次超弦革命中,弦论正式开始流行,物理学家认识到弦论能够描述所有的基本粒子以及彼此间的相互作用,从而期望弦论能够成为一种终极理论:欧洲核子研究组织的约翰·埃利斯就是由此提出了“万有理论”一词

海森堡是玻尔、玻恩和索末菲共同的孩子,他从概念上摒弃了那些很难被观测的物理量,如原子的位置,转而从原子的光谱现象出发构建理论,这是一种反玄学的态度,即让物理公式中只出现那些可被测量的物理量。海森堡第一个取得突破,他找到了一个可以表述为矩阵的数学关系来计算原子的光谱现象。

玻尔、海森堡等人建立哥本哈根诠释之后,立刻遭到了以爱因斯坦为首的一批物理学家的反对。爱因斯坦非常反对哥本哈根学派所作出的波函数的诠释、不确定性原理以及互补原理等观点。在爱因斯坦看来,电子的这种“自由意志”行为是违反他所钟爱的因果律的,他从而认为波函数只能反映一个系综的粒子的量子行为,而不像是玻尔所说的一个粒子的行为。这种矛盾引发了分别以玻尔和爱因斯坦为代表的两种学说的论战,时间长达半个多世纪之久。

狄拉克的体系是完结性的,以后量子力学还有发展,但我们使用的语言和思维方式是狄拉克规定的。比如对电子考虑狭义相对论后,我们将得到一个相对论性的量子力学方程。这也是狄拉克的工作。

从伽利略的时代算起,物理学发展的四百多年历史中已经经历了几次大的统一:牛顿统一了“天上的”和“地上的”力学,麦克斯韦统一了电磁理论,格拉肖等人统一了弱相互作用和电磁相互作用。而尝试将弱电相互作用和强相互作用统一起来的理论统称为大统一理论,大统一理论将统一标准模型中的四种规范玻色子和传递强相互作用的八种胶子规范玻色子。当前被建议的大统一理论有很多,一般来说这些理论都做出了如下的关键性预言:磁单极子、宇宙弦、质子衰变等,时至今日还没有上述的任何一种现象得到实验的证实。如要通过实验验证大统一理论,粒子所需的能量要达到~1016GeV[260],这已经远远超过现有的任何粒子加速器所能达到的范围。

\end{itemize}

1939年狄拉克引入了他的数学符号系统——狄拉克符号,并应用到《量子力学原理》中。直到今天,狄拉克符号仍然是最广泛使用的一套量子力学符号系统。

这里$i$是纯虚数,表示对-1开根号,即$\sqrt{ – 1}$。

有别于旧量子论的现代量子力学的诞生,是以1925年德国物理学家维尔纳·海森堡建立矩阵力学和奥地利物理学家埃尔温·薛定谔建立波动力学和非相对论性的薛定谔方程,从而推广了德布罗意的物质波理论为标志的。

\begin{equation}
xp – px = i \frac{h}{2 \pi}
\end{equation}

1934年,费米在此基础上将产生电子和中微子的过程和产生光子的过程进行了类比,提出中子和质子只是核子的两种状态,β衰变即这两种状态之间的跃迁过程,从中会释放出电子和中微子;而相对于电磁相互作用释放的光子,释放电子和中微子的相互作用被称作弱相互作用。

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第二次超弦革命是在1994年至1997年间,其影响更为深远。1995年美国数学物理学家爱德华·威滕猜测在强耦合极限下十维的超弦、以及广义相对论与超对称的统一即所谓超引力,能够构成一个猜想的十一维模型的一部分,这种模型在施瓦茨的建议下被叫做M理论。同年十月,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的约瑟夫·泡尔钦斯基发现超弦理论中产生的孤子正是他们于1989年发现的D-膜。

量子力学建立后,物理学的进展主要集中在三个领域:

当前被提议的主流万有理论是超弦理论及M理论;而对圈量子引力的研究可能也会对建立万有理论产生基础性的影响,但这并不是圈量子引力论的主要目标。

\item 宇宙学和广义相对论:如何把引力量子化?

其后他在回忆中写道:“当时正是凌晨三点,最终的计算结果即将出现在我面前,起初这让我深深震撼了。我非常兴奋以至于无法考虑睡觉的事,于是我离开房间前往岩石的顶端等待朝阳。”我们可以想象一下,他的高兴,他的喜悦。

作为一个虚拟课程,我们预先设定我们的任务是讨论非相对论性的量子力学,我们不讨论对场的量子化,不讨论量子统计,也不讨论量子力学利用于金属或其他固态结构。这分别对应于量子场论、量子统计、固体理论等其他后续课程。

1923年,法国物理学家路易·德布罗意在光的波粒二象性,以及布里渊为解释玻尔氢原子定态轨道所提出的电子驻波假说的启发下,开始了对电子波动性的探索。

化学研究物质,化学家关心物质的颜色、是否有金属光泽,导电性如何等等。但仅仅这些只能算是资料的罗列,还算不得是真正的科学。热力学和统计物理为化学提供了部分理论基础,但远远不够;特别的,热力学和统计物理不涉及化学里的核心问题,即为什么一种元素会和另一种元素那么的不一样?或我们为什么会有元素周期律?

如果你以为量子物理学就再无发展,那就错了。
很多量子学分支,依然取得很多的研究成果。 凝聚体物理学就是其中之一。

《量子序曲1.0》http://t.cn/RvvbvgN
(提取码:3c60)

玻尔从氢原子光谱的巴耳末公式和约翰尼斯·斯塔克的价电子跃迁辐射等概念受到启发,对围绕原子核运动的电子轨道进行了量子化,而原子核和电子之间的动力学则依然遵守经典力学,因此一般来说玻尔模型是一种半经典理论。这些内容发表在他1913年的著名三部曲论文《论原子构造和分子构造》中。论文中他建立了一个电子轨道量子化的氢原子模型,这一模型是基于两条假设之上的:

根据经典电动力学,如果电子围绕原子核做圆周运动的话,它将会向外辐射能量,以电磁辐射的形式(或说以光的形式),因为电磁相互作用很强,电子本身具有的动能将会以很快的速度被辐射掉,电子因为动能耗尽会像一颗运动速度过慢的卫星那样一头掉到原子核上。这句话翻译过来就是原子不存在了。

粒子物理学是原子物理和原子核物理在高能领域的一个重要分支,相对于偏重于实验观测的原子核物理学,粒子物理更注重对基本粒子的物理本性的研究。就实验方面而言,研究粒子物理所需的能量往往要比原子核物理所需的高得多,在回旋加速器发明以前,很多新粒子都是在宇宙射线中发现的,如正电子。

看来经典理论不足以解释原子。

二十世纪二十年代量子力学的诞生使凝聚态物理学具有了坚实的理论基础,其立竿见影的成果是海森堡在1928年建立了铁磁性的量子理论,不过对固体物理学界更有影响力的是同年他的学生、美籍瑞士裔物理学家费利克斯·布洛赫建立的能带理论。

Again,因为普朗克常数太小了,我们以前都没有注意到原来自然是如此行事的。在此意义下,狄拉克推广了经典力学的数学语言使之重新适用于电子的世界。

1917年,爱因斯坦在《论辐射的量子理论》中更深入地讨论了辐射的量子特性,他指出辐射具有两种基本方式:自发辐射和受激辐射,并建立了一整套描述原子辐射和电磁波吸收过程的量子理论,这不但成为五十年后激光技术的理论基础,还促成了现代物理学中迄今最精确的理论——量子电动力学的诞生。

对物理学家来说,波动是一种很熟悉的图像。对普通人来说也是如此,琴弦上的振动是波,两列水波相遇是波,声波是波,电磁波也是波等等。

德布罗意的博士论文被爱因斯坦看到后得到了很大的赞许,爱因斯坦并向物理学界广泛介绍了德布罗意的工作。这项工作被认为是统一了物质粒子和光的理论,揭开了波动力学的序幕。1927年,贝尔实验室的克林顿·戴维孙和雷斯特·革末进行了著名的戴维孙-革末实验,他们将低速电子射入镍晶体,观测每一个角度上被散射的电子强度,所得的衍射图案与布拉格预测的X射线的衍射图案相同,这是电子也会像波一样发生衍射的确凿证明。特别地,他们发现对于具有特定能量的入射电子,在对应的散射角度上散射最明显,而从布拉格光栅衍射公式得到的衍射波长恰巧等于实验中具有对应能量电子的德布罗意波长。

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狄拉克考虑到薛定谔方程只含对时间的一阶导数而不具有洛伦兹协变性,他从而引入了一组对空间的一阶导数的线性叠加,这组叠加的系数是满足洛伦兹协变性的矩阵。由于系数是矩阵,则原有的波函数必须改为矢量函数,狄拉克将这些矢量函数称作旋量。如此得到的波动方程被称作狄拉克方程,它成为了相对论量子力学的基本方程,同时它在量子场论中也是描述自旋为1/2粒子(夸克和轻子)的基本旋量场方程。在此项工作中狄拉克首创了“量子电动力学”一词,他从而被看作是量子电动力学的创始人。

实际上原子相当稳定,比如我们的身体里就有很多很多氢原子,它们显然是非常稳定的,并且这构成了我们能安然坐在这里思考物理问题的前提。

在三维球坐标系下将薛定谔方程应用于氢原子可以得到三个量子化条件:轨道量子数(决定电子的能级)、角量子数(决定电子的轨道角动量)和磁量子数(决定电子在垂直方向的磁矩)。在其后的论文中,他分别讨论了含时的薛定谔方程、谐振子、微扰理论,并应用这些理论解释了斯塔克效应和色散等问题。

从普朗克和爱因斯坦开始,玻尔、索末菲、玻恩、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、泡利、约丹、费米、玻色……这还仅仅是理论家。

新萄京娱乐场手机板:【马克斯·玻恩】玻尔和玻恩。1973年,夸克的味增加到六种,这是由日本物理学家小林诚和益川敏英在实验上观察到CP破坏并认为这一对夸克可以对此加以解释而提出的。这两种新夸克被称作顶夸克和底夸克。1974年11月,两组团队几乎在同一时间观测到了粲夸克,他们是伯顿·里克特领导的斯坦福直线加速器中心和丁肇中领导的布鲁克海文国家实验室。实验中观测到的粲夸克是和反粲夸克一起束缚在介子中的,而这两个研究小组分别给了这种介子不同的符号标记:J和ψ,从而这种介子后来被称作J/ψ介子。这个发现终于使夸克模型得到了物理学界的普遍公认。1977年,费米实验室的利昂·莱德曼领导的研究小组发现了底夸克,这为顶夸克的存在提供了强烈暗示。但直到1995年顶夸克才被费米实验室的另一组研究团队发现。

如果我们总结的话,这主要是一群生活在西北欧的白种青年男性,大多在20-30岁之间,他们之间紧密合作、互通信息,同时又相互竞争。

二十世纪二十年代,量子力学的建立给原子核物理带来了崭新的面貌。1932年密立根的学生卡尔·安德森在不了解狄拉克理论的情况下通过观测云室中的宇宙射线发现了正电子。同年,查德威克在卢瑟福提出的原子核内具有中子的假说的基础上,在卡文迪许实验室进行了一系列粒子撞击实验,并计算了相应粒子的能量。查德威克的实验证实了原子核内中子的存在,并测定了中子的质量。中子的发现改变了原子核原有的质子-电子模型,维尔纳·海森堡提出新的质子-中子模型,在这模型里,除了氢原子核以外,所有原子核都是由质子与中子组成。

经典物理不是典型的关于物质的理论,比如经典力学研究运动,它把物质抽象为具有质量的点,或这样点的集合,对经典力学来说,一颗铜行星还是一颗铁行星关系不大,我们都是用诸如位置、速度和质量这类物理量来描述。

新萄京娱乐场手机板:【马克斯·玻恩】玻尔和玻恩。狄拉克发现,虽然旋量的概率密度可以保证为正值,方程的本征值却仍然会出现负能量。在理论上如果电子可以拥有能级低至静止能量负值的负能量态,则所有的电子都能通过辐射光子而跃迁到这一能级,狄拉克由此推算出在这种情形下整个宇宙会在一百亿分之一秒内毁灭。狄拉克对这一问题的解释是著名的狄拉克之海:真空中排满了具有负能量的电子,在泡利不相容原理的制约下正能量的电子无法跃迁到负能量态。同时,狄拉克还由此提出了反电子的存在,它同时具有负能量态电子的所有相反属性,即具有正能量和正电荷。1932年狄拉克关于反物质存在的预言通过美国物理学家卡尔·安德森使用宇宙射线制造出正电子的实验得到了证实。

量子化意味着我们要使位置和速度满足以下关系:

马克斯·普朗克

如果大家想了解最新的物理新闻的话,可以访问英国物理学会的PhysicsWorld(\url{http://physicsworld.com/})。

新萄京娱乐场手机板:【马克斯·玻恩】玻尔和玻恩。第四章新萄京娱乐场手机板:【马克斯·玻恩】玻尔和玻恩。:“量子”物理学的探索史,它的恢宏值得敬畏!

这些问题很大程度上是由原子物理回答的,原子物理是一种关于物质的理论,假设我们对原子施加的能量不够大,原子作为物质存在的一个基本单元会保持稳定,原子的性质主要由原子核外的电子决定,而电子的运动应该由什么样的物理法则来描述呢?

1924年,23岁的海森堡还只是哥廷根大学未取得终身教职的一名年轻教师,他于同年九月应玻尔的邀请来到哥本哈根进行六个月的交流访问,此间海森堡受到了玻尔和他的学生汉斯·克拉莫斯等人的深刻影响。

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1.所有的可观察量都可用一个厄米矩阵表示,一个系统的哈密顿量是广义坐标矩阵和与之共轭的广义动量矩阵的函数。

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凝聚态物理:这个主要是应用推动的,近二十年来的信息社会就是建基于凝聚态物理学的进展。

1906年,爱因斯坦将普朗克定律应用于固体中的原子振动模型,他假设所有原子都以同一频率振动,并且每个原子有三个自由度,从而可求和得到所有原子振动的内能。将这个总能量对温度求导数就可得到固体热容的表达式,这一固体热容模型从而被称作爱因斯坦模型。这些内容发表于1907年的论文《普朗克的辐射理论和比热容理论》中。

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场论与粒子物理:典型成就有量子电动力学,标准模型,量子色动力学等。

这就是整个量子力学发展史,即使我们就简单的读一遍,就觉得异常厚重。人类的不可想象正是由这些理论证明的,永远不要小看你自己。无论是身处何方,做什么工作,你都要坚信你和其他人一样优秀。

为了说清量子力学的创建史,我们必须提及至少几十个物理学家,他们都曾做出不可忽略的重要贡献,可以说量子力学的创建为我们贡献了最多的物理学大师。

新萄京娱乐场手机板:【马克斯·玻恩】玻尔和玻恩。不过,玻尔虽然对海森堡的不确定性原理表示赞同,却否定了他的理想实验。玻尔认为不确定性原理其实是波粒二象性的体现,但实验观测中只能展示出粒子性或波动性两者之一,即不可能同时观测到电子的粒子性和波动性,这被玻尔称作互补原理。

1925年海森堡回到哥廷根,在五月之前他的工作一直是致力于计算氢原子谱线并试图只采用可观察量来描述原子系统。同年六月为了躲避鼻炎的流行,海森堡前往位于北海东部并且没有花粉侵扰的黑尔戈兰岛。在那里他一边品味歌德的抒情诗集,一边思考着光谱的问题,并最终意识到引入不可对易的可观察量或许可以解决这个问题。

上一章我们系统的了解了“宏观”物理学的发展史,从经典物理到相对论的发展,期间有多少个人的名字,就有多少个精彩的故事,在这些精彩故事的背后,是一个个孤独的灵魂在奋斗。

量子力学的确令人印象深刻,但内心中有个声音告诉我这不符合实际情况。这个理论解释了很多,但没有真正让我们离那个“老家伙”的秘密更近一步。我,无论如何都有理由相信,他不掷骰子。— 爱因斯坦于1926年12月4日写给玻恩的信

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