爱因斯坦与量子理论

,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,爱因斯坦与量子理论,爱因斯坦生平,1879,年,3,月,14,日，,爱因斯坦,出生在德国巴登符腾堡州乌尔姆市一个犹太人家庭。次年，全家迁往慕尼黑。,爱因斯坦,幼年并未表现出过人的才华。他先在慕尼黑读高中，未毕业就退学，后转入瑞士阿劳市的州立中学。,1896,年，,爱因斯坦,进入瑞士苏黎世联邦工业学院学习数学和物理学，毕业后成为一名老师。,爱因斯坦,喜爱教书育人，但成为一名物理学家却是他无法放弃的梦想。,爱因斯坦生平,1902,年，,爱因斯坦,在瑞士首都伯尔尼当上了一名专利局的审查员。专利局工作的轻松让,爱因斯坦,得以继续致力于科学研究。,1905,年，年仅,26,岁的,爱因斯坦,发表了三篇论文，在物理学三个不同领域取得了历史性成就，特别是狭义相对论的提出，使人类对于空间、时间和物质运动的认识发生了革命性变化，标志着物理学新纪元的到来。,爱因斯坦生平,1914,年，,爱因斯坦,返回德国，进入普鲁士科学研究所从事科学研究，兼任柏林大学教授。,1915,年，,爱因斯坦,发表广义相对论。这是继狭义相对论之后，近代科学的又一个重大成就。,1919,年，英国天文学家爱丁顿的日全食观测结果证实了,爱因斯坦,所作的光线经过太阳引力场会弯曲的预言。,爱因斯坦,由此声名鹊起，相对论成为人们家喻户晓的名词。,爱因斯坦生平,1921,年，,爱因斯坦,因在光电效应方面的研究而被授予诺贝尔物理学奖。,1933,年由于纳粹德国反犹太主义狂潮，,爱因斯坦,被迫移居美国，,1940,年获得美国国籍。,1955,年,4,月,18,日，,爱因斯坦,在美国普林斯顿辞世。,爱因斯坦主要成就,相对论（,1905,狭义相对论；,1915,广义相对论）,光电效应,布朗运动,激光受激辐射理论,狭义相对论基本原理,一切物理规律对于任何惯性系都是不变的,光速不变,广义相对论简介,一切物理规律对于任何参考系（不限于惯性系）都是不变的,光速不变,等效原理：惯性质量,=,引力质量,爱因斯坦对量子理论的贡献,1901,年 发表第一篇科学文章，关于毛细现象,1905,年 光量子假说,1906,年 固体比热理论，指出普朗克量子假说的真实物理含义,1909,年 光的波粒二象性思想,1916,年 普朗克公式的重新推导，受激辐射理论,1924,年 玻色,-,爱因斯坦统计,爱因斯坦对量子理论的贡献,1925,年 对德布罗意物质波思想的支持，促使薛定谔建立波动力学,1926,年 开始探索通过统一场论来表述完备的量子理论,1927,年 最早注意到量子力学与相对论的不相容性，开始反对玻尔等人的哥本哈根解释,1935,年 发表,EPR,文章，利用定域性假设论证量子力学的不完备性,1952,年 反对玻姆的隐变量理论,光量子,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的。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子的能量和动量表达式，即,E=,hv,及,P=,h,，式中,h,是普朗克恒量，,v,和,依次是单位时间内的振动次数和单位长度上的波数。利用这一光量子假说，爱因斯坦成功地解释了经典电磁场理论无法解释的光电效应等实验现象。,光量子,光量子假说是一个如此反传统的假说，以至于在爱因斯坦提出之后几乎没有人相信它，量子理论的另两位奠基人普朗克和玻尔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证明了爱因斯坦对于光电效应的解释是正确的，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命名为光子（,photon,）。,物质的波粒二象性,爱因斯坦不仅最早将粒子特性赋予光波（,1905,），而且还最早将波特性赋予了理想气体分子（,1924,），可以说，是爱因斯坦最早注意到了物质的波粒二象性。由于波粒二象性被证明是自然界中一切物质运动的最基本的量子特性，因此爱因斯坦的这一发现甚至比他的相对论更为重要。,1909,年，爱因斯坦严格证明了辐射，即光子具有波粒二象性，并指出了已被实验验证的普朗克辐射公式同时包含了辐射的这两种对立的属性。,物质的波粒二象性,光的波粒二象性的发现也许是爱因斯坦对量子理论所做出的最大贡献，它首次揭示了光的量子特性，即光不仅具有波动性，同时也具有粒子性。正是光的波粒二象性概念进一步引导德布罗意提出物质波假说（,1923,），将光子的波粒二象性赋予了所有物质粒子，并最终促使薛定谔建立了量子理论的波动力学形式（,1926,）。,量子力学与相对论的不相容性,1927,年，爱因斯坦参加了在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议，他在这次会议上第一次公开对量子力学发表意见。爱因斯坦在会后讨论的发言中指出，如果量子力学是描述单次微观实在过程的理论，则量子力学与相对性原理不相容。爱因斯坦的这一分析是关于量子力学与相对论的不相容性的最早认识。,量子力学与相对论的不相容性,1935,年，爱因斯坦在论证量子力学不完备性的,EPR,文章中，再一次揭示了量子力学的完备性同相对论的定域性假设之间存在矛盾。,EPR,文章促使人们对定域性假设的有效性进行了更加深入的研究，这些研究大大加深了人们对量子非定域性的认识。,在爱因斯坦看来，量子力学由于违反相对论而必然是错误的，至少是不完备的。,爱因斯坦,-,玻尔之争,爱因斯坦,-,玻尔的讨论与争论开始于,1927,年,10,月的索耳维（,Solvav,）会议。在那次会议期间，爱因斯坦不接受不确定性原理（这年的,3,月发现该原理）并试图构思出一些思想实验，使之能超越不确定性关系的局限。玻尔则能通过爱因斯坦,-,德布罗意关系而扭转每一种情况。爱因斯坦在他的关于一个放射性原子的能量与它衰变时间的知识的思想实验被玻尔诉诸爱因斯坦自己的广义相对论（引力论）而作出成功回答之后，最终放弃了要找出“违背”不确定性关系的事例的任何进一步的努力。,爱因斯坦,-,玻尔之争,爱因斯坦相信，自然界是决定论的（“上帝是不掷骰子的”）。他接受量子力学（概率）分布的结果，但他希望把概率诠释为是在我们讨论许多原子时出现的，如同我们在讨论气体动理论时出现的那样，而不是单个原子的内禀概率。现在，在动理论中，使用概率方法是为了方便，但基础则是决定论的动力学定律。因此爱因斯坦的观点已导致了许多关于量子力学概率是否也具有一种内在的决定论基础的理论探索。在动理论中，最终只有平均值（宏观概念）出现，分子坐标和动量不再出现。因此，问题就成了量子力学中是否有“隐变量”存在。研究似乎表明，在量子力学目前的形式中，回答是否定的。,爱因斯坦,-,玻尔之争,然而，这个结果并没有改变爱因斯坦的基本观点，因为这种情况并非是量子力学还是爱因斯坦对或不对的一种“证明”，而正体现了爱因斯坦关于物理理论本质的观点。爱因斯坦坚持，一个“完备的”物理理论必须包含物理实在的一切元素，而目前的量子力学由于不能同时给出例如,p,和,q,的精确知识，所以它是“不完备的”。换言之，爱因斯坦不满意目前的量子力学，因为它从根本上否定确定性知识。,爱因斯坦,-,玻尔之争,:EPR,佯谬,1935,年美国,物理评论,的第,47,、,48,期上分别发表了两篇题目相同的论文：“物理实在的量子力学描述能否认为是完备的？”在,47,期上署名的是：爱因斯坦、波多尔斯基和罗森,(Einstein-,Podolsky,-Rosen),，在,48,期上署名的是玻尔,(N.Bohr),。,EPR,是前三位物理学家姓的头一个字母。,EPR,悖论,(EPR Paradox),是这三位物理学家为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论，又称,EPR,论证或,EPR,悖论。这个悖论涉及到如何理解微观物理实在的问题。,爱因斯坦,-,玻尔之争,:EPR,佯谬,爱因斯坦等认为，如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的，那么物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量，即完备性判据。当我们不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量，即实在性判据。他们认为，量子力学不满足于这些判据，所以是不完备的。爱因斯坦等人认为，量子力学蕴涵着,EPR,悖论，所以不能认为它提供了对物理实在的完备描述。,爱因斯坦,-,玻尔之争,:EPR,佯谬,面对爱因斯坦等人的反驳，玻尔对,EPR,实在性判据中关于“不对体系进行任何干扰”的说法提出了异议，认为“测量程序对于问题中的物理量赖以确定的条件有着根本的影响，必须把这些条件看成是可以明确应用物理实在这个词的任何现象中的一个固有要素，所以,EPR,实验的结论就显得不正确了”。玻尔以测量仪器与客体实在的不可分性为理由，否定了,EPR,论证的前提,物理实在的认识论判据，从而否定了,EPR,实验的悖论性质。,爱因斯坦,-,玻尔之争,:EPR,佯谬,应该说，玻尔的异议及其论证是无可非议。可是，爱因斯坦却不承认玻尔的理论是最后的答案。爱因斯坦认为，尽管哥本哈根学派的解释与经验事实一致，但作为一种完备的理论，应该是决定论的，而不应该是或然的、用概率语言表达的理论。,爱因斯坦,-,玻尔之争,:EPR,佯谬,从科学史上看，量子力学基本上是沿着玻尔等人的路线发展的，并且取得了重大成就，特别是通过贝尔不等式,(Bells theorem),的检验更加巩固了它的基础。,爱因斯坦,-,玻尔之争,:EPR,佯谬,也许你会说：在这场世纪大争论中，玻尔是胜利者，而爱因斯坦则是失败者。然而，如果没有这场大争论，怎么会有学者提出隐参量理论，怎么会出现了,Bell,不等式以及以后一系列以,Aspect(,阿斯佩克,),为首的精确实验？它们无异议地支持并深化了正统量子力学观点，同时也开辟了量子信息学等这样一些有广大应用前景的新研究方向。由此看来，无论是玻尔还是爱因斯坦，都在这场争论中大大促进了量子物理学在纵和横两方面的巨大发展。,爱因斯坦,-,玻尔之争,:EPR,佯谬,爱因斯坦于,1905,年创立了狭义相对论，于,1915,年建立了广义相对论，然而，他一生的大部分时间都在思索量子的神秘本质，并试图建立一种更完备的量子理论。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”。今天，人们更没有理由骄傲自满，我们必须完成爱因斯坦未竟的科学事业，而在这一探索旅程中，他的探索精神和深邃思想仍将一直激励并指引我们前进。,附：一点说明,上面的资料基本都是从网上搜索来的，我们只是整合了一些资料而已。对于这次量子力学电子作业，我们投入的并不是很多，我们本应该做得更好。,小组成员：,郑浩彬,0410334,张吉强,0410348,杨辉云,0410320,