人文物理(量子论).ppt

人文物理 量子论中的物理思想和人文精神 物理学作为一门科学 它的形成和发展经历了近四 五百年的历史 到19世纪末 经典物理学理论体系的大厦巍然耸立 使人们普遍产生了一种错觉 认为物理学的发展已经完成 人们对物理世界的解释已经达到了终点 宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去 著名德国物理学家基尔霍夫曾表示 物理学将无所作为了 至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了 在刚刚跨入20世纪的第一天 英国著名的物理学家开尔文在 元旦献词 中曾经说过 在已经建成的大厦中 后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作 与众不同的是他又敏锐地发现 在物理学晴朗的天空里 还有两朵小小的令人不安的乌云 这两朵乌云指的是当时物理学无法解释的两个实验 一个是热辐射实验 另一个是迈克尔逊 莫雷实验 X射线 放射性和电子的三个发现 揭开了近代物理的序幕 当物理学进入20世纪 就诞生了量子论和相对论 开创了近代物理学 十九世纪末物理学的三大发现 1895年德国物理学家伦琴发现X射线1896年法国物理学家贝克勒尔发现放射性1897年英国物理学家汤姆逊 发现了电子 普朗克 开创物理学新时代的 量子 概念的提出者 德国著名物理学家麦克斯 普朗克少年时就酷爱科学和艺术 中学毕业后对于人生道路的选择举棋不定 究竟是为科学奋斗终身呢 还是献身于音乐 普朗克几度徘徊 反复思考 最终还是选定了科学 1900年10月19日 在德国物理学会年会上 普朗克以 维恩辐射定律的改进 为题 报告了他修改后的公式 应当指出 普朗克公式当时完全是参照实验结果凑出来的 至于它的物理解释是什么 还是一个谜 鲁本斯把这 幸运地猜出来的内插公式 同最新的实验结果比较 发现 该公式在全波段与实验结果惊人地符合 普朗克也没有满足内差公式的成功 他在给伍德的信的信中写到 这属于物理方面的基本问题 一定要不惜任何代价 找到一个理论根据 普朗克十分明白 必须在热力学和电磁理论之外去寻找这个公式的依据 因为所有经典理论都已用尽了 普朗克又紧张工作了两个月 他终于发现 要对这个公式作出合理的解释 唯一的出路是作出一个大胆的假设 腔壁上的谐振子在发射和吸收电磁辐射时 能量不是连续变化的 而是以一定份额的整数倍跳跃式变化的 1900年12月24日 普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了题为 关于正常光谱的能量分布定律 的论文 提出了与经典物理学格格不入的能量量子化假设 辐射黑体是由带电的谐振子组成 这些谐振子的能量只能处于能量子 的整数倍 即 2 3 4 n n为正整数 称为量子数 对于频率为的谐振子来说 能量子为 hv 式中h是为普朗克常数 普朗克的能量子假设是对经典物理学基本观念的严重冲击 我们必须对这个假设作一审慎考察 普朗克的能量子假设是对微观谐振子模型作出的 如果这一假设正确 那么把它的结论引伸到宏观谐振子模型 应该不会发生矛盾 而宏观谐振子的理论结果已经为大量实验证明是完全正确的 对新理论的这种要求是玻尔后来提出的 关于对应原理 我们在对狭义相对论的讨论中已经使用过 如洛仑兹变换在v c时能够自动退回到伽利略变换 就符合对应原理的要求 能量子概念的哲学意义 普朗克的量子理论是牛顿以后自然哲学所经受的最巨大 最深刻的变革 它的影响绝不仅局限于物理学一门学科 它已经深远地触及到了人类 认识 本身的种种问题 自从17世纪以来 一切过程都是连续的 这条原理几乎被认为是理所当然的 牛顿创立的微积分学 无限小量的演算方法 的基本精神正体现了这一点 在18世纪和19世纪的许多科学家心目中 也认为这条原理是勿庸置疑的 麦克斯韦的电磁理论以微分方程组的形式表现 使这种思想再一次获得认同 但是 能量子概念的提出 使连续性的观念破坏了 它表明 在自然界中存在着这样一些过程 它们的发生不是平稳的 而是跃变的 按照普朗克的说法是爆炸式的 能量子现象的揭示向世人宣告 过去我们在假设一切因果关系都是连续的基础上建立起来的物理思想和方法 必须加以彻底的改造 科学的新时代从普朗克这儿开始了 普朗克所作的研究其突出意义在于 他大胆地脱离了经典物理学的轨道 采用了辐射系统与辐射场间以不连续的方式交换能量的概念 对这种离经叛道的行为 当时的科学家们难以接受 据资料表明 从1900年到1904年 几乎找不到关于普朗克假设的研究与评论论文 科学界的沉默 说明他们完全没有悟到普朗克发现的意义 其实就是普朗克本人 虽因实验事实迫使他提出了能量子假设 但他自己也觉得难以置信 因而思想矛盾 犹豫不决 他曾说 能量子的存在 纯粹是一种形式上的假设 但后来又说 这个假设正为一种理论打下基础 它今后会使人们对分子世界迅速而微妙的过程产生新的见解 据普朗克儿子的回忆 那时普朗克曾说 他的发现要么荒诞不经 要么也许只有牛顿的发现可以和他相比 狭义相对论到1905年才发表 普朗克作出了一项伟大的发现 但他自己却非常保守 面对后来的种种批评 他步步退缩 总想把自己的发现纳入到经典理论的框架中去 1911年 他发表 论量子发射的解说 一文 把谐振子对辐射场吸收过程的不连续性取消了 1914年 他在 量子解说的另一种表述法 一文中 干脆把发射过程的不连续性也取消了 其实他非常清楚 只有能量子假设才符合实验事实 作出这一假设是因为经典理论已经用尽了 可见 旧观念对人们思想的影响多么深重 科学的发展的道路在普朗克的脚下向前延伸了一步 现在却由不得他倒退了 1911年的诺贝尔物理学奖没有授予普朗克 却授予了维恩 因为他给出了与实验不完全符合的维恩公式 足见评委们因为接受不了新观点而产生了误判 直到7年后的1918年 普朗克才因为黑体辐射公式被授予诺贝尔物理学奖 卢瑟福 核物理之父 第一个钻到原子中心的人 英籍新西兰物理学家 汤姆孙的学生 1898年在加拿大麦吉尔大学担任物理学教授 1907年他回英国曼彻斯特大学任教 1919年应邀到剑桥接替汤姆孙担任卡文达什实验室主任 1925年当选为英国皇家学会主席 1931年受封为纳尔逊男爵 卢瑟福对科学的重要贡献主要有三方面 第一方面是关于放射性的研究 荣获1908年度诺贝尔化学奖 第二方面是1911年提出了原子的有核结构模型 第三方面是1919年人工核反应的实现 此外 他还预言了中子的存在 他的名字命名为放射性强度的单位 卢瑟福的科学精神和物理方法 1 抓住关键问题进行一系列准确而简单的实验 2 理论与实验的紧密结合 3 特殊的勤奋 敏锐的洞察力和丰富伪科学直觉 在诺贝尔化学奖受奖演说中 他描述了他和盖革长时间利用低倍显微镜在暗室中 枯燥地 计数a粒子击中硫化锌屏上的闪烁次数 并与其他方法比较 这样的工作精神也导致原子有核结构的发现 正是在这些目的明确 烦琐 单调的常规工作中 实验者的耐心和毅力导致了辉煌的成就 在1929年皇家学会曾以 理论与实验 为题说过 每一个新的实验观察立即被抓住 以检验它是否能被现有的理论所解释 如果不能 就要寻求理论图式中的改正 过去十年中物理学明显的迅速发展 主要是由于理论与实验的密切结合 剑桥大学卡文迪什实验室 以英国物理学家和化学家卡文迪什命名相当于英国剑桥大学的物理系是世界物理学研究的重要中心之一 第一任主任第二任主任第三任主任第四任主任 麦克斯韦瑞利汤姆孙卢瑟福 第五任主任第六任主任第七任主任第八任主任现任主任 布拉格莫特派帕德爱德华兹弗伦德 剑桥大学卡文迪什实验室在汤姆孙和卢瑟福两代科学家领导下英杰辈出 1921年卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖 1922年卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖 1922年卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖 1927年卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖 1935年卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖 1948年卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖 1951年卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿共同获得诺贝尔物理奖1978年卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖 玻尔 原子物理学及量子力学奠基人 丹麦物理学家 1909年和1911年分别获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位 曾到英国剑桥卡文达什实验室进修 师从卢瑟福 哥本哈根学派的创始人 是二十世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的最伟大物理学家 量子论的创立过程中 德国的物理学家作出了特殊的贡献 尤其是爱因斯坦 从普朗克提出能量子假设的最初十年中 对量子概念的发展立下了不朽的功勋 量子概念最初只是少数学者持有的观点 可到了1910 1911年前后 物理学家的看法一般都开始走向支持这个观点 科学从来都不遵守少数服从多数的原则 也从不向权威屈从 1909年9月21日 在萨尔斯堡的物理科学家会议上 爱因斯坦发表了演讲 量子问题首次登上了物理学的中心舞台 到1913年 量子概念从四面八方突破了德语世界的边界 成为在英 法等国使人感兴趣的论题 这一年 玻尔利用普朗克的能量子概念为解决当时物理学中最重要的问题 即原子结构的稳定性问题获得了成功 玻尔的逻辑是 如果微观系统只能以量子化的方式吸收或发射量子化的场 那么最简单的解释就是 假设微观系统的能量都被限制为分立的结构 这时的玻尔是一位28岁的研究生 他作为访问学者在著名的卡文迪什实验室工作 因而他很熟悉卢瑟福的原子行星模型 同时他也很了解普朗克 爱因斯坦的新思想 玻尔当时的研究课题是 卢瑟福模型的稳定性问题和原子光谱线状结构成因的解释 玻尔理论成功地解释了原子的稳定性 原子的大小及氢原子光谱的规律性 玻尔理论中的定态 量子化 跃迁等概念现在仍然有效 玻尔的出色工作 使物理学的发展达到一个里程碑 量子论完成了它的创生过程 由于研究原子结构和原子辐射的贡献 玻尔荣获1922年诺贝尔物理学奖 玻尔的一生成就显著 他的论文遍及物理学 哲学 生物学 生理学 医学 人类学等方面 他是著名的科学家 也是情操高尚的学者 并且兴趣广泛 年轻时还是丹麦国家足球队队员 尼尔斯 玻尔研究所 玻尔于1921年3月倡导成立的哥本哈根理论物理研究所 被物理学家誉为 物理学界的朝拜圣地 和 量子力学的诞生地 尼尔斯 玻尔研究所积极提倡科学上的国际合作 一些世界著名的物理学家都曾在这里工作 学习或讲学 访问 几十年来 哥本哈根理论物理研究所培养了600多名外国学者 其中很多人成为世界著名的科学家 获得诺贝尔奖金的就有10人以上 这个研究所之所以能取得辉煌的成就 主要原因是这里有一种闻名于世的哥本哈根精神 即 谦虚 坦率 热烈 自由 平等的学术讨论和充分的国际合作精神 正是这种优良的精神品德 使他们成功地建立了世界一流的理论物理学派 哥本哈根学派 哥本哈根精神 1 科学国际主义 2 独特的研究风格 平等和自由地交谈和讨论 海森伯名言 科学扎根于讨论之中 玻尔理论的美学意义 玻尔对卢瑟福的原子核模型进行了量子化轨道的处理 玻尔提出了 定态 和 跃迁 两个公设 玻尔理论的美 在于出色地从两个公设出发 演绎出电子运动轨道半径 能量与能级 把有关原子的两套信息 化学性质的周期性与原子光谱的不连续性有机地结合在一起 这成功地摆脱了卢瑟福核式模型的困难 绝妙地解释了原子结构的稳定性 互补性原理 玻尔认为在微观世界中 应当彻底改变对于宇宙和谐与秩序的审美习惯 必须承认一切最基本的概念 包括时空概念和因果概念都有它们的适用界限 当应用某些为我们曾经习惯的经典概念来描述微观现象时 必然会排除另一些经典概念同样完美地描述微观世界的情况 而这些受到排斥的另一些经典概念 在描述另一种条件下的微观现象时却是不可缺少的 玻尔认为 合乎因果性要求的时空描述 只适用于宏观现象的一种近似的 极限的情况 因为观察过程对微观现象的测量结果要产生影响 所以在微观世界中应当代之以 互补 描述的审美习惯 玻尔对 互补 的理解 互补一词的意义是 一些经典概念的任何确定应用 将排除另一些经典概念的同时应用 而这另一些经典概念在另一种条件下却是阐明现象所同样不可缺少的 这就是说 玻尔认为在微观粒子中 波粒二象性的要求本身就是互斥互补的 只有把这些互斥互补的概念集合在一起 才能完美地体现微观运动物质的各种性质与状态 1937年 玻尔偕同夫人及次子周游世界 到日本后 他应当时清华大学理学院院长吴有训的邀请来到中国 先后游历了北京 南京 杭州等地 在中国逗留期间 玻尔对我国古代的阴阳八卦学说及老子思想十分欣赏 认为这是对他的互补性原理的最形象的说明 他曾经引用老子 道德经 中的词句作为自己论文的题头词 他还根据阴阳太极由来设计他家族的族微 以阴阳互补性来表示他的互补性原理 有些人据此认为 玻尔的科学美学思想就是东方的神秘主义 我们说 阴阳互补 对立统一 这虽然是中国古代朴素的辩证法思想和科学美学理想 但是玻尔通过对微观世界的认识 在现代条件下同样得到了这种科学美学的认识 互补性原理成为哥本哈根学派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则 甚至扩展成所谓的互补哲学 受到各界人士的青睐 玻尔以中国的阴阳太极图作为哥本哈根学派的族徽 以标示这貌似简单 实为诡秘的互补原理 德布罗意 波动力学的创始人 物质波理论的创立者 法国著名理论物理学家 1910年获巴黎大学史学学士学位 1913年又获理学士学位 1924年获巴黎大学博士学位 在博士论文中首次提出了 物质波 概念 在20世纪的20年代 量子论的研究中心是英国的剑桥 曼彻斯特 丹麦的哥本哈根和德国的哥庭根 慕尼黑 可是下一个重大突破 却产生在这中心以外的法国巴黎 一个至今都令人迷惑的思想 由一个当时还是研究生的小人物德布罗意提出了 德布罗意早先是学文史的 18岁获得巴黎大学历史学士学位 又学了一年的法律 但在他哥哥的影响下 对物理学发生了兴趣 他哥哥当时是著名的X射线物理学家 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应和康普顿效应这个物理学上的重大事件引起了德布罗意的极大关注 他看到 对于光的本性的探索 人类争论了几个世纪 一类实验表明 光具有波动性 另一类实验表明 光具有粒子性 那么光究竟是波还是粒子呢 德布罗意意识到 爱因斯坦提出的是一个全新的见解 波与粒子的统一性见解 光既不是波也不是粒子 而是兼有这两种属性的客观实在 德布罗意推想 既然过去被当作波的光同时又具有粒子性 那么过去一向被当作粒子的实物微粒 如电子 会不会反过来也具有波动性呢 典型的对称性类比推理思维 又带有浓厚的史学研究方法的色彩 1923年9月10日 在 法国科学院会议通报 第177卷上 德布罗意发表了这一看法 德布罗意指出 爱因斯坦对光量子的描述应该也适用于 实物粒子 德布罗意关于物质波的假设当时并没有引起很大注意 这除了由于 法国科学院会议通报 是一个不太为人注意的杂志外 还有以下的原因 首先 这个假设只是对玻尔量子化条件的一种解释 从中并没有得出新的结论 其次 由于经典物理的传统观念 这种将粒子既看成是粒子又看成是波的观念太超乎一般人们的认识 德布罗意也说过 他的这些想法很可能被看成是 没有科学特征的狂想曲 1924年11月 德布罗意发表了他的博士论文 关于量子理论的研究 在答辩会上 考试委员会主席问他 怎样才能在实验上观察到你设想的电子波能 他回答建议用电子在晶体上作衍射实验 奇怪的是 考试委员会竟通过了他的答辩 却没有任何人相信他是对的 就连他的哥哥以及他的导师 考试委员会成员之一 著名物理学家朗之万都不愿意在自己的实验室做这项实验来检验德布罗意的假设 不过朗之万作了一件好事 他将德布罗意的论文寄了一份给爱因斯坦 爱因斯坦如获至宝 德布罗意的电子波动性假设与他的光场量子化假设正好是一对 小兄弟德布罗意作了一项极有意义的努力 这是对物理学最难以揭开的奥秘所作的初步解释 这个见解独具一格 具有真知卓见的爱因斯坦是最喜欢对称性的 他热情洋溢地指出 由于爱因斯坦的推荐 人们开始注意物质波的假设 1927年 美国物理学家戴维逊 革末用电子衍射实验验证了电子波的存在 汤姆逊和戴维逊则因证实电子具有波动性而分享了1937年的诺贝尔物理学奖 1929年 德布罗意因发现电子的波动性获诺贝尔物理学奖 接着约恩逊于1961年成功地获得了电子束的单缝衍射 双缝干涉等实验 于是 微观粒子具有波粒二象性得到了公认 光的杨氏双缝干涉图样 电子双缝干涉图样 x射线衍射 中子衍射 薛定谔 波动力学的创始人 薛定谔 奥地利人 是著名的理论物理学家 量子力学的重要奠基人之一 他同时在固体的比热 统计物理 原子光谱及镭的放射性等方面的研究都有很大成就 薛定谔对科学的重要贡献主要有二方面 第一方面是创立波动力学 1924年 法国物理学家德布罗意首先提出了物质波理论 在这一理论的基础上 薛定谔于1926年独立地创立了波动力学 提出了薛定谔方程 确定了波函数的变化规律 这些理论现在已成为研究原子 分子等微观粒子的有力工具 并奠定了基本粒子相互作用的理论基础 薛定谔波动方程提出之后 在微观物理学中得到了广泛的应用 薛定谔 狄拉克分享1933年诺贝尔物理学奖 第二方面是推动分子生物学的发展 1944年 薛定谔还发表了 生命是什么 活细胞的物理面貌 一书 在此书中 薛定谔试图用热力学 量子力学和化学理论来解释生命的本性 引进了非周期性晶体 负熵 遗传密码 量子跃迁式的突变等概念 这本书使许多青年物理学家开始注意生命科学中提出的问题 引导人们用物理学 化学方法去研究生命的本性 使薛定谔成了今天蓬勃发展的分子生物学的先驱 薛定谔对哲学有浓厚的兴趣 晚年 他致力于物理学基础和有关哲学问题的研究 写了 科学和人文主义 当代的物理学 薛定谔方程建立的物理方法和美学思想 薛定谔首先把物质波表示成数学形式 又致力于寻找决定原子体系的力学方程 他希望通过这种方程的解自然地得到量子化结果 并能正确地预见一系列实验结果 薛定谔注意到 德布罗意是通过光与实物粒子的类比提出波粒二象性的 他就接着把与光和粒子相关的理论也作了个类比 也许通过这种类比能打开通往量子力学基本方程的通道 关于德布罗意波的理论 波动力学 波动性理论 经典力学 粒子性理论 关于光的理论 波动光学 几何光学 波动性理论 粒子性理论 由这个类比薛定谔猜测 量子基本方程应该是波动方程 但是这个波动方程又不可能与经典波动方程一样 因为利用它 既要能够描写微观粒子的干涉 衍射 偏振等波动性行为 又要能够自然的给出量子化结果 能量量子化 角动量量子化等 目标确立 要建立一个波动方程 怎样才能做到这一点呢 薛定谔又注意到 从波粒二象性观点看 能量量子化必然和频率量子化有关 而德布罗意告诉人们 驻波方程是能够自动地给出频率量子化的 薛定谔由此把握到 量子基本方程应该具有驻波方程的结构 在薛定谔建立波动力学的过程中 类比方法起了很大的作用 薛定谔本人曾说过 从通常的力学走向波动力学的一步 就象光学中用惠更斯理论来代替牛领理论所迈进的一步相类似 我们可以构成这种象征性的比例式 通常力学 电动力学 几何光学 波动光学典型的量子现象就类比于衍射和干涉等典型的波动现象 薛定谔的科学美学思路是音乐式的 人们早已知道 琴弦 风琴管的振动符合类似形式的波动方程 而一个波动方程 只要附加一定的数学条件 便会产生一些数列 薛定谔决意根据这种科学美学见解 创造一种原子理论 结果 薛定谔如愿以偿 求得了电子的波动方程 这是一个相当美妙的方程 在这个方程中 m E V体现着电子的微粒性 而 则体现为电子的波动性 方程把电子的波粒二象性完美地统一起来了 一场在20世纪传为佳话的科学争论 爱因斯坦与玻尔分别于1921年和1922年获得诺贝尔物理学奖 在20世纪物理学的发展中 爱因斯坦和玻尔是两位最伟大的科学巨匠 他们都创造了现代物理学的辉煌 然而他们对现代物理学的基本问题却有着自己独特而深刻的见解 由此引起了长期的争论 成为两个最伟大的心灵之间的冲突 两位科学巨匠争论的问题 主要不在于量子理论本身的内容与形式 而在于量子理论的解释方面 即关于作为量子理论基本特征的不连续性与统计性的说明方面 因此 争论主要发生在1927年哥本哈根学派系统地提出量子力学解释以后 但随着量子理论的不断成熟 两位科学巨匠思想上的差别也不断明显 爱因斯坦的观点 在自然界不存在概率性 而应该服从因果律 无论如何我坚信 上帝是不会掷骰子的 玻尔的观点 量子物理的基本规律是统计规律 大自然的一切规律都是统计性的 经典因果率只是统计规律的极限 第五次索尔维会议与会者合影 1927年 第五届索尔维会议主题是 光子和电子 哥本哈根学派 波尔 波恩 海森伯 爱因斯坦派 爱因斯坦 德布罗意 薛定谔 实验派 布拉格 康普顿 海森伯的回忆 讨论很快就变成一场爱因斯坦和波尔之间的决斗 玻尔和爱因斯坦是在1920年相识的 那一年 年轻的玻尔第一次到柏林讲学 和爱因斯坦结下了长达35年的友谊 但也就是在他们初次见面之后 两人即在认识上发生分歧 随之展开了终身论战 他们只要见面 就会唇枪舌剑 辩论不已 他们的论战长达30年之久 直至爱因斯坦去世 但是 长期论战丝毫不影响他们深厚的情谊 他们一直互相关心 互相尊重 爱因斯坦本来早该获得诺贝尔奖 但由于当时有不少人对相对论持有偏见 直到1922年秋才回避相对论的争论 授予他上年度诺贝尔物理奖 并决定把本年度的诺贝尔物理奖授予玻尔 这两项决定破例同时发表 而玻尔对爱因斯坦长期未能获得诺贝尔奖深感不安 怕自己在爱因斯坦之前获奖 因此 当玻尔得知这一消息后非常高兴 立即写信给旅途中的爱因斯坦 玻尔非常谦虚 他在信中表示 自己之所以能取得一些成绩 是因为爱因斯坦作出了奠基性的贡献 因此 爱因斯坦能在他之前获得诺贝尔奖 他觉得这是 莫大的幸福 爱因斯坦在接到玻尔的信后 当即回了信 信中说 我在日本启程之前不久收到了您热情的来信 我可以毫不夸张地说 它象诺贝尔奖一样 使我感到快乐 您担心在我之前获得这项奖金 您的这种担心我觉得特别可爱 它显示了玻尔的本色 用物理感悟人生