1量量 子子 力学力学2在在2020世纪初，发生了三次概念上的革命，世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是这就是狭义相对论狭义相对论（1905年）、年）、广义相对广义相对论论（1916年）和年）和量子力学量子力学（1925年）。年）。 杨振宁杨振宁课程简介课程简介 量子力学是反映微观粒子运动规律的理论，是20世纪自然科学的重大进展之一。使学生深入理解微观世界矛盾的特殊性和微观粒子的运动特性；u掌握描述微观体系运动的方法，即量子力学的基本原理和方法；u使学生了解量子力学的发展和在现代科学技术中的广泛应用。第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 波函数和波函数和 Schrodinger Schrodinger 方程方程 第三章第三章 量子力学中的力学量量子力学中的力学量第四章第四章 态和力学量表象态和力学量表象 第五章第五章 微扰理论微扰理论第六章第六章 散射（自学）散射（自学） 第七章第七章 自旋与全同粒子自旋与全同粒子多体问题，相对论性电子理论，量子场理论多体问题，相对论性电子理论，量子场理论第一章第一章 绪论绪论广广泛泛应应用用到到从从粒粒子子物物理理、原原子子核核、原原子子分分子子、凝凝聚聚态态物物理理直直到到中中子子星星、黑黑洞洞等等各各个个物物质质层层次次的的研研究究，并并且且现现代代科科学学技技术术从从原原子子弹弹、氢氢弹弹到到核核电电站站，从从激激光光技技术术、超超导导技技术术到到显显微微技技术术、纳纳米米技技术术，从从集集成成电电路路、电电子子计计算算机机到到未未来来的的通通讯讯技技术术、量量子子计计算算机机，无无不不以以量量子子力力学学为为其其理理论论基基础础. . 随随着着新新的的量量子子现现象象的的不不断断涌涌现现, , 可可以以预预计计量量子子力力学学的的实实用用性性会会更更加加突突出出, , 一一批批新新的的交交叉叉学学科科将将会会应应运运而而生生. .可可以以毫毫不不夸夸张张地地说说, , 没没有有量量子子力力学学就就没没有有现现代科学技术代科学技术. . 量子力学成为量子力学成为现代文明发展的基石现代文明发展的基石。11具有具有划时代划时代意义的量子论意义的量子论-产生了半导体学科和技术产生了半导体学科和技术-改变了人类的生活水平改变了人类的生活水平-出现了我们这些专业。出现了我们这些专业。-引起了科学界的一场大革命引起了科学界的一场大革命物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式* *技术技术 物理物理 技术（典型例子：热学）技术（典型例子：热学）* *物理物理 技术技术 物理（典型例子：电磁学）物理（典型例子：电磁学）19271927年起，量子力学应用于固体物理，并年起，量子力学应用于固体物理，并导致了半导体、激光、超导研究的发展，导致了半导体、激光、超导研究的发展，此后由此又导致了半导体集成电路、电子、此后由此又导致了半导体集成电路、电子、通信、电子计算机的发展，使人类进入信通信、电子计算机的发展，使人类进入信息时代息时代.。电子和信息技术的物理基础电子和信息技术的物理基础19251925年年 量子力学建立量子力学建立19261926年年 Fermi-Dirac Fermi-Dirac 统计法提出统计法提出19291929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释能带理论提出并得到证实，从理论上解释 了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；了导体、半导体、绝缘体的性质和区别； Fermi Fermi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出19471947年年 发明晶体管发明晶体管 （肖克莱、巴丁、布拉顿获（肖克莱、巴丁、布拉顿获19561956年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）19571957年年 建立建立FermiFermi面编目面编目19621962年年 制成集成电路（制成集成电路（ICIC） 19651965年摩尔定律：芯片容量每年摩尔定律：芯片容量每18182424个月翻番。个月翻番。7070年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLICVLIC）核技术的物理基础核技术的物理基础18961896年年 Becquerel Becquerel 发现铀的天然放射性发现铀的天然放射性19051905年年 Einstein Einstein 创立狭义相对论，得创立狭义相对论，得19111911年年 Rutherford Rutherford 提出原子的有核模型提出原子的有核模型19251925年年 量子力学建立量子力学建立19321932年年 建立原子核的建立原子核的 质子质子中子中子 模型模型19331933年年 发现人工放射性发现人工放射性19451945年年 实现核裂变实现核裂变原子弹原子弹19521952年年 实现核聚变实现核聚变氢弹氢弹19541954年年 建立第一座核电站建立第一座核电站（安全、清洁、经济的能源）（安全、清洁、经济的能源）直接从物理实验室移植到工业上的新技术直接从物理实验室移植到工业上的新技术纳米（纳米（ ）技术）技术皮秒（皮秒（ ）技术）技术超导技术超导技术.IBMIBM公司构成公司构成的铂片表面的的铂片表面的“一氧化碳人一氧化碳人”身高身高5 5纳米。纳米。生命科学（遗传，基因，科隆）1932年玻尔“生命和光”演讲1945年薛定厄生命是什么？活细胞的物理观德尔布吕克 诺贝尔生理学或医学奖、诺贝尔生理学或医学奖、金融界金融界罗杰斯罗杰斯 量子基金量子基金百年诺贝尔物理奖（19012002）共97次，直接由量子理论得奖 25次 与量子理论密切相关的32次 nuture杂志2000年总结100年来文章，指出21篇具有里程碑性的文章。其中与量子力学有关的占14篇。目前物理研究重点：量子理论的框架下的弱电统一的标准模型；量子理论框架下宇宙起源和黑洞理论杨振宁杨振宁 否否定定弱弱相相互互作作用用下下宇宇称称守守恒恒定定律律，使使基基本本粒粒子子研研究究获获重重大发现大发现1957诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 李政道李政道 否否定定弱弱相相互互作作用用下下宇宇称称守守恒恒定定律律，使使基基本本粒粒子子研研究究获获重重大发现大发现1957诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖20本课程的主要教学内容：本课程的主要教学内容：量子理论的基本概念量子理论的基本概念量子力学解决问题的基本思路和方法量子力学解决问题的基本思路和方法 2) ) 粒子除了具有粒子性粒子除了具有粒子性 还具有明显的还具有明显的波动性波动性3) ) 粒子的能量粒子的能量 角动量等物理量取值角动量等物理量取值分立分立 完全脱离了经典物理的模式完全脱离了经典物理的模式米米1) ) 对象线度小对象线度小 活动范围小活动范围小 微观：微观：21 学习量子力学，其困难在于我们在学习量子力学，其困难在于我们在 接受它时：接受它时： a. a. 发现它与我们熟悉的经典物理学中的发现它与我们熟悉的经典物理学中的 习惯或概念不一致；习惯或概念不一致； b. b. 量子力学中的新的物理概念不是直观量子力学中的新的物理概念不是直观 的；的； c. c. 处理问题时，与经典物理学在手法上处理问题时，与经典物理学在手法上 截然不同。它的重要性在状态，算符截然不同。它的重要性在状态，算符 和演化。和演化。22注意：注意：1) 自觉摆脱经典的束缚自觉摆脱经典的束缚 注重实验事实注重实验事实2) 处理好形象与抽象的关系处理好形象与抽象的关系3) 对应关系对应关系 新理论是在原有的理论基础上发展起来的新理论是在原有的理论基础上发展起来的所以所以 在极限情况下可以回到在极限情况下可以回到原有的理论原有的理论但但 量子范围内的很多量子范围内的很多概念概念找不到找不到经典的对应经典的对应是一个是一个全新全新的领域的领域 人们认识自然的过程决定的人们认识自然的过程决定的23 所以，我们强调所以，我们强调 a. 掌握实验事实，及它给我们的启示，掌握实验事实，及它给我们的启示， 不直接与主观经验联系，不先入为主；不直接与主观经验联系，不先入为主； b. 掌握和理解量子力学的基本概念。新掌握和理解量子力学的基本概念。新 的概念的依据和特点，新在什么地方，的概念的依据和特点，新在什么地方， 如何理解；如何理解； c. 掌握理论中建立的方程和所用的数学掌握理论中建立的方程和所用的数学 方法以及处理它们的思路和步骤。方法以及处理它们的思路和步骤。牛顿力学支配天体和力学对象的运动；牛顿力学支配天体和力学对象的运动； 杨氏衍射实验杨氏衍射实验确定了光的波动性；确定了光的波动性； Maxwell方程组的建立方程组的建立把光和电磁现象建立把光和电磁现象建立在牢固的基础上；在牢固的基础上；在在19世纪与世纪与20世纪之交世纪之交, 经典物理学己经相当完经典物理学己经相当完备备, 甚至有人认为经物理学各个分支学科已结合成甚至有人认为经物理学各个分支学科已结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂。的庙堂。经典物理学的成功经典物理学的成功经典物理学的成功经典物理学的成功 宏观物体的运动：牛顿运动定律宏观物体的运动：牛顿运动定律 电磁现象的规律：麦克斯韦方程电磁现象的规律：麦克斯韦方程 热学现象的理论：热力学热学现象的理论：热力学. .统计物理学统计物理学经典物理学的困难经典物理学的困难 无法解释：黑体辐射、光电效应、无法解释：黑体辐射、光电效应、 原子的光谱线系、固体低温比热等现象原子的光谱线系、固体低温比热等现象尽管人们试图把这些现象纳入经典物理学尽管人们试图把这些现象纳入经典物理学的框架的框架, , 给予理论上的解释给予理论上的解释, , 但都未能获但都未能获得圆满的成功得圆满的成功. . 经典物理学在这里遇到了经典物理学在这里遇到了无法克服的矛盾无法克服的矛盾. .27十九世纪末，经典物理已相当成熟，十九世纪末，经典物理已相当成熟，对物理现象本质的认识似乎已经完成。对物理现象本质的认识似乎已经完成。但在喜悦的气氛中，还有两朵但在喜悦的气氛中，还有两朵小小的令人不安的乌云：小小的令人不安的乌云：跳出传统的物理学框架！跳出传统的物理学框架！？寻找以太的？寻找以太的 零结果零结果？热辐射的？热辐射的紫外灾难紫外灾难 寻找以太的寻找以太的 零结果零结果 相对论相对论 热辐射的紫外灾难热辐射的紫外灾难 量子论量子论相对真理相对真理 绝对真理绝对真理 28 但一旦深入到分子、原子领域，一些但一旦深入到分子、原子领域，一些实验事实和经典理论发生矛盾或无法理解。实验事实和经典理论发生矛盾或无法理解。（1） 为什么原子不坍塌；为什么原子不坍塌；（2) ) 光谱线为什么是分立的；光谱线为什么是分立的；（3） 纳蒸汽为什么会发射黄光，即有标纳蒸汽为什么会发射黄光，即有标 志谱线；志谱线；（4） 重核会发生重核会发生衰变。衰变。29 存在与经典物理学的概念完全不相容存在与经典物理学的概念完全不相容 的崭新的实验事实的崭新的实验事实 a. 辐射的微粒性；辐射的微粒性； b. 物质粒子的波动性；物质粒子的波动性； c. 物理量的物理量的“量子化量子化”，即测量，即测量 值取分立值或某些确定值。值取分立值或某些确定值。 30 必须建立新的规律必须建立新的规律 据此建立起的新的完全不同于经典物理据此建立起的新的完全不同于经典物理 学的量子力学（量子物理学）规律已深入到学的量子力学（量子物理学）规律已深入到 物理学的各个领域物理学的各个领域 正成功地应用于天体、化学、生命、地正成功地应用于天体、化学、生命、地 球和制药等其他领域，成为球和制药等其他领域，成为 有力的理论工具，有力的理论工具，解决经典理论范围内无法解决经典理论范围内无法 解决的问题。解决的问题。31近代物理（近代物理（20世纪）世纪） 相对论相对论 1905 狭义相对论狭义相对论 1916 广义相对论广义相对论 引力、天体引力、天体 量子力学量子力学 A 旧量子旧量子论的形成论的形成（冲破经典量子假说）（冲破经典量子假说） 1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化32B、量子力学的建立、量子力学的建立（崭新概念）（崭新概念） 1923 de Broglie 电子具有波动性电子具有波动性 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 电子衍射实验电子衍射实验 1925 Heisenberg 矩阵力学矩阵力学 1926 Schroedinger 波动方程波动方程 1928 Dirac 相对论波动方程相对论波动方程33 C、量子力学的进一步发展（量子力学的进一步发展（应用、发展应用、发展） 量子力学量子力学原子、分子、原子核、固体原子、分子、原子核、固体 量子电动力学量子电动力学(QED)电磁场电磁场 量子场论量子场论原子核和粒子原子核和粒子进一步认识的问题进一步认识的问题34 敲开量子物理大门的首要问题敲开量子物理大门的首要问题是是 关于光的本质的认识关于光的本质的认识 光具有波动性光具有波动性 已被大量实验证明已被大量实验证明 但但 与物质相互作用的与物质相互作用的大量实验大量实验 使经典的使经典的波动波动理论遇到理论遇到无法克服的困难无法克服的困难 论述由此展开论述由此展开35 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征与温度有关。特征与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K热辐射现象热辐射现象热辐射现象热辐射现象36对热辐射的初步认识对热辐射的初步认识1）任何物体任何温度均存在热辐射）任何物体任何温度均存在热辐射2）热辐射谱是连续谱）热辐射谱是连续谱3）热辐射谱与温度有关）热辐射谱与温度有关直觉直觉: : 低温物体发出的是低温物体发出的是红外光红外光 炽热物体发出的是炽热物体发出的是可见光可见光 高温物体发出的是高温物体发出的是紫外光紫外光逐渐升温逐渐升温37温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波的短波成分电磁波的短波成分 如一个如一个20瓦的白炽灯瓦的白炽灯 一个一个200瓦的白炽灯瓦的白炽灯昏黄色昏黄色贼亮贼亮 刺眼刺眼38红外夜视仪红外夜视仪任何温度都有任何温度都有热辐射的实例热辐射的实例39钢水钢水40能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射、折射和透射的物体称为折射和透射的物体称为绝对黑体绝对黑体，简称黑体。，简称黑体。黑体辐射实验规黑体辐射实验规黑体辐射实验规黑体辐射实验规律律律律 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作作黑体黑体。在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，。在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本领也最大。因而辐射本领也最大。黑体模型黑体模型 研究黑体辐射的规律研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性是了解一般物体热辐射性质的基础。因为黑体的单质的基础。因为黑体的单色幅出度仅与波长和温度色幅出度仅与波长和温度有关，与材料，表面情况有关，与材料，表面情况无关。它反映了辐射本身无关。它反映了辐射本身的规律。的规律。41 为常数为常数 1896年维恩从经典热力年维恩从经典热力学理论及实验数据的学理论及实验数据的分析得出分析得出1.维恩公式维恩公式短波方向与实验符合较好短波方向与实验符合较好问题：如何从理论上问题：如何从理论上找到符合实验曲线的找到符合实验曲线的函数式函数式能能量量密密度度 (104 cm)0510W.维恩维恩 热辐射定律热辐射定律的导出和研的导出和研究究1911诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖432. 瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 1900年从经典电动力学和统计物理学理论年从经典电动力学和统计物理学理论 推导而得推导而得长波方向与实验符合较好长波方向与实验符合较好短波方向得出灾难性的结论短波方向得出灾难性的结论“紫外灾难紫外灾难”经典物理有难经典物理有难 这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，但在短波区，按此公式， 将随波长趋向于零而将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果，即趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难紫外灾难”。L.瑞利瑞利 英国英国在气体密度在气体密度的研究中发的研究中发现氩现氩1904诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖45 维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利- -金斯公式都是用经典物理学金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，的方法来研究热辐射所得的结果，理论给出的结理论给出的结论是确切无疑的，但论是确切无疑的，但都与实验结果不符，明显地都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中学晴朗天空中一朵令人不安的乌云一朵令人不安的乌云46普朗克的能量子假说和黑体辐射公式普朗克的能量子假说和黑体辐射公式1.黑体辐射公式黑体辐射公式1900.10.19 普朗克在德国普朗克在德国物理学会会议上提出一个物理学会会议上提出一个黑体辐射公式黑体辐射公式M.Planck 德国人德国人 18581947在全波段与实验结果惊人符合在全波段与实验结果惊人符合47实验物理学家实验物理学家鲁本斯鲁本斯（Rubens）把它同把它同最新的实验结果比较最新的实验结果比较 发现：发现：用内插法得出用内插法得出( (短波趋向维恩短波趋向维恩 长波趋向瑞利长波趋向瑞利) )在全波段与实验结果惊人符合在全波段与实验结果惊人符合48 普朗克得到上述公式后意识到，如果普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：式的理论根据。他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。到上述普朗克公式。2.普朗克的能量子假说普朗克的能量子假说 “一定要不惜任何代价一定要不惜任何代价 找到一个理论根据找到一个理论根据”49普朗克普朗克能量子假说：能量子假说：1.1.辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐 振子可以发射和吸收辐射能。振子可以发射和吸收辐射能。2.2.这些谐振子的能量不能象经典物理学所允许的可具有这些谐振子的能量不能象经典物理学所允许的可具有 任意值，不能连续变化，而只能取一些分立值，这些任意值，不能连续变化，而只能取一些分立值，这些 分立值是某一最小能量分立值是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，（称为能量子）的整数倍， 即：即：, 1, 2, 3, . , 1, 2, 3, . n n. . n n为正整数，称为正整数，称 为为量子数。量子数。 对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为能量能量量子量子经典经典50 普朗克的热辐射公式：普朗克的热辐射公式：物体发射或吸收电磁波时物体发射或吸收电磁波时 交换能量的最小单位是交换能量的最小单位是“能量子能量子” = h 51 当当 （高频区）（高频区） Wein公式公式 当当 （低频区）（低频区） 瑞利瑞利-金斯金斯公式公式 52 振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式单色辐出度，即普朗克公式。 能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获19181918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 M.V.普朗克普朗克 研究辐射的量子研究辐射的量子理论，发现基本理论，发现基本量子，提出能量量子，提出能量量子化的假设量子化的假设1918诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖54 普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验 结果极为符合的普朗克公式：结果极为符合的普朗克公式：1900.12.14.-量子论诞生日。量子论诞生日。 玻尔对普朗克量子论的评价：玻尔对普朗克量子论的评价： “在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的如此非凡的结果。如此非凡的结果。基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里产生这个发现将人类的观念这个发现将人类的观念不仅是有关经典不仅是有关经典科学的观念，科学的观念， 而且是有关通常思维而且是有关通常思维方式的观念方式的观念的基础砸得粉碎，的基础砸得粉碎， 55 爱因斯坦在爱因斯坦在1918年年4月普朗克六十岁生日月普朗克六十岁生日庆祝会上的一段讲话：庆祝会上的一段讲话：“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是 为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的 目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那 些普遍的基本规律，些普遍的基本规律， 他成了一个他成了一个 以伟大的创造性观念造福于世界的人以伟大的创造性观念造福于世界的人。普朗克本人在若干年内也有很多的困惑和彷徨普朗克本人在若干年内也有很多的困惑和彷徨 能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！56能量子假说的意义能量子假说的意义打破打破“一切自然过程能量都是连续的一切自然过程能量都是连续的”经典看经典看法法说明了宇宙辐射背景说明了宇宙辐射背景 T = 3K敲开量子力学的大门敲开量子力学的大门为什么宏观上没看出能量的分立呢？为什么宏观上没看出能量的分立呢？57例：设想一质量为例：设想一质量为 m = 1 g 的小珠子悬挂在一个的小珠子悬挂在一个 小轻弹簧下面作振幅小轻弹簧下面作振幅 A = 1 mm 的谐振动的谐振动弹簧的劲度系数弹簧的劲度系数 k = 0.1 N/m按量子理论计算按量子理论计算 1）此弹簧振子的能级间隔多大？此弹簧振子的能级间隔多大？2）减少一个能量子时减少一个能量子时 振动能量的相对变化？振动能量的相对变化？解：弹簧振子的频率解：弹簧振子的频率58能级间隔能级间隔振子能量振子能量相对能量变化相对能量变化59这样小的相对能量变化在现在的技术条件下这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来还不可能测量出来现在能达到的最高的能量分辨率为：现在能达到的最高的能量分辨率为：所以宏观的能量变化看起来都是连续的所以宏观的能量变化看起来都是连续的经典经典能量能量量子量子 1858年4月23日出生于德国基尔德国基尔。18741879年先后在慕尼黑大学、柏林大学就读，并获得博士学位。18801926年先后在慕尼黑大学、基尔大学、柏林大学任教，1926年被选为英国皇家学会会员，1947年10月逝世于哥廷根。 主要成就主要成就：19001900年提出量子假说，年提出量子假说，为了解释黑体辐射现象，他提出粒子能量永远是 hv 的整数倍，E=n h ，其中是辐射频率，h 为新的物理常数，后人称为普朗克常数普朗克常数，这一创造性的工作使他成为量子理论的奠基者，在物理学发展史上具有划时代的意义。他第一次他第一次提出辐射能量的不连续性，著名科学家爱因斯提出辐射能量的不连续性，著名科学家爱因斯坦接受并补充了这一理论，以此发展自己的相坦接受并补充了这一理论，以此发展自己的相对论，波尔也曾用这一理论解释原子结构。对论，波尔也曾用这一理论解释原子结构。量子假说使普朗克获得1918年诺贝尔物理奖。 1918 1918年获年获诺贝尔诺贝尔 物理奖物理奖 M.(Mar Karl Ernst Ludwig Planck (18581947)普朗克普朗克普朗克普朗克普朗克，M.（Max Planck 18581947）一、生平简介一、生平简介 普朗克普朗克，M.（Max Planck 18581947）近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人。1858年4月23日生于基尔。1867年，其父民法学教授J.W.von普朗克应慕尼黑大学的聘请任教，从而举家迁往慕尼黑。普朗克在慕尼黑度过了少年时期，1874年入慕尼黑大学。18771878年间，去柏林大学听过数学家年间，去柏林大学听过数学家K.外尔斯特拉外尔斯特拉斯和物理学家斯和物理学家H.von亥姆霍兹和亥姆霍兹和G.R.基尔霍夫的讲课。基尔霍夫的讲课。普朗克晚年回忆这段经历时说，这两位物理学家的人品和治学态度对他有深刻影响，但他们的讲课却不能吸引他。在柏林期间，普朗克认真自学了R.克劳修斯的主要著作力学的热理论，使他立志去寻找象热力学定律那样具有普遍性的规律。1879年普朗克在慕尼黑大学得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1888年基尔霍夫逝世后，柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人（先任副教授，1892年后任教授）和理论物理学研究所主任。1900年，他在黑体辐射研究中引入能量量子。由于这一发现对物理学的发展作出的贡献，他获得1918年诺贝尔物理学奖。 自自20世纪世纪20年代以来，普朗克成了德国科学界的中心人年代以来，普朗克成了德国科学界的中心人物，与当时德国以及国外的知名物理学家都有着密切联系。物，与当时德国以及国外的知名物理学家都有着密切联系。1918年被选为年被选为英国皇家学会会员英国皇家学会会员，19301937年他担任年他担任威廉皇帝协会会长。在那时期，柏林、哥廷根、慕尼黑、莱威廉皇帝协会会长。在那时期，柏林、哥廷根、慕尼黑、莱比锡等大学成为世界科学的中心，是同普朗克、比锡等大学成为世界科学的中心，是同普朗克、W.能斯脱、能斯脱、A.索末菲等人的努力分不开的。在纳粹攫取德国政权后，以索末菲等人的努力分不开的。在纳粹攫取德国政权后，以一个科学家对科学、对祖国的满腔热情与纳粹分子展开了，一个科学家对科学、对祖国的满腔热情与纳粹分子展开了，为捍卫科学的尊严而斗争。为捍卫科学的尊严而斗争。1947年年10月月4日在哥廷根逝世。日在哥廷根逝世。二、科学成就二、科学成就 1.普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是就是论热力学的第二定律论热力学的第二定律。此后，他从热力学的观点对。此后，他从热力学的观点对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。 2.提出能量子概念提出能量子概念普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式，创立能量子概念。式，创立能量子概念。三、趣闻轶事三、趣闻轶事1.启蒙老师启蒙老师 普朗克走上研究自然科学的道路，在很大程度上应该归功于一个名叫缪勒的中学老师。普朗克童年时期爱好音乐，又爱好文学。后来他听了缪勒讲的一个动人故事：一个建筑工匠花了很大的力气把砖搬到屋顶上，工匠做的功并没有消失，而是变成能量贮存下来了；一旦砖块因为风化松动掉下来，砸在别人头上或者东西上面，能量又会被释放出来，这个能量守恒定律的故事给普朗克留下了终生难忘的印象，不但使他的爱好转向自然科学，而且成为他以后研究工作的基础之一。2.“普朗克行星普朗克行星” 普朗克进入科学殿堂以后，无论遇到什么困难，都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭相继发生过许多不幸：1909年妻子去世，1916年儿子在第一次世界大战中战死，1917年和1919年两个女儿先后都死于难产，1944年长子被希特勒处死。但是普朗克总是用奋发忘我的工作抑制自己的感情和悲痛，为科学做出了一个又一个重要的贡献。 他一生发表了215篇研究论文和7部著作，其中包括1959年所著的物理学中的哲学一书。 在普朗克诞辰80周年的庆祝会上，人们“赠给”他一个小行星，并命名为“普朗克行星”。1946年他虽然体弱，但却非常高兴地出席了皇家学会的纪念牛顿的集会。3.墓碑号刻着他的名和墓碑号刻着他的名和h的值的值 普朗克为人谦虚，作风严谨。在1918年4月德国物理学会庆贺他60寿辰的纪念会上，普朗克致答词说：“试想有一位矿工，他竭尽全力地进行贵重矿石的勘探，有一次他找到了天然金矿脉，而且在进一步研究中发现它是无价之宝，比先前可能设想的还要贵重无数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏，那么无疑地，他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。”这当然是普朗克的谦虚。洛仑兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话，才道出了问题的本质。他说：“我们一定不要忘记，这样灵感观念的好运气，只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。” 1947年年10月月3日，普朗克在哥廷根病日，普朗克在哥廷根病逝，终年逝，终年89岁。德国政府为了纪念这位伟岁。德国政府为了纪念这位伟大的物理学家，把威廉皇家研究所改名叫大的物理学家，把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。普朗克研究所。 普朗克的墓在哥庭根市公墓内，其标普朗克的墓在哥庭根市公墓内，其标志是一块简单的矩形石碑，上面只刻着他志是一块简单的矩形石碑，上面只刻着他的名字，下角写着：的名字，下角写着：h=6.621027尔格秒。意外发现：如果接收电磁波的电极受到紫外意外发现：如果接收电磁波的电极受到紫外线照射，火花放电就变的容易产生。并将这线照射，火花放电就变的容易产生。并将这一现象发表于论文紫外线对放电的影响一现象发表于论文紫外线对放电的影响J.J汤姆孙汤姆孙英国英国通过气体电传导通过气体电传导性的研究，测出性的研究，测出电子的电荷与质电子的电荷与质量的比值量的比值 1906诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 虽然虽然爱因斯坦爱因斯坦对光电效应的解释是对对光电效应的解释是对PlanckPlanck量量子概念的极大支持，但是子概念的极大支持，但是PlanckPlanck不同意不同意爱因斯坦爱因斯坦的的光子假设，这一点流露在光子假设，这一点流露在PlanckPlanck推荐爱因斯坦为普推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士的推荐信中。鲁士科学院院士的推荐信中。 “ 总而言之，我们可以说，在近代物理学结出总而言之，我们可以说，在近代物理学结出硕果的那些重大问题中，很难找到一个问题是硕果的那些重大问题中，很难找到一个问题是爱因斯爱因斯坦坦没有做过重要贡献的，在他的各种推测中，没有做过重要贡献的，在他的各种推测中，他有时他有时可能也曾经没有射中标的，例如，他的光量子假设就可能也曾经没有射中标的，例如，他的光量子假设就是如此，是如此，但是这确实并不能成为过分责怪他的理由，但是这确实并不能成为过分责怪他的理由，因为即使在最精密的科学中，也不可能不偶尔冒点风因为即使在最精密的科学中，也不可能不偶尔冒点风险去引进一个基本上全新的概念险去引进一个基本上全新的概念 ”A.爱因斯坦爱因斯坦 对现物理方面对现物理方面的贡献，特别的贡献，特别是阐明光电效是阐明光电效应的定律应的定律1921诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖1921年获诺贝尔物理奖 A. Albert A. Albert Einstein Einstein (1879(18791955)1955)爱因爱因斯斯坦坦 1879年3月14日生于德国符腾堡的乌尔姆，18961900年就读于瑞士苏黎世联邦理工大学师范系，19021908年在瑞士任联邦专利局审核员，1905年获苏黎世大学博士学位，19081933年先后任教于波尔尼大学，苏黎世瑞士联邦理工大学，柏林大学受聘为普鲁士科学院院士。1914年一次大战爆发，他拒绝在所谓的“维护德国文化”声明上签字，震惊全世界，1933年访问美国期间，希特勒上台，残酷迫害犹太人，他的家产被抄没，著作被焚毁，并被缺席判处死刑。爱因斯坦宣布放弃德国籍，退出普鲁士科学院，迁居美国，爱因斯坦爱因斯坦1933193319451945年普林斯顿高等学术研究院研究员，年普林斯顿高等学术研究院研究员，19401940年入美国籍，年入美国籍，19551955年年4 4月月1818日病逝于普林斯顿。日病逝于普林斯顿。主要成就：主要成就：他对人类科学做出的划时代贡献是创立了狭义相对论、广义相对论和量子论，揭示了空间、时间随着物质分布和运动速度而变化的关系，加深了人类对物质和运动的认识。从而被成为20世纪最伟大的科学家。1905年3月发表关于光的产生和转化的一个启发性观点。在明确指出其基本规律的基础上，提出了场的量子化，第一次揭示了微观客体的波粒二象性。4月发表了分子大小的新测定法，导出了解释布朗运动的方程，并证明可用这一方程确定分子的大小。6月，发表了论动体的电动力学，完整得提出了等速运动下的相对性理论和空间时间的新概念。同年9月，他提出了质量m和能量E可相互转化： E=mc2 ，为原子能的释放和应用提供了理论依据。1913年1916年，他发表了广义相对论和引力理论纲要、广义相对论的基础等文章。此外，他在宇宙起源问题上也做出了巨大贡献。他根据广义相对论和运动方程做出三大预言：光线在太阳引力场中发生弯曲；水星近日点的运动规律；引力场中的光谱线向红端移动。这三大预言已被一一证实。1923年以后，他主要致力于相对论统一场论的研究，试图建立引力场和电磁场的统一理论。曾写出统一场论、相对论性引力论的一种推广、非对称场的相对论性理论等文章。1939年他获悉铀核裂变及其链式反应的发现，在匈牙利物理学家L.西拉德推动下，上书罗斯福总统，建议研制原子弹，以防德国占先。 801916年密立根实验年密立根实验 h = 6.57 10-34 Js证实了爱因斯坦理论证实了爱因斯坦理论4.06.08.010.0 (1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa81- - 密立根精确地测量得密立根精确地测量得K计算得普朗克常数计算得普朗克常数 h = 6.56 10-34 Js与当时用其他方法测得的符合与当时用其他方法测得的符合得相当好。得相当好。密立根密立根- 1923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖他通过著名的油滴实验研究他通过著名的油滴实验研究基本电荷，证明电荷有最小单位。基本电荷，证明电荷有最小单位。当时这是对当时这是对爱因斯坦爱因斯坦光子光子的的假设的极大支持。假设的极大支持。 密立根密立根R.A.密立根密立根 研究元电荷和研究元电荷和光电效应，通光电效应，通过油滴实验证过油滴实验证明电荷有最小明电荷有最小单位单位1923诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖83康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！84康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； （2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量” 的假设；的假设；（3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，在微观世界的单个碰撞事件中， 动量和能量守恒定律仍然是成立的。动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。A.H.康普顿康普顿 发现康普顿发现康普顿效应效应1927诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖86光电管光电管光电效应的应用光电效应的应用光电效应的应用光电效应的应用光电倍增管光电倍增管87 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)激光激光88上世纪六十年代初对上世纪六十年代初对发明激光器发明激光器有贡献的有贡献的三位科学家。三位科学家。他们他们1964年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。巴索夫巴索夫普罗恰洛夫普罗恰洛夫汤斯汤斯1964 C.H.汤斯汤斯 在量子电子学的在量子电子学的基础研究导致根基础研究导致根据微波激射器和据微波激射器和激光器原理构成激光器原理构成振荡器和放大器振荡器和放大器1964诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖N.G.巴索夫巴索夫 用用于于产产生生激激光光光光束束的的振振荡荡器器和和放放大大器器的的研研究工作究工作1964诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖A.M.普洛霍罗夫普洛霍罗夫 在量子电子学中在量子电子学中的研究工作导致的研究工作导致微波激射器和激微波激射器和激光器的制作光器的制作 1964诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖原子的正电荷和几乎全部质量都集中于原子核上原子的正电荷和几乎全部质量都集中于原子核上电子绕原子核做圆周运动电子绕原子核做圆周运动整个原子呈电中性，很稳定。原子线度整个原子呈电中性，很稳定。原子线度1010 m核的线度为核的线度为10151014 m1.1.原子的有核模型（卢瑟福）原子的有核模型（卢瑟福）b. b. 核式结构：原子核核式结构：原子核电子电子a. a. 卢瑟福的卢瑟福的 粒子散射实验粒子散射实验量子理论发展进程中必须提及的贡献量子理论发展进程中必须提及的贡献尔首次把量子思想用到原子结构和原子光谱中尔首次把量子思想用到原子结构和原子光谱中 玻尔的量子论玻尔的量子论93A即由此得来即由此得来。红红蓝蓝紫紫6562.84340.54861.3氢原子的可见光光谱：氢原子的可见光光谱：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）测得氢可见光光谱的红线测得氢可见光光谱的红线离散的离散的线状谱线状谱94氢原子光谱的规律氢原子光谱的规律巴耳末公式巴耳末公式R称称为里德伯常量为里德伯常量则巴耳末公式写成则巴耳末公式写成95Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett seriesLyman series紫外区紫外区红外区红外区可见光可见光后在实验上又进一步发现氢光谱的其他线系后在实验上又进一步发现氢光谱的其他线系需进一步总结其光谱规律需进一步总结其光谱规律96推广巴耳末公式推广巴耳末公式 得到广义巴耳末公式得到广义巴耳末公式Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett seriesLyman series紫外区紫外区红外区红外区可可见见光光经典电磁理论遇到的困难经典电磁理论遇到的困难卢瑟福原子模型经典电磁理论卢瑟福原子模型经典电磁理论1.1.原子光谱是连续光谱原子光谱是连续光谱电子绕核运动是加速运动必向外辐射电磁电子绕核运动是加速运动必向外辐射电磁波，电磁波频率波，电磁波频率 r -3/2，半径的连续变，半径的连续变化，必导致产生连续光谱。化，必导致产生连续光谱。2.2.原子不可能是稳定系统原子不可能是稳定系统 原子是原子是”短命短命“的的电子绕核运动是加速运动必向外辐射能量，电子绕核运动是加速运动必向外辐射能量，电子轨道半径越来越小，直到掉到原子核与电子轨道半径越来越小，直到掉到原子核与正电荷中和，这个过程时间正电荷中和，这个过程时间Ek，则原子将放出一个光，则原子将放出一个光子，子， 其频率：其频率：101玻尔的量子论玻尔的量子论1.关于原子的三条假设关于原子的三条假设 以普朗克能量子和爱因斯坦光子概念为基础以普朗克能量子和爱因斯坦光子概念为基础 1)定态假设定态假设 原子系统只能处在一系列不连续的能量状态原子系统只能处在一系列不连续的能量状态 这些状态称为原子系统的稳定状态这些状态称为原子系统的稳定状态 简称简称定态定态 相应能量分别记为相应能量分别记为 E1, E2, E3 ,(E1E2E3 )102 2) ) 跃迁假设跃迁假设( (频率条件频率条件) )当原子从一个能量为当原子从一个能量为En的定态跃迁到另一个能的定态跃迁到另一个能量为量为Em的定态时发射的定态时发射(或吸收或吸收) 一个频率为一个频率为 的的光子光子频率条件是频率条件是3) )角动量量子化假设角动量量子化假设 定态时定态时 角动量取值是量子化的角动量取值是量子化的 量子化条件是量子化条件是103 定态假设定态假设跃迁假设跃迁假设角动量量子化假设角动量量子化假设 2.玻尔对氢原子的工作玻尔对氢原子的工作 根据三条假设根据三条假设 1)求出了氢原子的能级公式求出了氢原子的能级公式104n = 1 , 2 , 3 +e-ernvnEnmmp解得：解得：玻尔半径（常记作玻尔半径（常记作 a0）玻尔理论成功地解释了玻尔理论成功地解释了氢原子氢原子和和类氢离子类氢离子光谱的光谱的 波长，说明它含有正确的成分。波长，说明它含有正确的成分。1052) )氢原子光谱线的波数公式氢原子光谱线的波数公式 3. 玻尔的贡献玻尔的贡献 1)成功地揭开了成功地揭开了“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷” 2)首次打开了人们认识原子结构的大门首次打开了人们认识原子结构的大门 3)定态和频率假设在原子结构和分子结构定态和频率假设在原子结构和分子结构 的现代理论中仍是重要概念的现代理论中仍是重要概念 4)为量子力学的建立奠定了基础为量子力学的建立奠定了基础 但他的但他的 理论理论是是半经典的半经典的 仍保留了仍保留了“轨道轨道”概念概念106理论本身存在困难：理论本身存在困难：（1 1）承认经典电磁理论，认为氢原子中电子作）承认经典电磁理论，认为氢原子中电子作圆轨道运动，受到的向心力就是库仑力，有动圆轨道运动，受到的向心力就是库仑力，有动能和电势能；能和电势能；但但“有向心加速度而不辐射能量有向心加速度而不辐射能量”（轨道是稳定的），又不符合经典电磁理论。（轨道是稳定的），又不符合经典电磁理论。（2 2）承认电子在中心力场中运动，角动量守恒。）承认电子在中心力场中运动，角动量守恒。但是玻尔硬加了一个但是玻尔硬加了一个角动量量子化条件角动量量子化条件只可能有满足这条件的轨道才能存在，这只可能有满足这条件的轨道才能存在，这为什么？为什么？但玻尔理论不能说明氢原子光谱线的强度；但玻尔理论不能说明氢原子光谱线的强度； 也不能说明较复杂原子的光谱（即使也不能说明较复杂原子的光谱（即使He）。）。 说明它含有不正确的成分。说明它含有不正确的成分。“玻尔理论是玻尔理论是 经典理论经典理论 + + 量子化条件量子化条件”（生硬）（生硬）107（3 3）卢瑟福）卢瑟福 对玻尔对玻尔 的频率条件质疑的频率条件质疑“当电子从当电子从E1往往E2跳时，您必须假设电子事先跳时，您必须假设电子事先 就知道它要往那里跳！就知道它要往那里跳！”为了为了选择，选择，必须先必须先去过，去过，但是它但是它去过了去过了吗？吗？为了为了去去，又必须先，又必须先选择，选择，E1 1E2 2? ?多种频率多种频率的光入射的光入射E3 3逻辑上循环！逻辑上循环！1.匹克林谱线的观测：匹克林谱线的观测： 1896-1897年间，美国天文学家皮克林年间，美国天文学家皮克林(E.C.Pickering)在船舻座在船舻座星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系，这个星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系，这个线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。 玻尔指出，玻尔指出，皮克林系的频率公式中不应包含有半整数，皮克林系的频率公式中不应包含有半整数，而应都取整数，只是其而应都取整数，只是其里德伯常数为氢的里德伯常数为氢的4 4倍，倍，并认为这些谱并认为这些谱线线是电离了的氦原子发射的。是电离了的氦原子发射的。 1913 1913年给卢瑟福去信，请求他要求光谱学家弗勒年给卢瑟福去信，请求他要求光谱学家弗勒(A.Fowler)(A.Fowler)检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法，检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法，卢瑟福就请卢瑟福就请伊万斯伊万斯作这一实验，作这一实验，伊万斯在一个玻璃管中充入伊万斯在一个玻璃管中充入极纯的氦气，得到了匹克林谱线极纯的氦气，得到了匹克林谱线。弗勒又提出，就这些谱线而言，其里德伯常数并不精确等于弗勒又提出，就这些谱线而言，其里德伯常数并不精确等于氢的氢的4 4倍。玻尔回答说，这个微小的差别产生于氦原子核的不倍。玻尔回答说，这个微小的差别产生于氦原子核的不可忽略的运动。可忽略的运动。玻尔理论的验证：玻尔理论的验证：2.2.玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现，如赖曼如赖曼于于19141914年发现在紫外区的赖曼系。年发现在紫外区的赖曼系。3.3.夫兰克夫兰克- -赫兹实验赫兹实验: :J.J.夫兰克和夫兰克和G.G.赫兹通过碰撞测出原子赫兹通过碰撞测出原子的的“电离能电离能”，玻尔指出这是原子的，玻尔指出这是原子的“激发能激发能”，由此可以，由此可以肯定地证明原子定态的存在。肯定地证明原子定态的存在。 从而验证了玻尔理论的正确性。从而验证了玻尔理论的正确性。J.弗兰克弗兰克 发发现现电电子子撞撞击击原原子子时时出出现的规律性现的规律性1925诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖G.L.赫兹赫兹 发发现现电电子子撞撞击击原原子子时时出出现现的的规律性规律性 1925诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖C.V.拉曼拉曼 研究光的散研究光的散射并发现拉射并发现拉曼效应曼效应1930诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖113玻尔理论在人们认识原子结构的进程中玻尔理论在人们认识原子结构的进程中 有很大的贡献有很大的贡献 - - 1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。年玻尔获诺贝尔物理学奖。玻尔理论中玻尔理论中关于定态（能量有一定值），关于定态（能量有一定值）， 关于能级（能量量子化），关于能级（能量量子化）， 关于频率条件，关于频率条件， 关于角动量是量子化的等概念关于角动量是量子化的等概念, , 至今还是正确结论。至今还是正确结论。虽然虽然轨道概念轨道概念不适用了，但是借用它仍然可以不适用了，但是借用它仍然可以得到一些有意义的结论。得到一些有意义的结论。例如，可以估计原子的大小；例如，可以估计原子的大小； 可以估计原子中电子速度的大小；可以估计原子中电子速度的大小； n 越大越大,离开原子核越远；离开原子核越远；Niels Bohr (1885-1962)The Nobel Prize in Physics 1922 for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them尼尔斯玻尔 ： 丹麦著名物理学家，玻尔研究所创始人 哥本哈根学派创始人，量子力学奠基人之一 丹麦国家队守门员N.玻尔玻尔 研研究究原原子子结结构构和和原原子子辐辐射射，提提出出他他的的原原子子结构模型结构模型1922诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖1928年玻尔首次提出了互补性互补性观点，试图回答当时关于物理学研究和一些哲学问题。其基本思想是，任何事物都有许多不同的侧面，对于同一研究对象，一方面承认了它的一些侧面就不得不放弃其另一些侧面，在这种意义上它们是“互斥”的；另一方面，那些另一些侧面却又不可完全废除的，因为在适当的条件下，人们还必须用到它们，在这种意义上说二者又是“互补”的。 玻尔，N(Niels Henrik David Bohr 18851962) 丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。1885年10月7日生于哥本哈根. 1907年,大学二年级时研究水的表面张力问题，自制实验器材，通过实验取得了精确的数据，并在理论方面改进了物理学家瑞利的理论，研究论文获得丹麦科学院的金奖章。先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习，先在剑桥JJ汤姆孙汤姆孙主持的卡文迪什实验室卡文迪什实验室，几个月后转赴曼彻斯特，参加了以E卢瑟福卢瑟福为首的科学集体，从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。1920年创建哥本哈根理论物理研究所，任所长。1922年玻尔荣获诺贝尔物理学奖。1923年接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。1937年5、6月间，玻尔曾经到过我国访问和讲学。1939年任丹麦皇家科学院院长。第二次世界大战开始，丹麦被德国法西斯占领。1943年玻尔为躲避纳粹的迫害，逃往瑞典。1944年玻尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。1947年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为“骑象勋爵”。1952年玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心(CERN)，并且自任主席。1913年提出著名的玻尔原子理论。1916年任哥本哈根大学教授，1921年起一直领导着该校为他建立的理论物理研究所，直到去世。玻尔于1916年、1928年分别提出对应原理和互补原理对应原理和互补原理，对应原理（Correspondence principle）：在大量子数极限情况下，量子体系的行为将趋向与经典力学体系相同。互补原理：是一条无限广阔的哲学原理。在他看来，为了容纳和排比“我们的经验”，因果性概念因果性概念已经不敷应用了，必须用互补性概念互补性概念这一“更加宽广的思维构架”来代替它。因此他说，互补性是因果性的“合理推广”。论述了物理论述了物理科学、生物科学、社会科学和哲学中的无数问题科学、生物科学、社会科学和哲学中的无数问题。其基本思想是，任何事物都有许多不同的侧面，对于同一研究对象，一方面承认了它的一些侧面就不得不放弃其另一些侧面，在这种意义上它们是“互斥”的；另一方面，那些另一些侧面却又不可完全废除的，因为在适当的条件下，人们还必须用到它们，在这种意义上说二者又是“互补”的。 What is Quantum Mechanics?QuantumMechanicsMany physicists have subscribed to the null interpretation of quantum mechanics summarized by Feynmans famous dictum: Shut up and calculate!哥本哈根量子力学解释 互补原理 ：一些经典概念的应用不可避免地将排除另一些经典概念地应用，而这“另一些经典概念”在另一些条件下又是描述现象所不可缺少的；必须而且只需将所有这些既互斥、又互补的概念汇集到一起，才能而且定能形成现象的详尽无遗的描述。测不准关系：几率解释：对应于空间的一个状态，就有一个由伴随这状态的德布罗意波确定的几率。玻尔海森堡玻恩1921年，玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言。1922年，发现了这种元素铪，证实了玻尔预言的正确。 1936年提出原子核的液滴核模型， 1939年创立核裂变理论，预言铀的自身裂变。曾参加第一颗原子弹的制造。 123 玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很玻尔理论在人们认识原子结构的进程中有很大的贡献大的贡献- - 1922年玻尔获诺贝尔物理奖年玻尔获诺贝尔物理奖玻尔正在讲解他的玻尔正在讲解他的互补原理互补原理 玻尔（左）和玻尔（左）和 海森伯（中）海森伯（中） 泡利（右）在一起泡利（右）在一起主要成员沃尔夫刚泡利 (Wolfgang Pauli) 1945 Nobel Prize沃纳海森堡(Werner Heisenberg) 1932 Nobel prize125在玻尔研究所里在玻尔研究所里学术空气很浓，学术空气很浓，玻尔演讲后与听玻尔演讲后与听众踊跃讨论。众踊跃讨论。哥本哈根学派哥本哈根学派“丹麦是我出生的地方，丹麦是我出生的地方， 是我的故乡，是我的故乡， 是我心中的世界是我心中的世界 开始的地方。开始的地方。”卢瑟福的邀请卢瑟福的邀请普朗克的邀请普朗克的邀请关于玻尔的评价爱因斯坦爱因斯坦:“他发表见解时总像一个不断摸索的人他发表见解时总像一个不断摸索的人,从不像相信自己已占有了真理的人。从不像相信自己已占有了真理的人。 卢瑟福：卢瑟福：“我从来没有遇见过的最聪明的小伙我从来没有遇见过的最聪明的小伙子子” 伽莫夫：伽莫夫：“玻尔的最大特点是思维和理解的迟钝玻尔的最大特点是思维和理解的迟钝”A.N.玻尔玻尔 发发现现原原子子核核中中集集体体运运动动与与粒粒子子运运动动之之间间系系，在在此此基基础础上上发发展展原原子子核结构理论核结构理论1975诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖索末菲的椭圆轨道理论索末菲的椭圆轨道理论 索末菲：索末菲：德国慕尼黑大学著名德理论物理教授，擅长理论德国慕尼黑大学著名德理论物理教授，擅长理论分析。早年在博士论文中就发展了新的数学方法分析。早年在博士论文中就发展了新的数学方法复变函数复变函数，后来应用这种方法取得多项成就。后来应用这种方法取得多项成就。2020世纪曾对电子论作过研究，世纪曾对电子论作过研究，在论战中很早就站在相对论一边。在论战中很早就站在相对论一边。 索末菲在索末菲在19141914年开始广泛讨论并推广了玻尔理论，年开始广泛讨论并推广了玻尔理论，包括椭包括椭圆轨道理论和相对论修正圆轨道理论和相对论修正。首先索末菲把氢原子中的电子看成。首先索末菲把氢原子中的电子看成是二维的开普勒运动，即有两个自由度的运动，并引入平面极是二维的开普勒运动，即有两个自由度的运动，并引入平面极坐标，提出角动量坐标，提出角动量p p和动量和动量p pr r均满足量子化条件均满足量子化条件( (假设假设) )：其中其中n=nn=n+n+nr r为主量子数，原子的能态为主量子数，原子的能态E E由由n n决定，同一主量子数决定，同一主量子数n,n,有有n n个可能的轨道，但能量是相同的，称个可能的轨道，但能量是相同的，称n n重简并。在能量表达重简并。在能量表达式中多了一相对论修正项，从而解释了氢光谱的精细结构。式中多了一相对论修正项，从而解释了氢光谱的精细结构。塞曼效应和反常塞曼效应塞曼效应和反常塞曼效应 1896年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家塞曼塞曼按照他的老师按照他的老师洛伦兹洛伦兹的建议，的建议，研究磁场对光源的影响。发现在磁场中发射光谱的每条谱线都研究磁场对光源的影响。发现在磁场中发射光谱的每条谱线都会发生分裂，当磁场方向和光路垂直时分裂为三条，一致时分会发生分裂，当磁场方向和光路垂直时分裂为三条，一致时分裂为两条裂为两条-称为塞曼效应。称为塞曼效应。 之后不久人们又发现了反常塞曼效应：分裂成三条以上。之后不久人们又发现了反常塞曼效应：分裂成三条以上。但反常塞曼效应却始终没能从理论上给予解释。但反常塞曼效应却始终没能从理论上给予解释。1916年年索末菲索末菲和和德拜德拜分别发表文章解释了正常塞曼效应。分别发表文章解释了正常塞曼效应。 1923年年朗德朗德根据玻尔的提示，在描述多重谱线能量时，根据玻尔的提示，在描述多重谱线能量时，采用了四个量子数：主量子数、角量子数、内量子数和原子采用了四个量子数：主量子数、角量子数、内量子数和原子实的量子数，由此得到的公式与实验数据符合得很好。但朗实的量子数，由此得到的公式与实验数据符合得很好。但朗德的结论却在很多方面和玻尔理论相矛盾。德的结论却在很多方面和玻尔理论相矛盾。 因此反常塞曼效应的解释成了当时的一大难题。因此反常塞曼效应的解释成了当时的一大难题。2.泡利不相容原理泡利不相容原理 从从1922年，年，泡利泡利开始了对反常塞曼效应的研究，开始了对反常塞曼效应的研究，1924年年泡利计算发现，满壳层的原子实具有零角动量，他因此断定泡利计算发现，满壳层的原子实具有零角动量，他因此断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起的，而与原子实反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起的，而与原子实无关。后来也引用无关。后来也引用4个量子数来描述电子的行为，于个量子数来描述电子的行为，于1925年提年提出了泡利不相容原理。出了泡利不相容原理。 泡利不相容原理的提出，给反常塞曼效应的解释提供了泡利不相容原理的提出，给反常塞曼效应的解释提供了条件。他也因此获得条件。他也因此获得1945年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。131各种原子核外电子的排布各种原子核外电子的排布按照量子理论，原子中各个电子的运动按照量子理论，原子中各个电子的运动状态都可用四个量子数来描述：状态都可用四个量子数来描述：(l)主量子数主量子数 n ： nl，2， 3，. 电子的能量主要由电子的能量主要由 主量子数决定。主量子数决定。 (2)角量子数角量子数 ： = 0，1，2，, n -1 它决定电子绕核运动的轨道角动量的大小。它决定电子绕核运动的轨道角动量的大小。 一般处于同一主量子数一般处于同一主量子数 n，而角量子数，而角量子数 l 不同不同 的电子，其能量也略有不同。的电子，其能量也略有不同。 (3)磁量子数磁量子数ml：ml = 0，1，2， .它决定电子轨道角动量在外磁场中的指向。它决定电子轨道角动量在外磁场中的指向。 ( (微观粒子的不可分辨性和微观粒子的不可分辨性和) )泡利不相容原理泡利不相容原理132 (4) 自旋磁量子数自旋磁量子数 ms：ms1/2. 它决定电子自旋角动量在外磁场中的指向。它决定电子自旋角动量在外磁场中的指向。 至于自旋量子数至于自旋量子数 s1/2 ,只有一种数值，只有一种数值， 就不作为不同的运动状态的标志了。就不作为不同的运动状态的标志了。原子中电子的运动状态原子中电子的运动状态 是否可以是否可以任意选取任意选取这些量子数而不受限制呢这些量子数而不受限制呢? 原子中各电子的运动状态应同时满足原子中各电子的运动状态应同时满足 泡利不相容原理泡利不相容原理和和能量最小原理能量最小原理。多电子原子中电子的运动状态多电子原子中电子的运动状态 都可用都可用 n , , ，ms四个量子数来确定。四个量子数来确定。实验表明实验表明133 泡利不相容原理泡利不相容原理：不可能有两个或不可能有两个或 两个两个以上的电子处在同一量子状态，以上的电子处在同一量子状态， 即原子中的即原子中的电子不可能有完全相同的四个量子数。电子不可能有完全相同的四个量子数。 为此获得了为此获得了 1945年年 诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。 (WPauli,奥地利人奥地利人 19001958)泡利泡利但是，泡利不相容原理反映但是，泡利不相容原理反映的这种电子状态的排斥性的的这种电子状态的排斥性的物理本质是什么？物理本质是什么？至今尚不清楚。至今尚不清楚。1902诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖H.A.洛伦兹洛伦兹 荷兰荷兰塞曼效应的塞曼效应的发现和研究发现和研究1902诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖H.A.洛伦兹洛伦兹 荷兰荷兰塞曼效应的塞曼效应的发现和研究发现和研究分子结构和量子化学德拜,荷兰物理学家（18841966)；德国著名理论物理学家索末菲的学生和助手从1916年到1936年，德拜被15次提名为诺贝尔物理学奖的候选人；从1927年到1936年，德拜每年都被列入诺贝尔化学奖的提名。终于在1936年，德拜由于粉末法和研究分子的电偶极矩这两项工作，被授予诺贝尔化学奖。方面，首先要提到的工作。W.泡利泡利 发现泡利不发现泡利不相容原理相容原理1945诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖沃尔夫冈泡利，美籍奥地利科学家上1918 年中学毕业后就成为慕尼黑大学索末菲教授的研究生。他的物理老师著名的索末菲教授请他为德国正准备出版的百科全书写一篇关于相对论的文章，泡利居然完成了一部250 页的专题论著，使教授大为惊讶。1924年泡利的不相容原理不相容原理可以这样表述：一个原子中，任何两个轨道电子的4 个量子数不能完全相同。1940 年在美国普林斯顿高级研究所工作。此间，他还以科学的预见预言了中微子的存在预言了中微子的存在，获得普朗克奖章私人信件关于矩阵力学和波动力学的等价性证明矩阵力学和波动力学的等价性证明测不准原理测不准原理首先出现在他给海森堡的信件里dirac的泊松括号量子化的泊松括号量子化，泡利早就指出了这种对对易关系易关系的表示方法 pauli天才的洞察力不相容原理不相容原理这个原理的提出是在1924年，甚至早于海森堡提出量子力学.pauli是用他天才的洞察力从浩如烟海的光谱数据光谱数据中得出的不相容原理，其难度甚至远大过开普勒整理行星轨道的数据F.雷恩斯雷恩斯与与C.考温首次成功考温首次成功地观察到电子反中地观察到电子反中微子，为建立轻子微子，为建立轻子 -夸克物质结构图像夸克物质结构图像作出了重大贡献作出了重大贡献 1995诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖2002诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖小柴昌俊小柴昌俊 在在天天体体物物理理学学领领域域做做出出的的先先驱驱性性贡贡献献 2002诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖里里卡卡尔尔多多贾贾科尼科尼 在在天天体体物物理理学学领领域域做做出出的的先先驱驱性性贡贡献献 L.D.朗道朗道 研研究究凝凝聚聚态态物物质质的的理理论论，特特别别是是液液氦氦的研究的研究1962诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖列夫列夫达维多维奇达维多维奇朗道朗道1908年1月22日1968年4月1日），苏联苏联著名著名物理学家物理学家，凝聚态物理学凝聚态物理学的奠基人。的奠基人。 13岁的时候中学毕业，被送到一所经济专科学校。但是他对经济并不感兴趣，第二年进入巴库大学攻读数学和化学，成为该校年龄最小的学生。 1929年，朗道来到玻尔研究所，跟从著名物理学家玻尔等人研究量子力学。朗道曾经参与了苏联的核武器研制计划 在固体物理学方面，朗道提出了著名的元激发，引入了声子声子的概念。朗道在物理学中作出的最重要的十项贡献，被称为“朗道十诫”： 量子力学中的密度矩阵和统计物理学（1927年）；自由电子的抗磁性量子理论（1930年）；二级相变的研究（19361937年）；铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释（1935年）；超导体的混合态理论（1934年）；原子核的几率理论（1937年）；氦超流性的量子理论（19401941年）；基本粒子的电荷约束理论（1954年）；费米液体的量子理论（1956年）；弱相互作用的CP不变性（1957年）.147光光( (波波) )具有粒子性，具有粒子性，一一. . 德布罗意假设德布罗意假设实物粒子是否具有波动性实物粒子是否具有波动性? ?L.V. de Broglie （法，（法，1892-1986）1924.11.29.德布洛意把德布洛意把题为题为“量子理论的研究量子理论的研究”的博士论文提交巴黎大学的博士论文提交巴黎大学: :粒子的波动性粒子的波动性一个能量为一个能量为E,动量为动量为 P 的的实物粒子同时具有实物粒子同时具有波动性波动性, , 且且: :与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为物质波，物质波，或德布罗意或德布罗意波。波。 德布罗意波长。德布罗意波长。德布罗意德布罗意 法国法国物理学家。物理学家。1892年年8月月15日生于下塞纳的迪耶普。日生于下塞纳的迪耶普。出身贵族。出身贵族。1910年获巴黎大学年获巴黎大学文学学士学位，文学学士学位，1913年获理学年获理学硕士学位。第一次世界大战期硕士学位。第一次世界大战期间，在埃菲尔铁塔上的军用无间，在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役。战后一方面参线电报站服役。战后一方面参与他哥哥的物理实验工作，一与他哥哥的物理实验工作，一方面拜方面拜朗之万朗之万为师，研究与量为师，研究与量子有关的理论物理问题，攻读子有关的理论物理问题，攻读博士学位。博士学位。德布罗意波德布罗意波德布罗意德布罗意(LouisVictordeBroglie,18921989)：19231923年年9 91010月间，连续在法国科学院通报上发表三篇短月间，连续在法国科学院通报上发表三篇短文：辐射文：辐射波和量子、光学波和量子、光学光量子、衍射和干涉、光量子、衍射和干涉、物理学物理学量子、气体动理论及费马原理，量子、气体动理论及费马原理，在在19241924年通过的年通过的博士论文量子论研究中提出了德布罗意波（相波）理论。博士论文量子论研究中提出了德布罗意波（相波）理论。19271927年由美国贝尔实验室的年由美国贝尔实验室的戴维孙戴维孙(C(CJ JDavisson)Davisson)、革未革未(L(LH HGermer)Germer)及英国的及英国的汤姆孙汤姆孙(G(GP PThomson)Thomson)通过电子衍射实验证实，通过电子衍射实验证实，19291929年获诺贝尔物理学奖，年获诺贝尔物理学奖，成为第一个以学位论文获得诺贝尔成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖金的学者。奖金的学者。19321932年任巴黎大学物理教授，年任巴黎大学物理教授，19331933年被选为法国年被选为法国科学院院士科学院院士。19421942年任该院常任秘书，年任该院常任秘书，19621962年退休，年退休，19871987年年3 3月去世，享年月去世，享年9595岁。主要著作有：波动力学导论，物质岁。主要著作有：波动力学导论，物质和光：新物理学，物理学中的革命，海森伯不确定关和光：新物理学，物理学中的革命，海森伯不确定关系和波动力学的概率诠释等。系和波动力学的概率诠释等。L.V.德布罗德布罗意意 电子波动性电子波动性的理论研究的理论研究1929诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 德布罗意是爱因斯坦光量子假说的追随者，但他深感德布罗意是爱因斯坦光量子假说的追随者，但他深感爱因斯坦地光量子理论并没有使从爱因斯坦地光量子理论并没有使从牛顿牛顿-惠更斯惠更斯时代起就时代起就存在的光的存在的光的微粒说和波动说微粒说和波动说的分歧得到解决，只不过是使的分歧得到解决，只不过是使光的微粒说又重新抬头而已。光的微粒说又重新抬头而已。 工作的重点放在用统一的理论描述光的行为，即想给工作的重点放在用统一的理论描述光的行为，即想给光量子假说再披上一件波动的外衣，同时希望能把这一结光量子假说再披上一件波动的外衣，同时希望能把这一结论推广到实物粒子上。论推广到实物粒子上。思维过程：思维过程： 德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲电子的波动性中说：德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲电子的波动性中说： 人们无法理解，为什么对于光来说，需要两种相互矛盾的学说，人们无法理解，为什么对于光来说，需要两种相互矛盾的学说，即波动说和微粒说。为什么原子中的电子只有可能进行某些运即波动说和微粒说。为什么原子中的电子只有可能进行某些运动，而按经典概念它应当有无穷多的运动。动，而按经典概念它应当有无穷多的运动。 当我开始思考这些困难时，主要有两个问题吸引着我。第当我开始思考这些困难时，主要有两个问题吸引着我。第一个问题是，不能认为光量子理论是令人满意的，因为它是用一个问题是，不能认为光量子理论是令人满意的，因为它是用=h=h这个关系式来确定光微粒的能量，其中包含着频率这个关系式来确定光微粒的能量，其中包含着频率。可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说，可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说，单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。另一单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。另一个问题是，个问题是，确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而至今物确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而至今物理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象。理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象。这使我想到，这使我想到，不能用简单的微粒来描述电子本身，而应当赋予它们以周期的不能用简单的微粒来描述电子本身，而应当赋予它们以周期的概念。概念。 于是我得出指导我进行研究的全部概念，对于物质和辐射，于是我得出指导我进行研究的全部概念，对于物质和辐射，尤其是光，需要同时引进微粒概念和波动概念。尤其是光，需要同时引进微粒概念和波动概念。3.物质波假设的提出：物质波假设的提出： 19241924年年 ，德布罗意在博士论文中提出：不仅光具有波，德布罗意在博士论文中提出：不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子粒二象性，一切实物粒子( (如电子、原子、分子等如电子、原子、分子等) )也都具有也都具有波粒二象性；具有确定动量波粒二象性；具有确定动量 P P 和确定能量和确定能量 E E 的实物粒子相的实物粒子相当于频率为当于频率为 和波长为和波长为 的波，二者之间的关系如同光子的波，二者之间的关系如同光子和光波的关系一样，满足：和光波的关系一样，满足：这种和实物粒子相联系的波这种和实物粒子相联系的波称为称为 德布罗意波德布罗意波 或或 物质波物质波 。 德布罗意在论文中提出如下预言：德布罗意在论文中提出如下预言：“从很小的孔穿过的电从很小的孔穿过的电子束能够呈现衍射现象，这或许就是人们能借以寻找关于我们子束能够呈现衍射现象，这或许就是人们能借以寻找关于我们的想法的实验证据的方向。的想法的实验证据的方向。” 但德布罗意的论文当时并没有受到重视，但德布罗意的论文当时并没有受到重视，他希望用实验来他希望用实验来检验他的理论的建议，也未得到实验物理学家的响应。检验他的理论的建议，也未得到实验物理学家的响应。德布罗意的导师也认为他的思想大胆的近乎荒唐，不知该德布罗意的导师也认为他的思想大胆的近乎荒唐，不知该如何评价他论文，于是将论文的副本寄给了爱因斯坦，爱因如何评价他论文，于是将论文的副本寄给了爱因斯坦，爱因斯坦认为德布罗意理论体现了光子和物质微粒之间的对称性，斯坦认为德布罗意理论体现了光子和物质微粒之间的对称性，并称赞德布罗意并称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角已揭开了巨大帷幕的一角”。他曾向道维耶先生提过建议，请他用电子进行实验以获得他曾向道维耶先生提过建议，请他用电子进行实验以获得衍射和干涉现象，但道维耶正忙于其他工作，没有按照他的衍射和干涉现象，但道维耶正忙于其他工作，没有按照他的建议去做；建议去做；155（n=1,2,）驻波：驻波：r r 他还用物质波的概念成功地解释了玻尔提出的他还用物质波的概念成功地解释了玻尔提出的 轨道量子化条件轨道量子化条件： ？156若若 U=100伏伏 =1.225()经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。论文答辩会上有人问论文答辩会上有人问:“这种波怎样用实验耒证实呢？这种波怎样用实验耒证实呢？”电子的波长电子的波长:设电子动能由设电子动能由U伏电压加速产生伏电压加速产生 X射线波段射线波段德布洛意答：德布洛意答：“用电子在晶体上的衍射实验可以证实。用电子在晶体上的衍射实验可以证实。”估算：估算：4.德布罗意波的实验验证德布罗意波的实验验证 X X 射线照在晶体上可以产生衍射，如果物质波理论正射线照在晶体上可以产生衍射，如果物质波理论正确，那么电子打在晶体上也能观察电子衍射。确，那么电子打在晶体上也能观察电子衍射。 电子束在晶体表面散射实验时，观察到了和电子束在晶体表面散射实验时，观察到了和X X射线在晶体射线在晶体表面衍射相类似的衍射现象，从而证实了电子具有波动性。表面衍射相类似的衍射现象，从而证实了电子具有波动性。KDUM镍单晶镍单晶BG(1)(1)戴维孙戴维孙- -革末实验（革末实验（19271927）戴维森实验装置原理图戴维森实验装置原理图 C.J.戴维森与戴维森与 G.P.革末电子衍射现象的发现缘于一次革末电子衍射现象的发现缘于一次偶然事故，偶然事故，1925年年4月，他们在进行高真空条件下镍对电子月，他们在进行高真空条件下镍对电子的散射实验的散射实验(粒子性行为粒子性行为)时液态空气瓶爆裂，真空装置被时液态空气瓶爆裂，真空装置被打破，镍靶被进入的空气严重氧化。经过长时间加热镍靶打破，镍靶被进入的空气严重氧化。经过长时间加热镍靶并改进实验装置后再重新实验，发现散射电子的角分布完并改进实验装置后再重新实验，发现散射电子的角分布完全发生了改变。出现了同全发生了改变。出现了同X射线衍射相似的图样。后经查寻射线衍射相似的图样。后经查寻原因发现，是因为在对镍靶加热过程中，多晶镍重新结晶原因发现，是因为在对镍靶加热过程中，多晶镍重新结晶成几块较大的单晶体的缘故。但当时并不知道这一现象的成几块较大的单晶体的缘故。但当时并不知道这一现象的本质就是电子衍射。本质就是电子衍射。 1926年夏年夏C.J.戴维森到英国牛津参加一次科学会议，戴维森到英国牛津参加一次科学会议，获悉德布罗意理论，这才想到上述现象可能就是德布罗意获悉德布罗意理论，这才想到上述现象可能就是德布罗意波。波。 回到美国后，马上又重新做实验，并于回到美国后，马上又重新做实验，并于1927年公布了年公布了实验结果，完全证实了德布罗意理论。实验结果，完全证实了德布罗意理论。(2)(2)电子衍射实验电子衍射实验2 2 19271927年年 G.P. G.P.汤姆逊（汤姆逊（J.J.J.J.汤姆逊之子）汤姆逊之子） 也独立完成了电子也独立完成了电子衍射实验。但他是在德布罗意理论启发下自觉进行实验的。他衍射实验。但他是在德布罗意理论启发下自觉进行实验的。他采用了高能电子束穿过细晶体粉末或薄金属片做透射实验，很采用了高能电子束穿过细晶体粉末或薄金属片做透射实验，很快得到了衍射环，并计算出了相应的波长。快得到了衍射环，并计算出了相应的波长。 多晶多晶 铝铝 箔箔G.P.G.P.汤姆逊与汤姆逊与 C.J. C.J.戴维森共获戴维森共获 1937 1937 年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象3 3、约恩逊（、约恩逊（19601960）单缝衍射单缝衍射双缝衍射双缝衍射三缝衍射三缝衍射四缝衍射四缝衍射量子围栏量子围栏(Quantum Corral)中的驻波中的驻波 19931993年克罗米年克罗米(M(MF FCorrie)Corrie)等人用扫描电子显微镜技等人用扫描电子显微镜技术术, ,把铜把铜(111)(111)表面上的铁原子排列成半径为表面上的铁原子排列成半径为7.13nm7.13nm的圆环性的圆环性量子围栏量子围栏, ,并观测量到了围栏内的同心圆柱状驻波并观测量到了围栏内的同心圆柱状驻波, ,直接证实直接证实了物质波的存在了物质波的存在. .+ +探针探针物质波被广泛用作探索手段物质波被广泛用作探索手段. .例核反应产生的中子例核反应产生的中子( ( =0.1nm)=0.1nm)可作为晶体探测器可作为晶体探测器. .中子衍射显示的苯结构中子衍射显示的苯结构163一切实物粒子都有波动性一切实物粒子都有波动性 后来实验又验证了：质子、中子和原子、后来实验又验证了：质子、中子和原子、 分子等实物粒子都具有波动性，并都满足分子等实物粒子都具有波动性，并都满足 德布洛意关系。德布洛意关系。一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？ 估算：质量估算：质量m=0.01kg，速度，速度 v =300m/s的子弹的子弹 的德布洛意波长为的德布洛意波长为 波长小到实验难以测量的程度波长小到实验难以测量的程度( (足球也如此足球也如此) )，它们它们只表现出只表现出粒子性，并不是说粒子性，并不是说没有波动性没有波动性。波动光学波动光学几何光学几何光学 a :h 0 : 0 : 量子物理量子物理经典物理经典物理J.P.汤姆孙汤姆孙 通过实验发通过实验发现受电子照现受电子照射的晶体中射的晶体中的干涉现象的干涉现象1937诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖C.J.戴维孙戴维孙 通过实验发通过实验发现晶体对电现晶体对电子的衍射作子的衍射作用用1937诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖1.1.薛定谔简介薛定谔简介(ESchrdinger, 18871961) 奥地利奥地利理论物理学家，波动力学的创始人。理论物理学家，波动力学的创始人。 薛定谔薛定谔1887年生于维也纳。年生于维也纳。19061910年，在维也纳大学物理系学习。年，在维也纳大学物理系学习。1910年获得博士学位。毕业后，在维也纳大学第二物理研究所年获得博士学位。毕业后，在维也纳大学第二物理研究所工作。第一次世界大战期间，他服役于一个炮兵要塞，利用闲工作。第一次世界大战期间，他服役于一个炮兵要塞，利用闲暇研究理论物理学。战后回到第二物理研究所。暇研究理论物理学。战后回到第二物理研究所。1920年移居耶年移居耶拿，拿，担任担任M维恩的物理实验室助手维恩的物理实验室助手。1921年，薛定谔受聘到年，薛定谔受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授，在那里工作了瑞士苏黎士大学任数学物理学教授，在那里工作了6年。年。1927年接替普朗克任柏林大学理论物理学教授。同年当选为普鲁士年接替普朗克任柏林大学理论物理学教授。同年当选为普鲁士科学院院士科学院院士。1933年受德国纳粹党徒的迫害，离开苏黎士到英年受德国纳粹党徒的迫害，离开苏黎士到英国任牛津大学物理学教授。同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理国任牛津大学物理学教授。同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理学奖。学奖。波动力学的建立波动力学的建立19361936年回到奥地利的格拉兹，年回到奥地利的格拉兹，19381938年奥地利沦陷，薛定谔在年奥地利沦陷，薛定谔在格拉兹再度受到纳粹的迫害，于格拉兹再度受到纳粹的迫害，于9 9月月1 1日仅日仅“带了一只小小皮带了一只小小皮箱箱”逃往爱尔兰的都柏林，在都柏林高级研究所，成为理论逃往爱尔兰的都柏林，在都柏林高级研究所，成为理论物理学的领导。在那里，他逗留了物理学的领导。在那里，他逗留了1717年。在此期间，他继续年。在此期间，他继续从事科学研究，并发表了许多论文。从事科学研究，并发表了许多论文。19561956年，他回到奥地利，年，他回到奥地利，成为维也纳大学物理系的名誉教授。奥地利政府给了他极大成为维也纳大学物理系的名誉教授。奥地利政府给了他极大的荣誉，设立了以他的名字命名的国家奖金，并把第一次奖的荣誉，设立了以他的名字命名的国家奖金，并把第一次奖金授予他本人。金授予他本人。 19571957年薛定谔接受了德国高级荣年薛定谔接受了德国高级荣誉勋章。他还被许多大学和科学团体誉勋章。他还被许多大学和科学团体授予荣誉学位，其中包括英国伦敦皇授予荣誉学位，其中包括英国伦敦皇家学会、柏林普鲁士科学院、奥地利家学会、柏林普鲁士科学院、奥地利科学院等。科学院等。19611961年年1 1月月4 4日，在奥地利日，在奥地利的阿尔卑巴赫山村病逝。的阿尔卑巴赫山村病逝。薛定谔薛定谔 1925 1925年前后，爱因斯坦正在研究气体理论，刚完成年前后，爱因斯坦正在研究气体理论，刚完成单单原子理想气体的量子理论原子理想气体的量子理论论文，但文中存在一个饽论。他论文，但文中存在一个饽论。他收到德布罗意的博士论文后，发现这一饽论可以用德布罗意收到德布罗意的博士论文后，发现这一饽论可以用德布罗意的理论很好的解决，于是续写了一篇论文的理论很好的解决，于是续写了一篇论文单原子理想气体单原子理想气体的量子理论的量子理论，于，于19251925年发表。薛定谔当时也在研究气体年发表。薛定谔当时也在研究气体理论，他对爱因斯坦的论文很不理解，认为有错，于理论，他对爱因斯坦的论文很不理解，认为有错，于19251925年年2 2月月5 5日写信给爱因斯坦进行讨论。爱因斯坦在回信中建议他仔日写信给爱因斯坦进行讨论。爱因斯坦在回信中建议他仔细研究德布罗意的博士论文，这促使了薛定谔对德布罗意物细研究德布罗意的博士论文，这促使了薛定谔对德布罗意物质波思想的极大关注，并迅速掌握了德布罗意的新思想。到质波思想的极大关注，并迅速掌握了德布罗意的新思想。到薛定谔发表波动力学之前，薛定谔与爱因斯坦之间共同通了薛定谔发表波动力学之前，薛定谔与爱因斯坦之间共同通了九封信。九封信。在在19261926年年4 4月月2323日薛定谔给爱因斯坦的一封信中他说：日薛定谔给爱因斯坦的一封信中他说：“如果不是你的关于气体简并的第二篇论文把德布罗意的思如果不是你的关于气体简并的第二篇论文把德布罗意的思想摆在我面前，单靠我个人的力量，这个波动力学是根本无想摆在我面前，单靠我个人的力量，这个波动力学是根本无法建立起来的。法建立起来的。”与爱因斯坦的讨论：与爱因斯坦的讨论：德布罗意思想的影响：德布罗意思想的影响： 19251925年，著名物理学家年，著名物理学家德拜德拜主持了一个瑞士联邦技术学主持了一个瑞士联邦技术学院与苏黎世大学联合物理学讨论会，他指定由薛定谔报告德院与苏黎世大学联合物理学讨论会，他指定由薛定谔报告德布罗意理论。当薛定谔介绍完之后，布罗意理论。当薛定谔介绍完之后，德拜评论说，讨论波动德拜评论说，讨论波动而没有一个波动方程而没有一个波动方程，太幼稚了。几个星期以后，在另一次，太幼稚了。几个星期以后，在另一次报告会上，薛定谔说：报告会上，薛定谔说：“我的同事德拜说，要有一个波动方我的同事德拜说，要有一个波动方程，好，我已经找到了。程，好，我已经找到了。”这次讨论会，实际上就是薛定谔这次讨论会，实际上就是薛定谔事业的开端。事业的开端。 19261926年年上半年，薛定谔以上半年，薛定谔以作为本征值问题的量子化作为本征值问题的量子化为总题目，连续发表了六篇论文，为总题目，连续发表了六篇论文，系统的阐明了他的新理论。系统的阐明了他的新理论。他运用玻尔原子理论、矩阵力学、爱因斯坦波粒二相性思想他运用玻尔原子理论、矩阵力学、爱因斯坦波粒二相性思想和德布罗意物质波理论的内容，致力于用波函数来描述微观和德布罗意物质波理论的内容，致力于用波函数来描述微观客体在时空中的定态运动变化，建立相应的波动方程，并求客体在时空中的定态运动变化，建立相应的波动方程，并求解得到与实验相符的结果，创立了波动力学体系。解得到与实验相符的结果，创立了波动力学体系。波动力学的建立：波动力学的建立： 在在19261926年年1 1月份发表的论文中，他引入了波函数的概念，建月份发表的论文中，他引入了波函数的概念，建立了氢原子的定态薛定谔方程：立了氢原子的定态薛定谔方程：其中其中K=h/2K=h/2，根据边界条件，根据边界条件，E E只能取某些确定值这个方程只能取某些确定值这个方程才有稳定解，从而得出才有稳定解，从而得出E E的本征值为：的本征值为：这样量子化就成了薛定谔方程的自然结果。这样量子化就成了薛定谔方程的自然结果。由此得出量子化由此得出量子化是本征值的问题的结论。从而取代了认为规定的玻尔是本征值的问题的结论。从而取代了认为规定的玻尔- -索末索末菲量子化条件。菲量子化条件。 在在19261926年发表的第二篇论文中，薛定谔建立了更为一般年发表的第二篇论文中，薛定谔建立了更为一般的的含时间的薛定谔方程含时间的薛定谔方程，并讨论了它的解。，并讨论了它的解。 在在5 5、6 6月份发表的月份发表的量子化的本征值问题量子化的本征值问题的第三、的第三、第四篇论文中，薛定谔详细叙述了与时间无关的第四篇论文中，薛定谔详细叙述了与时间无关的微扰理论微扰理论（定态微扰）和含时微扰的微分方程。完成了波动力学的（定态微扰）和含时微扰的微分方程。完成了波动力学的建立。建立。 由于薛定谔方程是在不发生实物粒子的产生泯灭，且由于薛定谔方程是在不发生实物粒子的产生泯灭，且实物粒子的速度远小于光速两个假设的基础上建立的，因实物粒子的速度远小于光速两个假设的基础上建立的，因而是而是非相对论性的理论非相对论性的理论。E.薛定谔薛定谔 量子力学的量子力学的广泛发展广泛发展1933诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖波函数波函数的物理意义：的物理意义： 薛定谔认为，波函数薛定谔认为，波函数代表着电荷在实际空间中的连续分代表着电荷在实际空间中的连续分布，布，并定义并定义* *为电荷分布的为电荷分布的“权重函数权重函数”，而电荷，而电荷P=eP=e* *。他认为他认为波包就是粒子最密集的地方波包就是粒子最密集的地方。但这种波包的数学形式。但这种波包的数学形式（波函数）会随时间无限扩展，因而波包会在极短的时间内消（波函数）会随时间无限扩展，因而波包会在极短的时间内消失，不符合实物粒子的稳定性。失，不符合实物粒子的稳定性。 由于有了玻恩的诠释，波动力学才为物理学家们普遍接受，由于有了玻恩的诠释，波动力学才为物理学家们普遍接受，玻恩也因量子力学方面的基本研究，特别是波函数的统计解释，玻恩也因量子力学方面的基本研究，特别是波函数的统计解释，和德国物理学家和德国物理学家W W博思分享了博思分享了1954年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 1926 1926年年6 6月，月，玻恩玻恩在题为散射过程中的量子力学的论在题为散射过程中的量子力学的论文中，文中，提出了波函数的统计解释：在空间某点找到粒子的几提出了波函数的统计解释：在空间某点找到粒子的几率，正比于该点波函数率，正比于该点波函数的平方。的平方。 这种解释的提出也是受益于爱因斯坦的启发，玻恩后来这种解释的提出也是受益于爱因斯坦的启发，玻恩后来回忆到：回忆到：“爱因斯坦的观点又一次引导了我。他曾经把光波爱因斯坦的观点又一次引导了我。他曾经把光波的振幅解释为光子出现的几率密度的振幅解释为光子出现的几率密度。”174玻恩对波函数的统计诠释玻恩对波函数的统计诠释 1926 1926年玻恩年玻恩为了把为了把“颗粒性颗粒性”与与“可叠加性可叠加性” 统一起来，提出，统一起来，提出， 要描述微观粒子的运动，应该用一个函数（称为要描述微观粒子的运动，应该用一个函数（称为 波函数），它必须能把波函数），它必须能把“颗粒性颗粒性”与与 “可叠加性可叠加性” 统一起来！统一起来！ 玻恩玻恩人们常用复函数人们常用复函数 （ ）代表微观粒子的波函数。）代表微观粒子的波函数。 （ ）的物理意义在于：的物理意义在于：波函数的模的平方（波的强度）波函数的模的平方（波的强度）代表时刻代表时刻 t、在空间、在空间 点处，单位点处，单位体积元中微观粒子出现的概率。体积元中微观粒子出现的概率。175不同于经典波的波函数，它无直接的物理意义。不同于经典波的波函数，它无直接的物理意义。有意义的是有意义的是对单个粒子，对单个粒子，给出粒子的概率分布；给出粒子的概率分布；对对N N 个粒子，个粒子，给出粒子数的分布。给出粒子数的分布。在时刻在时刻 t、空间、空间 点处，点处，体积元体积元 dv 中发现微观粒子的概率为：中发现微观粒子的概率为：1954年年 玻恩获诺贝尔物理奖。玻恩获诺贝尔物理奖。 称为称为“概率（振）幅概率（振）幅”。 称为称为 概率密度概率密度。 M.玻恩玻恩 对量子力学的对量子力学的基础研究，特基础研究，特别是量子力学别是量子力学中波函数的统中波函数的统计解释计解释1954诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖177概率波与概率幅概率波与概率幅如何对波粒二象性正确理解？如何对波粒二象性正确理解？1949年，前苏联物理学家年，前苏联物理学家费格尔曼费格尔曼做了做了 一个非常精确的一个非常精确的弱电子流衍射实验弱电子流衍射实验。电子几乎是一个一个地通过双缝，电子几乎是一个一个地通过双缝，底片上出现一个一个的点子。底片上出现一个一个的点子。（显示出电子具有粒子性）（显示出电子具有粒子性）开始时底片上的点子开始时底片上的点子“无规无规”分布，随着分布，随着电子增多，逐渐形成双缝衍射图样。电子增多，逐渐形成双缝衍射图样。二象性是单个微观粒子的属性二象性是单个微观粒子的属性178单电子双缝衍射实验：单电子双缝衍射实验：7个电子个电子100个电子个电子30002000070000说明衍射图样不是电子说明衍射图样不是电子相互作用的结果相互作用的结果, ,它来源它来源于单个电子具有的波动性。于单个电子具有的波动性。179 衍射图样对一个电子来说，每个电子到达屏上衍射图样对一个电子来说，每个电子到达屏上各点有一定概率，衍射图样是一个电子出现概率的各点有一定概率，衍射图样是一个电子出现概率的统计结果。统计结果。德布洛意波（物质波）也称为德布洛意波（物质波）也称为概率波。概率波。 怎样理解微观粒子的二象性：怎样理解微观粒子的二象性：（1 1）粒子性）粒子性 指它与物质相互作用的指它与物质相互作用的“颗粒性颗粒性”或或 “整体性整体性”。 但不是经典的粒子！因为微观粒子但不是经典的粒子！因为微观粒子 没有没有确定的确定的轨道，轨道， 应抛弃应抛弃“轨道轨道”的概念！的概念！180（2 2）波动性）波动性 指它在空间传播有指它在空间传播有“可叠加性可叠加性”， 有有“干涉干涉”、“衍射衍射”、“偏振偏振”等现象。等现象。 但不是经典的波！因为它没有某种实际但不是经典的波！因为它没有某种实际 物理量（如质点的位移、电场、磁场等）物理量（如质点的位移、电场、磁场等） 的波动。的波动。 微观粒子在某些条件下表现出粒子性，微观粒子在某些条件下表现出粒子性， 在另一些条件下表现出波动性，在另一些条件下表现出波动性， 而而两种性质两种性质虽寓于同一体中，虽寓于同一体中， 却却不能同时表现出来不能同时表现出来。181少女？少女？老妇？老妇？两种图象不会两种图象不会同时出现在你同时出现在你的视觉中。的视觉中。玻恩，M.(Max Born 18821970)德国德国理论物理学家，量子力学的奠基人之一。1882年12月11日出生于普鲁士的布雷斯劳。1901年进入布雷斯劳大学，1905年前后到哥廷根大学听D希耳伯特、希耳伯特、H闵可夫斯基等数学、物理学大师讲学闵可夫斯基等数学、物理学大师讲学，于1907年通过博士考试。1912年受聘为哥廷根大学无薪金讲师，同年与Tvon卡门合作发表了关于空间点阵的振动的著名论文，从此开始了他以后几十年创立点阵理论的事业。1933年希特勒在德国掌权后，玻恩由于犹太血统关系被剥夺了教授职位和财产。他流亡到英国，在剑桥大学讲学一个时期后，于1936年接替CG达尔文任爱丁堡大学教授，1937年当选为英国伦敦皇家学会会员。1953年玻恩退休，回到哥廷根。1954年荣获诺贝尔物理学奖。玻恩还是柏林、哥廷根、哥本哈根、斯德哥尔摩等许多科学院的院士。此外，玻恩对固体理论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(18791960)用实验确定晶格结构的工作。1925年玻恩年玻恩写了一本关于晶体理论的书，开创了一门新学科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。晶格动力学。1954年他和我国著名物理学家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。誉为有关理论的经典著作。他还研究了流体动力学、非线性动力学等。1953年退休以后，玻恩还劲头十足地研究爱因斯坦的统一场论。他的学生，如泡利、海森伯泡利、海森伯和我国的黄昆黄昆等。在哥廷根他的墓碑上刻着关系式：pqqp=h/2m。玻恩生前认为是这他对科学做出的最重要玻恩生前认为是这他对科学做出的最重要的一项贡献。的一项贡献。 海森堡的贡献海森堡的贡献 德国物理学家德国物理学家，1901年出生年出生于维尔斯堡的一个教师家庭，于维尔斯堡的一个教师家庭，1920年进入慕尼黑大学物理系，师年进入慕尼黑大学物理系，师从从索末菲索末菲攻读理论物理学，攻读理论物理学，第一学第一学期就在解释反常塞曼效应时首先引期就在解释反常塞曼效应时首先引入了半量子数，第二学期结合听入了半量子数，第二学期结合听液体力学课程，写出了有关涡液体力学课程，写出了有关涡流的论文，深得其师赏识流的论文，深得其师赏识。 1922年年6月，海森堡亦随同索末菲参加月，海森堡亦随同索末菲参加了玻尔的一次系列演讲，海森堡的了玻尔的一次系列演讲，海森堡的提问引起了玻尔的注意提问引起了玻尔的注意。海森堡海森堡矩阵力学矩阵力学 在矩阵力学的建立中，海森堡于在矩阵力学的建立中，海森堡于1925年首先取得突破性年首先取得突破性成果，后来由海森堡、波恩和约当三人共同完成。成果，后来由海森堡、波恩和约当三人共同完成。1923年考取博士，先后跟随年考取博士，先后跟随玻恩和玻尔玻恩和玻尔学习，并在他们的指导学习，并在他们的指导下，研究量子伦。海森堡曾经说过下，研究量子伦。海森堡曾经说过：“在索莫菲那里学了物理，在索莫菲那里学了物理，玻恩那里学了数学，玻尔那里学了哲学。玻恩那里学了数学，玻尔那里学了哲学。” 海森堡海森堡1925年年7月创建矩阵力学月创建矩阵力学，1927年提出测不准关系年提出测不准关系，同年任莱比锡大学理论物理学教授，同年任莱比锡大学理论物理学教授，1941年任柏林大学物理学年任柏林大学物理学教授和威廉皇家物理研究所所长。因创立量子力学获教授和威廉皇家物理研究所所长。因创立量子力学获1932年诺年诺贝尔物理学奖，贝尔物理学奖，1976年年2月月1日在慕尼黑的家中去世。日在慕尼黑的家中去世。 海森堡认为，海森堡认为，理论必须建立在实验中可观察量的基础上，理论必须建立在实验中可观察量的基础上，他他“相信应该不考虑原子里有电子轨道的问题，而应该只用和相信应该不考虑原子里有电子轨道的问题，而应该只用和谱线强度相联系的频率和振幅来处理谱线强度相联系的频率和振幅来处理。” 他同时认为，他同时认为，玻尔的对应原理玻尔的对应原理-经典物理学规律和量子经典物理学规律和量子物理学规律间存在一种有启发价值的形式类比，是一条重要的物理学规律间存在一种有启发价值的形式类比，是一条重要的指导原则指导原则。“力图创立一种与经典力学形式体系尽可能密切对力图创立一种与经典力学形式体系尽可能密切对应的量子力学形式体系应的量子力学形式体系”。 1925年年7月，海森堡写了月，海森堡写了关于运动学和力学关系的量关于运动学和力学关系的量子论新释子论新释，在文中，他按照经典力学中用振幅和频率表示，在文中，他按照经典力学中用振幅和频率表示坐标的方法，坐标的方法，得出量子论的得出量子论的x x表达式：表达式：在量子论中，频率可由玻尔的跃迁定则在量子论中，频率可由玻尔的跃迁定则 h h=E=En n-E-En-m n-m 给出。给出。海森堡提出，用数集海森堡提出，用数集AAn,mn,m e ej(n,m)tj(n,m)t 表示坐标表示坐标X(t)X(t)。这样，。这样，如果用如果用A A表示表示X(t)X(t)，B B表示表示Y(t)Y(t)，那么，那么X(t)X(t)和和Y(t)Y(t)的乘积的乘积C C与与A A、B B的关系就是：的关系就是：他认为他认为n n是原子定态的量子是原子定态的量子数，光谱频率数，光谱频率和振幅和振幅A A是是原子现象的可观察量。原子现象的可观察量。这个关系被称为海森堡乘法规则。（注意：在量子论中这个关系被称为海森堡乘法规则。（注意：在量子论中ABAB和和BABA不一定相等）由此奠定了矩阵力学的基础。不一定相等）由此奠定了矩阵力学的基础。海森堡的数学方法，当时对大多数物理学家并不熟悉，包括海海森堡的数学方法，当时对大多数物理学家并不熟悉，包括海森堡本人也没有把握，他说：森堡本人也没有把握，他说：“xy“xy不等于不等于yxyx这一事实，当时对这一事实，当时对我来说是很讨厌的。我认为在整个方案中这是唯一的困难，否我来说是很讨厌的。我认为在整个方案中这是唯一的困难，否则我将非常快活。则我将非常快活。”后来海森堡把论文交给了玻恩，请他决定后来海森堡把论文交给了玻恩，请他决定有无发表的价值。波恩经过几天的思考后，将论文推荐到物有无发表的价值。波恩经过几天的思考后，将论文推荐到物理纪事予以发表。玻恩后来回忆说：理纪事予以发表。玻恩后来回忆说：“当时海森堡的乘法规当时海森堡的乘法规则使我不安，经过八天的苦思冥想，我回忆起在布莱斯劳大学则使我不安，经过八天的苦思冥想，我回忆起在布莱斯劳大学时我从老师罗森斯时我从老师罗森斯(Rosanes)(Rosanes)教授学到过的代数理论教授学到过的代数理论。”这就是这就是7070年前被创立的矩阵演算年前被创立的矩阵演算，所以海森堡的理论就被称为，所以海森堡的理论就被称为“矩阵矩阵力学力学”。希特勒发动波兰战争时，命令海森堡来柏林，并要他写出核裂希特勒发动波兰战争时，命令海森堡来柏林，并要他写出核裂变可利用报告。他花了半个月的时间写了出来，但是，他本人变可利用报告。他花了半个月的时间写了出来，但是，他本人虽然不公开反纳粹，却反对使用原子武器。虽然不公开反纳粹，却反对使用原子武器。到了到了1942 1942 年年中，纳粹军械局将上述铀裂变项目转交民年年中，纳粹军械局将上述铀裂变项目转交民用部门负责。海森堡被任命为凯萨用部门负责。海森堡被任命为凯萨- -威海姆物理研究所所威海姆物理研究所所长兼柏林大学教授，计划在柏林进行核武器的具体研制和长兼柏林大学教授，计划在柏林进行核武器的具体研制和大规模实验。其中包括大规模实验。其中包括1941 1941 年年9 9 月的哥本哈根之行。海月的哥本哈根之行。海森堡是否在哥本哈根将德国的核武器计划泄露给了玻尔已森堡是否在哥本哈根将德国的核武器计划泄露给了玻尔已成为一个历史谜团。成为一个历史谜团。“世界只在两件事情上还会想到我：一是我于世界只在两件事情上还会想到我：一是我于1941 1941 年到年到哥本哈根拜访过尼尔斯哥本哈根拜访过尼尔斯玻尔，二是我的则不准原理玻尔，二是我的则不准原理”。海森堡不仅对量子力学感兴趣，对艺术和音乐也十分在行。海森堡不仅对量子力学感兴趣，对艺术和音乐也十分在行。他的研究风格与达他的研究风格与达芬奇作画时尽量利用素描、色彩和光芬奇作画时尽量利用素描、色彩和光线的明暗等手段相似，力求达到客观与主观的协调一致。线的明暗等手段相似，力求达到客观与主观的协调一致。海森堡对音乐的解释是，音乐如同语言，极具个性化；而海森堡对音乐的解释是，音乐如同语言，极具个性化；而物理研究也如同作曲，古典物理犹如巴赫的交响曲。物理研究也如同作曲，古典物理犹如巴赫的交响曲。玻恩的工作玻恩的工作 随即波恩运用海森堡的矩阵方法为海森堡的理论建立严密随即波恩运用海森堡的矩阵方法为海森堡的理论建立严密的数学基础，当时海森堡已去英国剑桥访问，玻恩找了年轻的数学基础，当时海森堡已去英国剑桥访问，玻恩找了年轻数学家约当作助手，于同年数学家约当作助手，于同年9月发表月发表关于量子力学关于量子力学。在在论论文文中中，他他们们采采用用海海森森堡堡的的形形式式，不不仅仅把把坐坐标标q q用用矩矩阵阵表表示示，把把动动量量p p也也用用矩矩阵阵表表示示，首首次次给给矩矩阵阵力力学学以以严严格格的的表表述述。他他们们从从量子化条件出发，运用对应原理，得到了量子化条件出发，运用对应原理，得到了p p和和q q的对易关系的对易关系：并称这一关系为并称这一关系为“准确量子条件准确量子条件”。随后他们把它当作理论。随后他们把它当作理论体系的基本出发点，运用它去处理谐振子和非谐振子的有关问体系的基本出发点，运用它去处理谐振子和非谐振子的有关问题，得到了与海森堡相同的结果。题，得到了与海森堡相同的结果。( (I I-单位矩阵单位矩阵) ) 19251925年年1111月，海森堡、玻恩和约当合作完成了论文关于量月，海森堡、玻恩和约当合作完成了论文关于量子力学子力学。论文中，他们将结果推广到多自由度和有简并的论文中，他们将结果推广到多自由度和有简并的情况，系统的论述了本征值问题，建立了定态微扰和含时间微情况，系统的论述了本征值问题，建立了定态微扰和含时间微扰的基础，讨论了角动量、谱线强度和选择定则，奠定了以矩扰的基础，讨论了角动量、谱线强度和选择定则，奠定了以矩阵形式表示的量子力学的基础理论。阵形式表示的量子力学的基础理论。对立：对立： 随着波动力学和矩阵力学的创立，在同一研究领域出现随着波动力学和矩阵力学的创立，在同一研究领域出现了两个形式完全不同、但同样有效的量子理论。开始时，两种了两个形式完全不同、但同样有效的量子理论。开始时，两种理论的创立者对对方的理论都抱有排斥甚至敌视的态度。理论的创立者对对方的理论都抱有排斥甚至敌视的态度。海森海森堡给泡利的信中写到：堡给泡利的信中写到：“我越是思考薛定谔理论的物理内容，我越是思考薛定谔理论的物理内容，就越感到憎恨。就越感到憎恨。”同样，薛定谔对矩阵力学也很反感，他说；同样，薛定谔对矩阵力学也很反感，他说；“这种超越代数的方法简直无法想象，它如果不使我拒绝的话，这种超越代数的方法简直无法想象，它如果不使我拒绝的话，至少使我气馁。至少使我气馁。”波动力学和矩阵力学的等价性：波动力学和矩阵力学的等价性：等价：等价：后来薛定谔认真钻研了矩阵力学后来薛定谔认真钻研了矩阵力学，于，于1926年年4月发表了月发表了关于海森堡关于海森堡-玻恩玻恩-约当的量子力学与我的波动力学之间的关约当的量子力学与我的波动力学之间的关系，从数学上证明了两种理论的等价性：海森堡的矩阵可以系，从数学上证明了两种理论的等价性：海森堡的矩阵可以由薛定谔的本征函数构成，反之亦然。由薛定谔的本征函数构成，反之亦然。5月，薛定谔写信给狄月，薛定谔写信给狄拉克，说明了两种理论的一致性。拉克，说明了两种理论的一致性。 两种理论都是以微观粒子具有波粒二相性这一实验事实两种理论都是以微观粒子具有波粒二相性这一实验事实为基础，通过与经典理论的类比而建立起来的。后来，为基础，通过与经典理论的类比而建立起来的。后来，把矩阵把矩阵力学和波动力学合在一起，统称为量子力学。力学和波动力学合在一起，统称为量子力学。W.海森堡海森堡 创立量子力创立量子力学，并导致学，并导致氢的同素异氢的同素异形的发现形的发现1932诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 狄拉克狄拉克得知这一新的量子力学后，用了几个星期即发表了得知这一新的量子力学后，用了几个星期即发表了多篇文章。由于狄拉克熟悉哈密顿力学，他发现这一新量子力多篇文章。由于狄拉克熟悉哈密顿力学，他发现这一新量子力学中的对易关系，形式上与经典力学中的泊松括号相当。在学中的对易关系，形式上与经典力学中的泊松括号相当。在19251925年年1111月发表的论文量子力学的基本方程中，狄拉克运月发表的论文量子力学的基本方程中，狄拉克运用泊松括号和对应原理，很简单的把经典力学方程改造为量子用泊松括号和对应原理，很简单的把经典力学方程改造为量子力学方程，并引进了狄拉克符号，从而力学方程，并引进了狄拉克符号，从而建立了相对论性量子力建立了相对论性量子力学。学。同时为粒子物理和量子电动力学奠定了基础，因此狄拉克同时为粒子物理和量子电动力学奠定了基础，因此狄拉克与薛定谔共获与薛定谔共获19331933年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。 1926 1926年年1 1月，在论文量子力学和氢原子的初步研究中，月，在论文量子力学和氢原子的初步研究中，狄拉克建立了一种代数方法狄拉克建立了一种代数方法，并将它用于氢原子光谱，推导，并将它用于氢原子光谱，推导出了巴尔末公式。出了巴尔末公式。 与此同时，与此同时，泡利泡利也成功的运用矩阵力学的方法解决了氢也成功的运用矩阵力学的方法解决了氢原子能级，得到了巴尔末公式和斯塔克效应，并求出旧量子原子能级，得到了巴尔末公式和斯塔克效应，并求出旧量子论无法解决的交叉电场中氢原子光谱的问题。论无法解决的交叉电场中氢原子光谱的问题。狄拉克和泡利的工作狄拉克和泡利的工作P.A.M.狄立克狄立克 量子力学的广泛量子力学的广泛发展，并预言正发展，并预言正电子的存在电子的存在 1933诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖狄拉克（19021984）是英国物理学家狄拉克在职业学校上中学，1918 年毕业后考入布里斯托尔大学电机系电机系。1921 年大学毕业，获电气工程学士学位电气工程学士学位。1923 年考入剑桥大学圣约翰学院当数学研究生。1925 年开始研究由海森伯等人创立的量子力学，1926 年发表题为量子力学的论文，获剑桥大学物理学博士学位，应邀任圣约翰学院研究员。狄拉克原来从事相对论动力学的研究，自从狄拉克原来从事相对论动力学的研究，自从1925 年海森年海森伯访问剑桥大学以后，狄拉克深受影响，把精力转向量子伯访问剑桥大学以后，狄拉克深受影响，把精力转向量子力学的研究。力学的研究。1928 年他把相对论引进了量子力学，建立年他把相对论引进了量子力学，建立了了相对论形式的薛定谔方程相对论形式的薛定谔方程，也就是著名的，也就是著名的狄拉克方程狄拉克方程。狄拉克对物理学的主要贡献是发展了量子力学，提出了著狄拉克对物理学的主要贡献是发展了量子力学，提出了著名的狄拉克方程，并且从理论上名的狄拉克方程，并且从理论上预言了正电子的存在预言了正电子的存在。狄拉克是量子辐射理论的创始人，曾经和费米各自独立发狄拉克是量子辐射理论的创始人，曾经和费米各自独立发现了现了费米费米-狄拉克统计法狄拉克统计法。特别值得一提的是，狄拉克早在本世纪三十年代，就从。特别值得一提的是，狄拉克早在本世纪三十年代，就从理论上提出可能存在理论上提出可能存在磁单极的预言磁单极的预言。近年来有关磁单极的。近年来有关磁单极的理论研究和实验探测取得了迅速发展。理论研究和实验探测取得了迅速发展。1982 年国外已有年国外已有报道，宣称有人发现了磁单极存在的证据。报道，宣称有人发现了磁单极存在的证据。C.D.安德孙安德孙 发现正电子发现正电子1937诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖德布罗意德布罗意提出物质波提出物质波19231923年，年，3131岁岁狄拉克狄拉克非相对论量子力学非相对论量子力学19261926年，年，2424岁岁波恩波恩对波函数的物理诠释对波函数的物理诠释玻尔玻尔互补原理和对量子力学诠释互补原理和对量子力学诠释19281928年年海森堡海森堡提出矩阵力学提出矩阵力学19251925年，年，2424岁岁薛定谔薛定谔提出波动方程提出波动方程19261926年，年，3939岁岁量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展泡利泡利提出不相容原理提出不相容原理19241924年年费米1901.09.29至1954.11.28）美国物理学家。生于意大利罗马。1922 年获比萨大学博士学位。1923 年前往德国。在玻恩的指导下从事研究工作。1924 年到荷兰莱顿研究所工作。1926 年任罗马大学理论物理学教授1944 年费米加入美国籍哥伦比亚大学1929 年，费米发展了量子统计学，用它来描述某类粒子大量聚集的行为，这类粒子人称费米子。由于电子、质子和中子构成普通物质的三种“建筑材料”都是费米子。1934 年用中子轰击原子核产生人工放射现象。开始中子物理学研究。被誉为“中子物理学之父”。1936 年出版的热力学讲义。成为后人教学用书的著名蓝本。1939 年3 月，费米与美国海军界接触，希望引起他们对发展原子武器的兴趣。爱因斯坦就此课题给罗斯福总统写了一封信以后，美国政府才对原子能给予重视。哈曼顿工程计划1941 年底，费米在哥伦比亚大学主持建造了世界上第一座原子反应堆，实现了自持式链式反应，为制造原子弹迈出了决定性的一步。1942 年12月2 日，在芝加哥，费米指导下设计和制造出来的核反应堆首次运转成功。这是原子时代的真正开端他于1954 年去逝。100 号化学元素鉘就是为纪念他而命名的。给费米发错的诺贝尔奖1938 年11 月10 日，也就是“93 号元素”发现4 年多以后，费米接到来自斯德哥尔摩的电话，瑞典科学院宣布费米获得诺贝尔物理学奖的奖状 奖金授予罗马大学恩里科费米教授，以表彰他认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素，以及他在这一研究中发现由慢中子引起的反应。”年，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼，与女物理学家梅特涅合作，试验用慢中子轰击铀元素，获得了令人难以置信的结果：铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，它们不是93 号新元素，而是56 号元素钡！1938 年11 月22日，也就是在诺贝尔奖颁发后的12天，哈恩把分裂原子的报告寄往柏林自然科学杂志，该杂志1939 年1 月便登出了哈恩的论文，推翻了费米的实验结果。显而易见，诺贝尔奖搞错了！费米提出一种假说：当铀核裂变时，会放射出中子。这些中子又会击中其它铀核，于是就会发生一连串的反应，直到全部原子被分裂。这就是著名的链式反应理论。 L.M.莱德曼莱德曼 从从事事中中微微子子波波束束工工作作及及通通过过发发现现介介子子中中微微子子从从而而对对轻轻粒粒子子对对称称结结构进行论证构进行论证1988诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖M.施瓦茨施瓦茨 从从事事中中微微子子波波束束工工作作及及通通过过发发现现介介子子中中微微子子从从而而对对轻轻粒粒子子对对称称结结构进行论证构进行论证1988诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖J.斯坦伯格斯坦伯格 从从事事中中微微子子波波束束工工作作及及通通过过发发现现介介子子中中微微子子从从而而对对轻轻粒粒子子对对称称结结构构进进行行论证论证1988诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖量子力学直到今天仍然具有丰富的生命力，量子力学直到今天仍然具有丰富的生命力，它的发展始终层出不穷。在今后相当长的它的发展始终层出不穷。在今后相当长的一段时间内，它仍将居于物理学创新的中一段时间内，它仍将居于物理学创新的中心。心。从量子力学诞生的时刻开始，尽管它的数从量子力学诞生的时刻开始，尽管它的数学结构非常严谨，但许多科学家仍然怀疑学结构非常严谨，但许多科学家仍然怀疑它并不是一个完备的物理理论。关于如何它并不是一个完备的物理理论。关于如何理解它的基本概念、基本图象和基本规律，理解它的基本概念、基本图象和基本规律，一直存在着深刻的、剧烈的争论。一直存在着深刻的、剧烈的争论。玻尔与爱因斯坦的争论：玻尔与爱因斯坦的争论： 量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以玻争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。波函数的几率诠释：波函数的几率诠释：在微观领域里，在微观领域里，力学的因果律和决定力学的因果律和决定论都遭到了破坏。论都遭到了破坏。在相同的实验条件下，在相同的实验条件下，可以发生各种不可可以发生各种不可预测个体量子过程，每次测量都会由于观测仪器与客体之间预测个体量子过程，每次测量都会由于观测仪器与客体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件，使通常情况下的不可控制的相互作用而引进新的实验条件，使通常情况下的因果链被打断因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。而把几率性看成是本质的。 1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所(1965年改名为玻尔研究所年改名为玻尔研究所)。并很快成为当时国际上公认的物理研究。并很快成为当时国际上公认的物理研究中心。逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学中心。逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，派。对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，代表人物有玻代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等尔、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的海森堡的“测不准关系测不准关系”和玻尔和玻尔的的“互补原理互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱支柱。1927年后，逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们年后，逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们称为量子力学的称为量子力学的“正统正统”解释。解释。1.量子力学的哥本哈根学派的诠释：量子力学的哥本哈根学派的诠释： 海森堡认为，微观粒子既不是经典的粒子，也不是经典的海森堡认为，微观粒子既不是经典的粒子，也不是经典的波；波；当人们用宏观仪器观测微观粒子时，就会发生观测仪器对当人们用宏观仪器观测微观粒子时，就会发生观测仪器对微观粒子行为的干扰，使人们无法准确掌握微观粒子的原来面微观粒子行为的干扰，使人们无法准确掌握微观粒子的原来面貌；而这种干扰是无法控制和避免的，就像盲人想知道雪花的貌；而这种干扰是无法控制和避免的，就像盲人想知道雪花的形状和构造。形状和构造。通过仔细分析，海森堡得出电子坐标的不确定程通过仔细分析，海森堡得出电子坐标的不确定程度度x x和动量的不确定程度和动量的不确定程度p p遵从：遵从：x xp ph h；同样，能同样，能量和时间这种正则共轭物理量也遵从测不准关系，海森堡认为量和时间这种正则共轭物理量也遵从测不准关系，海森堡认为“这种不确定性，这种不确定性，正是量子力学中出现统计关系的根本原因正是量子力学中出现统计关系的根本原因”。测不准关系：测不准关系：19271927年，海森堡在论文量子论中运动学和年，海森堡在论文量子论中运动学和动力学的可观测内容中，提出了著名的动力学的可观测内容中，提出了著名的“测不准原理测不准原理”。为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：用为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：用一个一个射线显微镜观测一个电子。射线显微镜观测一个电子。由于显微镜的分辨率受光由于显微镜的分辨率受光波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引起电子动量的变化就越大。起电子动量的变化就越大。因此电子的位置愈准确，就愈难因此电子的位置愈准确，就愈难确定电子的动量。反之亦然。确定电子的动量。反之亦然。互补原理：互补原理：海森堡认为，海森堡认为，测不准关系的存在，表明了位置和测不准关系的存在，表明了位置和动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限；动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限；玻尔玻尔则认为这一原理则认为这一原理并不表明粒子语言和波动语言的不适用性，只并不表明粒子语言和波动语言的不适用性，只是表明同时应用它们既是不可能的，但又必须同等应用它们才是表明同时应用它们既是不可能的，但又必须同等应用它们才能对物理现象提供完备的描述。能对物理现象提供完备的描述。也就是说，也就是说，微观粒子具有波粒微观粒子具有波粒二相性，二相性，正是用经典语言描述微观客体的结果正是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中，但经典理论中波和粒子这两种图象却不能同时存在，它们是相互排斥的，并波和粒子这两种图象却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述；且，无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图象结合起来、相互补充，才能提供微观客体的只有把这两种图象结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。完整描述。这就是玻尔的互补原理。这种互补概念适用与整个这就是玻尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种物理学，甚至成为一种哲学原理。哲学原理。哥本哈根学派的主要思想和观点大致可概括为四个方面：哥本哈根学派的主要思想和观点大致可概括为四个方面：可观察量是建立理论的基础和依据。可观察量是建立理论的基础和依据。量子跃迁是量子力学的最基本概念。量子跃迁是量子力学的最基本概念。描述微观客体的波函数是一种几率波，粒子出现的几率描述微观客体的波函数是一种几率波，粒子出现的几率 由波幅的平方所决定。由波幅的平方所决定。从实验中所观察到微观现象，满足测不准关系和互补原理。从实验中所观察到微观现象，满足测不准关系和互补原理。 以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、薛定谔、德布德布罗意罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：面：量子力学仅可建立在可观察量的基础上？量子力学仅可建立在可观察量的基础上？爱因斯坦对这一爱因斯坦对这一观点也提出异议。观点也提出异议。19261926年春天，他在海森堡的一次谈话中，年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了提出了“是理论决定我们能够观察到的东西是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。的观点。因果性还是几率波？因果性还是几率波？早在早在19201920年年1 1月月2727日，爱因斯坦针对泡日，爱因斯坦针对泡利反对连续区理论的观点表示了他自己对利反对连续区理论的观点表示了他自己对“完全的因果性完全的因果性”的的信念。信念。19241924年年4 4月爱因斯坦给玻恩夫妇的信中，他针对玻尔关月爱因斯坦给玻恩夫妇的信中，他针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：“玻尔关于玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”爱因斯坦的观点爱因斯坦的观点序幕：序幕：19261926年年9 9月月，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃量子跃迁的量子跃迁的概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。即以即以传统的连续性观念，代替量子力学理论中的间断性观念。薛传统的连续性观念，代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来，立即遭到玻尔的强烈反对。这一定谔的这一想法一提出来，立即遭到玻尔的强烈反对。这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。玻尔的互补原理：玻尔的互补原理：19271927年年9 9月，月，在意大利科摩召开的一次纪念在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上，玻尔第一次提出了意大利科学家伏打逝世一百周年的会上，玻尔第一次提出了“互补原理互补原理”。这篇演说。这篇演说不仅用物理学语言，而且还用了大不仅用物理学语言，而且还用了大量的哲学语言。量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔和这使科学家们感到震惊。薛定谔和M.V.M.V.劳厄劳厄不赞成玻尔的观点，不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在测不准关尤其是不同意把物理学建立在测不准关系或其他不确定的统计解释上。系或其他不确定的统计解释上。论战的爆发：论战的爆发：21519271927年第五届索尔威会议年第五届索尔威会议爱爱因因斯斯坦坦洛洛仑仑兹兹居居里里夫夫人人普普朗朗克克德德拜拜泡泡利利康康普普顿顿薛薛定定谔谔狄狄拉拉克克埃埃伦伦费费斯斯特特布布喇喇格格玻玻尔尔海海森森伯伯玻玻恩恩朗朗之之万万德德布布罗罗意意论战开始：论战开始：几个星期后，几个星期后，19271927年年1010月在布鲁塞尔召开了第五月在布鲁塞尔召开了第五次次索尔维会议索尔维会议。会议主题是。会议主题是“电子和光子电子和光子”。在玻恩和海森在玻恩和海森堡做关于矩阵力学的报告时指出堡做关于矩阵力学的报告时指出：“我们主张量子力学是一我们主张量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。被修改的。”这番话无疑是向不同意见提出了挑战。接着玻这番话无疑是向不同意见提出了挑战。接着玻尔阐述了他的尔阐述了他的“互补原理互补原理”，重复了他在科摩会议上的观点。，重复了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满，由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满，他曾在他曾在1926年年12月给玻恩写信时说：月给玻恩写信时说：“上帝不是在掷上帝不是在掷 子子”，当玻当玻恩问到爱因斯坦的意见时，爱因斯坦表示赞同量子力学的系恩问到爱因斯坦的意见时，爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释，但不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理综几率解释，但不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。（论的观点。（爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造极为不满，认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造成的，所以只能得出不确定的结果。）成的，所以只能得出不确定的结果。）爱因斯坦的发言掀起爱因斯坦的发言掀起了波浪，也从此引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的了波浪，也从此引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。公开争论。上帝会掷骰子么？爱因斯坦和玻尔两人在激烈争论后正陷入沉思之中爱因斯坦和玻尔两人在激烈争论后正陷入沉思之中双缝干涉实验：双缝干涉实验：爱因斯坦又想出了一个类似托马斯爱因斯坦又想出了一个类似托马斯杨的杨的双缝双缝干涉实验，如图所示。如果让大量电子通过干涉实验，如图所示。如果让大量电子通过A A、B B，会在屏，会在屏C C上上出现干涉条纹。若控制电子枪出现干涉条纹。若控制电子枪O O，让它一个一个的发射电子，让它一个一个的发射电子，屏屏C C上就会出现一个一个的亮点，并可测量他们的位置。如果上就会出现一个一个的亮点，并可测量他们的位置。如果分别关闭分别关闭M M或或N N，就可以知道电子是通过就可以知道电子是通过M M还是还是N N，从而可测出电，从而可测出电子的准确路径。子的准确路径。 由干涉条纹可计算电子波的波长，从而可精确确定电子的由干涉条纹可计算电子波的波长，从而可精确确定电子的动量。否定了测不准关系。动量。否定了测不准关系。 玻尔经过认真思考后反驳说，如果关闭狭缝玻尔经过认真思考后反驳说，如果关闭狭缝N和和M中的任中的任一个，实验状态就完全改变了，在双缝开启时出现的干涉现象一个，实验状态就完全改变了，在双缝开启时出现的干涉现象就不再出现，实验回到了单缝状态，只不过先后通过了两条单就不再出现，实验回到了单缝状态，只不过先后通过了两条单狭缝，等于多了一次与狭缝相互作用的不确定因素。更重要的狭缝，等于多了一次与狭缝相互作用的不确定因素。更重要的是，是，电子行为依赖于壁障上有没有另一条狭缝电子行为依赖于壁障上有没有另一条狭缝，即依赖于我们，即依赖于我们对实验的安排。这样，对实验的安排。这样，玻尔把爱因斯坦用来反驳互补原理的理玻尔把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验，反而变成了用互补原理说明波粒二相性的例子。想实验，反而变成了用互补原理说明波粒二相性的例子。 爱因斯坦并没有因为自己的质疑被玻尔化解而改变自己的爱因斯坦并没有因为自己的质疑被玻尔化解而改变自己的看法，他说过一句充分表达内心信念的名言看法，他说过一句充分表达内心信念的名言：“你相信掷你相信掷 子，子，我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。” 争论的高潮争论的高潮 在在1930年年10月召开的第六届索尔维会议上月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦与爱因斯坦与玻尔的争论达到一个高潮。会议主题是玻尔的争论达到一个高潮。会议主题是“物质的磁性物质的磁性”，不过不过关于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容。起因是爱因斯关于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容。起因是爱因斯坦提出了一个新的理想实验，试图从能量和时间这一对共轭变坦提出了一个新的理想实验，试图从能量和时间这一对共轭变量的测量来否定测不准关系。量的测量来否定测不准关系。“光子箱光子箱”实验：实验：如图示。一个光子箱悬挂在上底座上，不如图示。一个光子箱悬挂在上底座上，不消耗辐射能。箱壁上开一小孔消耗辐射能。箱壁上开一小孔C，并设有用计时装置控制的快，并设有用计时装置控制的快门。箱子下面挂一重物门。箱子下面挂一重物G，整个箱子重量可由装在箱子外面的，整个箱子重量可由装在箱子外面的指针测定。在从快门打开到闭合的时间指针测定。在从快门打开到闭合的时间t t里，只让一个光子里，只让一个光子飞出；飞出；t t可通过计时装置精确测定；由于飞出一个光子而引可通过计时装置精确测定；由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变起的整个箱子的质量改变m m也可精确测定，由只能关系式即也可精确测定，由只能关系式即可计算出能量的变化可计算出能量的变化EE。这样。这样tt和和EE就可同时精确测定。就可同时精确测定。测不准关系不再成立。测不准关系不再成立。 听了爱因斯坦听了爱因斯坦“光子箱光子箱”的发言，据说当时玻尔的发言，据说当时玻尔“面色苍面色苍白，呆若木鸡白，呆若木鸡”。面对这一严重挑战，玻尔经过一个不眠之夜面对这一严重挑战，玻尔经过一个不眠之夜的思考，终于找到了爱因斯坦的疏漏之处，第二天玻尔做了一的思考，终于找到了爱因斯坦的疏漏之处，第二天玻尔做了一个漂亮的回答。他指出，如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量个漂亮的回答。他指出，如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的，那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时，箱子必的，那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时，箱子必将沿重力方向发生运动。这时，即使重量的测量是准确的，但将沿重力方向发生运动。这时，即使重量的测量是准确的，但是由于箱子在重力场中发生了位置变化，箱子内的钟的快慢也是由于箱子在重力场中发生了位置变化，箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变，从而使时间的测量产将因广义相对论的红移效应而发生改变，从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由此得出结论：用这种仪器作为精确测生一个不确定量。玻尔由此得出结论：用这种仪器作为精确测定光子能量的工具，将不能控制光子逸出的时间。定光子能量的工具，将不能控制光子逸出的时间。 爱因斯坦精心设计的爱因斯坦精心设计的“光子箱光子箱”理想实验，不但没有难倒理想实验，不但没有难倒玻尔，反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不玻尔，反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责。承认玻尔的结论无可指责。 “EPR “EPR佯谬佯谬”：第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性，但是仍森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性，但是仍坚持认为量子力学是不完备的。坚持认为量子力学是不完备的。19351935年年5 5月爱因斯坦和美国物月爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基理学家波多尔斯基(B.E.Podolsky)(B.E.Podolsky)、罗森、罗森(N.Rosen)(N.Rosen)合作发表合作发表了能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，了能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，对量对量子力学完备性提出了有力的反驳，即子力学完备性提出了有力的反驳，即“EPR“EPR佯谬佯谬”。文章在论。文章在论述完述完“完备完备”理论的必要条件和鉴别理论的必要条件和鉴别“物理实在物理实在”的充分条件的充分条件后认为：后认为：对于一对共扼物理量只能是：或者认为量子态对于一对共扼物理量只能是：或者认为量子态对于对于实在的描述是不完备的；或者是对应于这两个不能对易的算符实在的描述是不完备的；或者是对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。的物理量不能同时具有物理的实在性。 最后爱因斯坦等人得出结论：最后爱因斯坦等人得出结论：量子力学的波函数只能描述量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系（系综）的性质，而不能准确的描述单个体多粒子组成的体系（系综）的性质，而不能准确的描述单个体系（如粒子）的某些性质；系（如粒子）的某些性质；但是一个完备性的理论应当能描述但是一个完备性的理论应当能描述物理实在（包括单个体系）的每个要素的性质，所以不能认为物理实在（包括单个体系）的每个要素的性质，所以不能认为量子力学理论描述是完备的。量子力学理论描述是完备的。 波尔对波尔对“EPR“EPR佯谬佯谬”的应答：的应答： 波尔认为，不可能以毫不含糊的方式来确定波尔认为，不可能以毫不含糊的方式来确定EPREPR所指的所指的那些物理量，因为物理量本身就同测量条件和方法紧密联系那些物理量，因为物理量本身就同测量条件和方法紧密联系着，确定物理量的这些条件使着，确定物理量的这些条件使EPREPR所做的关于所做的关于“实在实在”的定的定义在本质上就含糊不清了。义在本质上就含糊不清了。玻尔认为，任何量子力学测量结玻尔认为，任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态，而是关于这个客体果的报道给我们的不是关于客体的状态，而是关于这个客体侵没在其中的整个实验场合。这个整体性特点，就保证了量侵没在其中的整个实验场合。这个整体性特点，就保证了量子力学描述的完备性。子力学描述的完备性。没有结尾的尾声没有结尾的尾声 由于二次世界大战，争论平息了一个时期。直到由于二次世界大战，争论平息了一个时期。直到19481948年，年，爱因斯坦对爱因斯坦对EPREPR佯谬又做了一次深入的讨论。佯谬又做了一次深入的讨论。19491949年玻尔也年玻尔也发表了就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行商榷发表了就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行商榷的长篇文章，但基本都属于的长篇文章，但基本都属于“各说各的各说各的”的历史追述，而不的历史追述，而不像以前那样针锋相对的论战了。像以前那样针锋相对的论战了。 这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认，统计性这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认，统计性的量子理论为理论物理学代来了极其重大的进展；这个理论的量子理论为理论物理学代来了极其重大的进展；这个理论也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一起来的理论。玻尔更是这样，据他的助手回忆，在每一个重起来的理论。玻尔更是这样，据他的助手回忆，在每一个重大问题上，玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的；大问题上，玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的；19621962年年1111月月1818日玻尔逝世时，人们在他工作室的黑板上发现日玻尔逝世时，人们在他工作室的黑板上发现了两张草图，其中之一就是爱因斯坦的光子箱。了两张草图，其中之一就是爱因斯坦的光子箱。画着著名的“爱因斯坦盒子”理想实验的黑板 玻尔去世的前一天晚上，他在工作室黑板上所画的最后一个图，就是爱因斯坦的“光子箱”草图。 6.6.意义意义 爱因斯坦和玻尔的争论，使量子力学的意义不断得到澄爱因斯坦和玻尔的争论，使量子力学的意义不断得到澄清，一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论清，一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是：是：科学规律本质上是因果性的，还是概率性的？科学规律本质上是因果性的，还是概率性的？ 这场争论并没有破坏他们的友谊，他们相互尊重，为后人这场争论并没有破坏他们的友谊，他们相互尊重，为后人树立了榜样。树立了榜样。 当代物理学家惠勒当代物理学家惠勒(J.A.Wheeler)(J.A.Wheeler)说：说：“我不知道哪里还我不知道哪里还会再出现两各更伟大的人物，在更高的合作水平上，针对一个会再出现两各更伟大的人物，在更高的合作水平上，针对一个更深刻的论题，进行一场为时更长的对话。更深刻的论题，进行一场为时更长的对话。” 关于量子力学的解释涉及许多哲学问题哲学问题，其核心是因果性其核心是因果性和物理实在问题。和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说，量子力学的运动方程也是因果律方程，当体系的某一时刻的状态被知道时，当体系的某一时刻的状态被知道时，可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。但是可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。但是量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出物理量取值的几率。物理量取值的几率。在这个意义上，经典物理学因果律在微观领域失效了。 量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态隐态和显态，是由于测量所造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。 微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。成由彼此分离的、独立的部分组成的。 玻尔：谁如果在量子面前不感到玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。也不是一个好的物理学家。道，可道，非常道道，可道，非常道名，可名，非常名名，可名，非常名夫自细视大者不尽，自大视细者不明。 夫精，小之微也夫精，小之微也；垺，大之殷也；故异便。 此势之有也。 夫精粗者，期于有形者也。夫精粗者，期于有形者也。 无形者，数之所不能分也；不可围者，数之所不能穷也。 可以言论者，物之粗也；可以意致者，物之精也 。 言之所不能论，意之所不能察致者，不期精粗焉。 老子老子 秋水秋水汤川秀树：自然的规律和秩序是可以讲清楚的，但它们不是通常意义上的规律和秩序。科学的术语和概念是可以给予称呼的，但它们不是普通意义的术语和概念。汤川秀树汤川秀树 用数学方法用数学方法预见介子的预见介子的存在存在1949诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖庄子庄子和源氏物语和源氏物语 我们可以把组成这个我们可以把组成这个“世界世界”的这些运动事物的复杂组合，的这些运动事物的复杂组合，想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕棋规则就是我们所说的棋规则就是我们所说的基础物理学基础物理学。如果你会下棋就一定如果你会下棋就一定知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是程度更厉害程度更厉害除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说预言下一步将发生什么情况了。预言下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规因此，我们只能满足于奕棋规则这个比较基本的问题则这个比较基本的问题。 费曼费曼R.P.Feynman R.P.Feynman （1918191819881988）R.P.费曼费曼 量量子子电电动动力力学学的的研研究究，包包括括对对基基本本粒粒子子物物理理学学的的意义深远的结果意义深远的结果1965诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖总结研究微观粒子及其运动规律的科学对应原理：对应原理：在大量子数极限情况下，量子体系的行为将趋向与经典力学体系相同。互补原理：互补原理：一些经典概念的应用不可避免地将排除另一些经典概念地应用，而这“另一些经典概念”在另一些条件下又是描述现象所不可缺少的；必须而且只需将所有这些既互斥、又互补的概念汇集到一起，才能而且定能形成现象的详尽无遗的描述。物理内容：对观察结果的的“预言预言”抽象的数学系统。数学系统。观察观察对微观客体的干扰。（干扰不能忽略），干扰是无法用理论来修正。独立于认识之外的客体世界客体世界究竟是什么？1）不被观察时，客体世界的状态可由态函数态函数表达，并且这种表示和变化规律不受观察干扰，是客观的，只能用数学概念描述。2）每次观察干扰后，无法控制结果。观察的结果表述可直接与实验比较，并由实验证实的（量子统计物理学量子统计物理学）。