人文物理量子论精.ppt

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1、人文物理量子论第1页，本讲稿共57页 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。”第2页，本讲稿共57页 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

2、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。第3页，本讲稿共57页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，发现了电子第4页，本讲稿共57页普朗克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德国著名物理学家麦克斯斯 普朗克少年时就酷爱科学和普朗克少年时就酷爱科学和艺术，中学毕业后

3、对于人生道艺术，中学毕业后对于人生道路的选择举棋不定，究竟是为路的选择举棋不定，究竟是为科学奋斗终身呢，还是献身于科学奋斗终身呢，还是献身于音乐？普朗克几度徘徊，反复音乐？普朗克几度徘徊，反复思考，最终还是选定了科学。思考，最终还是选定了科学。第5页，本讲稿共57页第6页，本讲稿共57页 1900年年10月月19日，在德国物理学会年会上，普朗克以日，在德国物理学会年会上，普朗克以维恩辐射定律的改进维恩辐射定律的改进为题，报告了他修改后的公式。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。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

4、，还是一个谜！至于它的物理解释是什么，还是一个谜！鲁本斯把这鲁本斯把这“幸运地猜出来的内插公式幸运地猜出来的内插公式”同最新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！人地符合！普朗克也没有满足内差公式的成功。普朗克也没有满足内差公式的成功。他在给他在给伍德伍德的信的信中写到：的信的信中写到：这属于物理方面的基本问题，这属于物理方面的基本问题，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。第7页，本讲稿共57页 普朗克十分明白，必须在热力学和电磁理论之外去普朗克十分明白，必须在热力学和电磁理论之外

5、去寻找这个公式的依据。因为所有经典理论都已用尽了。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：胆的假设：腔壁上的谐振子在发射和吸收电磁辐射时，能量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不是连续变化的，而是以一定份额的整数倍跳跃式变化的！化的！第8页，本讲稿共57页 19001900年年1212月月2424日日，普普朗朗克克在在法法国国物物理理学学会会的的圣圣

6、诞诞会会上上宣宣读读了了题题为为关关于于正正常常光光谱谱的的能能量量分分布布定定律律的的论论文文，提提出出了了与经典物理学格格不入的能量量子化假设：与经典物理学格格不入的能量量子化假设：辐辐射射黑黑体体是是由由带带电电的的谐谐振振子子组组成成，这这些些谐谐振振子子的的能能量量只只能处于能量子能处于能量子 的整数倍，的整数倍，即即 ,2,3,4,n n为为正正整整数数，称称为为量量子子数数，对对于于频频率率为为的的谐谐振振子子来来说说，能量子为能量子为 =hv，式中式中h是为普朗克常数。是为普朗克常数。第9页，本讲稿共57页 普朗克的能量子假设是对经典物理学基本观念的严重冲普朗克的能量子假设是对

7、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。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，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。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。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关于对应原理，我们在对狭义相对论的讨论中已经

8、使用过。如洛仑兹变换在用过。如洛仑兹变换在 v c 时能够自动退回到伽利略变时能够自动退回到伽利略变换，就符合对应原理的要求。换，就符合对应原理的要求。第10页，本讲稿共57页能量子概念的哲学意义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，最巨大、最深刻的变革，它的影响绝不仅局限于物理学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一门学科，它已经深远地触及到了人类 “认识认识”本身的种本身的种种问题。种问题。自从自从17世纪以来，世纪以来，“一切过程都是连续的一切过程都是连续的”这条原这条原理几

9、乎被认为是理所当然的。牛顿创立的微积分学（无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世纪和世纪和19世纪的许多科学家心目中，也认为这条原理是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。表现，使这种思想再一次获得认同。第11页，本讲稿共57页 但是，能量子概念的提出，使连续性的观念破坏了。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，

10、它们的发生它表明：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不是平稳的，而是跃变的，按照普朗克的说法是爆炸式的。的。能量子现象的揭示向世人宣告：过去我们在假设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一切因果关系都是连续的基础上建立起来的物理思想和基础上建立起来的物理思想和方法，必须加以彻底的改造。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了经典物

11、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。连续的方式交换能量的概念。第12页，本讲稿共57页 对这种离经叛道的行为，当时的科学家们难以接受。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，从据资料表明，从1900年到年到1904年，几乎找不到关于普朗克年，几乎找不到关于普朗克假设的研究与评论论文。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迫使他提出了能量子假设，但他自己也

12、觉得难以置信。因而思想矛盾，犹豫不决。他曾说，信。因而思想矛盾，犹豫不决。他曾说，“能量子能量子的存在，纯粹是一种形式上的假设的存在，纯粹是一种形式上的假设”，但后来又说，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们对分子世界迅速而微妙的过程产生新的见解”。第13页，本讲稿共57页 据普朗克儿子的回忆，那时普朗克曾说，他的发现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（狭义相对论到1905

13、年才发表）。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，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。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。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，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。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

14、子假设才符合实验事实，作其实他非常清楚，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。出这一假设是因为经典理论已经用尽了。第14页，本讲稿共57页 可见，旧观念对人们思想的影响多么深重。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。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。足见评委式。足见评委 们因为接受不了新

15、观点而产生了误判。们因为接受不了新观点而产生了误判。直到直到 7 年后的年后的1918年，普朗克才因为黑体辐射公年，普朗克才因为黑体辐射公式被授予诺贝尔物理学奖。式被授予诺贝尔物理学奖。第15页，本讲稿共57页卢瑟福卢瑟福核物理之父，第一个钻到原子中心的人英籍新西兰物理学家，汤英籍新西兰物理学家，汤姆孙的学生。姆孙的学生。18981898年在加拿大年在加拿大麦吉尔大学担任物理学教授。麦吉尔大学担任物理学教授。19071907年他回英国曼彻斯特大学年他回英国曼彻斯特大学任教。任教。19191919年应邀到剑桥接替年应邀到剑桥接替汤姆孙担任卡文达什实验室主汤姆孙担任卡文达什实验室主任。任。1925

16、1925年当选为英国皇家学年当选为英国皇家学会主席。会主席。19311931年受封为纳尔逊年受封为纳尔逊男爵。男爵。第16页，本讲稿共57页卢瑟福对科学的重要贡献主要有三方面：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，第一方面是关于放射性的研究，荣获荣获19081908年度诺贝尔化学奖。年度诺贝尔化学奖。第二方面是第二方面是19111911年提出了原子的有核结构模型。年提出了原子的有核结构模型。第三方面是第三方面是19191919年人工核反应的实现。年人工核反应的实现。此外，他还预言了中子的存在。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。他的名字命名为放

17、射性强度的单位。第17页，本讲稿共57页卢瑟福的科学精神和物理方法：卢瑟福的科学精神和物理方法：（1 1）抓住关键问题进行一系列准确而简单的实验。）抓住关键问题进行一系列准确而简单的实验。（2 2）理论与实验的紧密结合。）理论与实验的紧密结合。（3 3）特殊的勤奋、敏锐的洞察力和丰富伪科学直觉。）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暗室中“枯燥地枯燥地”计数计数a a粒子击中硫化锌屏上的闪烁次数，并与其他方法比较。这样的工作粒子击中硫化锌屏上的闪烁次数，并

18、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。的耐心和毅力导致了辉煌的成就。在在19291929年皇家学会曾以年皇家学会曾以“理论与实验理论与实验”为题说过：为题说过：“每一个新的实验观察立即被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过

19、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”。第18页，本讲稿共57页剑桥大学卡文迪什实验室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是世界物理学研究的重要中心之一第一任主任第一任主任第二任主任第二任主任第三任主任第四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麦克斯韦瑞利汤姆孙卢瑟福第19页，本讲稿共57页第五任主任第五任主任第六任主任第六任主任第七任主任第八任主任现任主任第七任主任第八任主任现任主任布拉格莫特布拉格莫特 派帕德爱德华兹弗

20、伦德派帕德爱德华兹弗伦德 第20页，本讲稿共57页 剑桥大学卡文迪什实验室在汤姆孙和卢瑟福两代科学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家领导下英杰辈出19211921年卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖；年卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖；19221922年卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖；年卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖；19221922年卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖；年卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖；19271927年卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；年卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；19351935年卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；年卢瑟福的学生查德威克获诺

21、贝尔物理奖；19481948年卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖；年卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖；19511951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19781978年卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。年卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。第21页，本讲稿共57页玻尔玻尔原子物理学及量子力学奠基人丹麦物理学家，丹麦物理学家，19091909年和年和19111911年分别获得哥本哈根大学年分别获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。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曾到英国剑桥卡文达什实验室进修，师从卢瑟

22、福，哥本哈根进修，师从卢瑟福，哥本哈根学派的创始人，是二十世纪上学派的创始人，是二十世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的最半叶与爱因斯坦并驾齐驱的最伟大物理学家。伟大物理学家。第22页，本讲稿共57页 量子论的创立过程中，德国的物理学家作出了特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设的最初十年中，对量子概念的发展立下了不朽的功勋。勋。量子概念最初只是少数学者持有的观点，可到了量子概念最初只是少数学者持有的观点，可到了19101911年前后，物理学家的看法一般都

23、开始走向支年前后，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，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）。也从不向权威屈从）。1909年年9 月月21 日，在萨尔斯堡的物理科学家会议上，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。舞台。第23页，本讲稿共57页 到到1913年，量子概念从四面八方突破了德语世界年，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。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

24、普朗克的能量子概念为解决当时这一年，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。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。的能量都被限制为分立的结构。这时的玻尔是一位这时的玻尔是一位28岁的研究生，他作为访问学岁的研究生，他作为访问学者在著名的者在著名的卡文迪什卡文迪什实验室工作。因而他很熟悉卢瑟福实验室工作。因

25、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。新思想。第24页，本讲稿共57页 玻尔当时的研究课题是：卢瑟福模型的稳定性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。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。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玻尔的出色工作，使物理学

26、的发展达到一个里程碑碑量子论完成了它的创生过程。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。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。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。泛，年轻时还是丹麦国家足球队队员。第25页，本讲稿共57页尼尔斯尼尔斯玻尔研究所玻尔研究所 玻尔于玻尔于

27、1921年年3月倡导成立的哥本哈根理论物理月倡导成立的哥本哈根理论物理研究所，被物理学家誉为研究所，被物理学家誉为“物理学界的朝拜圣地物理学界的朝拜圣地”和和“量子力学的诞生地量子力学的诞生地”第26页，本讲稿共57页尼尔斯尼尔斯玻尔研究所积极提倡科学上的国际合作，一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问。几十年来，哥本哈根理论物理研究所培养了600600多名多名外国学者，其中很多人成为世界著名的科学家，获得诺贝外国学者，其中很多人成为世界著名的科学家

28、，获得诺贝尔奖金的就有尔奖金的就有1010人以上。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里有一种闻名于世的哥本哈根精神哥本哈根精神，即：谦虚、坦率、热烈、，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学派。第27页，本讲稿共57页哥本哈根精神哥本哈根精神:1.1.科学国际主义。科学国际主义。2.2.独特的研究

29、风格独特的研究风格 平等和自由地交谈和讨论。平等和自由地交谈和讨论。海森伯名言海森伯名言:“科学扎根于讨论之中科学扎根于讨论之中”第28页，本讲稿共57页玻尔理论的美学意义：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。玻尔提出了理。玻尔提出了“定态定态”和和“跃迁跃迁”两个公设。玻尔理两个公设。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轨道半径、能量与能级，把有关原子的两套信息化化学性质的周期性与原子光谱的不连续性有机地结合在

30、一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。释了原子结构的稳定性。第29页，本讲稿共57页互补性原理互补性原理互补性原理互补性原理：玻尔认为在微观世界中，应当彻底改变对：玻尔认为在微观世界中，应当彻底改变对：玻尔认为在微观世界中，应当彻底改变对：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于宇宙和谐与秩序的审美习惯，必须承认一切最基本的概于宇宙和谐与秩序的审美习惯，必须承认一切最基本的概于宇宙和谐与秩序的审美习惯，必须承认一切最基

31、本的概念，包括时空概念和因果概念都有它们的适用界限。当应念，包括时空概念和因果概念都有它们的适用界限。当应念，包括时空概念和因果概念都有它们的适用界限。当应念，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，必用某些为我们曾经习惯的经典概念来描述微观现象时，必用某些为我们曾经习惯的经典概念来描述微观现象时，必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。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。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。然会排除另一些经典概念同样完美地描述微

32、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而这些受到排斥的另一些经典概念，在描述另一种条件下而这些受到排斥的另一些经典概念，在描述另一种条件下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。的微观现象时却是不可缺少的。的微观现象时却是不可缺少的。的微观现象时却是不可缺少的。第30页，本讲稿共57页 玻尔认为，合乎因果性要求的时空描述，只适用于宏玻尔认为，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现象的

33、测量结果要产生影响，所以在微观世界中应当代之以以“互补互补”描述的审美习惯。描述的审美习惯。玻尔对玻尔对“互补互补”的理解的理解 “互补一词的意义是：互补一词的意义是：一些经典概念的任何确定应用，将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一种条件下却是阐明现象所同样不可缺少的。”这就是说，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，才能完互补的。只有把这些

34、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。美地体现微观运动物质的各种性质与状态。第31页，本讲稿共57页 19371937年，玻尔偕同夫人及次子周游世界。到日本后，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，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，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，玻尔对我国古代的阴阳八卦学说及老子思想十分欣赏，认为这是对他的认为这是对他的互补性原理互补性原理的最形象的说明。他曾经引用的最

35、形象的说明。他曾经引用老子老子道德经道德经中的词句作为自己论文的题头词；他还根据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微观世界的认识

36、，在现代条件下同样得到了这种科学美学的认识。认识。第32页，本讲稿共57页互补性原理成为哥本哈根互补性原理成为哥本哈根学派以至当今大部分物理学家学派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至扩展成信奉的思想原则，甚至扩展成所谓的互补哲学，受到各界人所谓的互补哲学，受到各界人士的青睐。玻尔以中国的阴阳士的青睐。玻尔以中国的阴阳太极图作为哥本哈根学派的族太极图作为哥本哈根学派的族徽，以标示这貌似简单、实为徽，以标示这貌似简单、实为诡秘的互补原理。诡秘的互补原理。第33页，本讲稿共57页德布罗意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，法国著名理论物理学家，19101910年

37、获巴黎大学史学学士学位，年获巴黎大学史学学士学位，19131913年又获理学士学位，年又获理学士学位，19241924年年获巴黎大学博士学位，在博士论获巴黎大学博士学位，在博士论文中首次提出了文中首次提出了 物质波物质波 概念。概念。第34页，本讲稿共57页 在在20世纪的世纪的20年代，量子论的研究中心是英国的剑年代，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，由一个当时还是研巴黎。一个至

38、今都令人迷惑的思想，由一个当时还是研究生的小人物究生的小人物德布罗意德布罗意提出了。提出了。德布罗意早先是学文史的，德布罗意早先是学文史的，18岁获得巴黎大学历史学士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发生了兴趣。他哥哥当时是著名的X 射线物理学家。射线物理学家。第35页，本讲稿共57页 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应和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

39、看到，对于光的本性的探索，人类争的极大关注。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类实验表明，光具有粒子性，那么光究竟是波还是粒子呢？子呢？德布罗意意识到，爱因斯坦提出的是一个全新的见解德布罗意意识到，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！有这两种属性的客观实在！第36页，本讲稿共57页 德布罗意推想，既然过去被当作波的光同时又具德布罗意推想，既然

40、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？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）（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）（又带有浓厚的史学研究方法的色彩）1923年年9月月10日，在法国科学院会议通报第日，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。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德布罗意指出：爱因斯坦对光量子的描述应该也适用于适用于“实物粒子实物粒子”。第37页，本讲稿共57页 德布罗意

41、关于物质波的假设当时并没有引起很大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：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，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的认识。德布罗

42、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没有科学特征的狂想曲”。1924 年年 11 月，德布罗意发表了他的博士论文关于量月，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。在晶体上作衍射实验。第38页，本讲稿共57页 奇怪的是，考试委员会竟通过了他的答辩，却没有任何人奇怪的是，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

43、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之一著名物理学家著名物理学家朗之万朗之万都不愿意在自己的实验室做这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。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！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

44、解释，这个见解独具一格。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，他热情洋溢地指出洋溢地指出:第39页，本讲稿共57页由于爱因斯坦的推荐，人们开始注意物质波的假设。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。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。年的诺贝尔物理学奖。1929年，德布罗意因发现电子

45、的波动性获诺贝尔物年，德布罗意因发现电子的波动性获诺贝尔物理学奖。理学奖。接着约恩逊接着约恩逊于于1961年年成功地获得了电子束的单缝衍射、成功地获得了电子束的单缝衍射、双缝干涉等实验。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。于是，微观粒子具有波粒二象性得到了公认。第40页，本讲稿共57页光的杨氏双缝干涉图样光的杨氏双缝干涉图样电子双缝干涉图样电子双缝干涉图样x 射线衍射射线衍射中子衍射中子衍射第41页，本讲稿共57页薛定谔薛定谔波动力学的创始人 薛定谔，奥地利人，是著薛定谔，奥地利人，是著名的理论物理学家，量子力学名的理论物理学家，量子力学的重要奠基人之一。他同时在的重要奠基

46、人之一。他同时在固体的比热、统计物理、原子固体的比热、统计物理、原子光谱及镭的放射性等方面的研光谱及镭的放射性等方面的研究都有很大成就。究都有很大成就。第42页，本讲稿共57页薛定谔对科学的重要贡献主要有二方面：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第一方面是创立波动力学 1924 1924年，法国物理学家德布罗意首先提出了物质波年，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，薛定谔于理论，在这一理论的基础上，薛定谔于19261926年独立地创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。

47、这些理论现在已成为研究原子、分子等微观粒化规律。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。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。的应用。薛定谔、狄拉克分享薛定谔、狄拉克分享1933年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖第43页，本讲稿共57页第二方面是推动分子生物学的发展第二方面是推动分子生物学的发展 1944 1944年，薛定谔还发表了生命是什么？年，薛定谔还发表了生命是什么？活细胞的物理面活细胞的物理面貌一书。在此书中，薛定谔试图用热

48、力学、量子力学和化学理貌一书。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、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。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薛定谔对哲学有浓厚的兴趣

49、。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哲学问题的研究，写了科学和人文主义当代的物理学当代的物理学 第44页，本讲稿共57页薛定谔方程建立的物理方法和美学思想：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自然地得到量子化结果，并能正确地预见一系列实验结果。果。薛定谔注意到，德布罗意是通过光与实物粒子的薛定谔注意到，德布罗意是通过光与实物粒子的类比类

50、比提出波粒二象性的。他就接着把与光和粒子相关提出波粒二象性的。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。量子力学基本方程的通道。第45页，本讲稿共57页关于德布罗意波的理论（关于德布罗意波的理论（？）？）波动力学（波动力学（？）？）波动性理论波动性理论经典力学经典力学粒子性理论粒子性理论短波长极限短波长极限关于光的理论关于光的理论波动光学波动光学几何光学几何光学波动性理论波动性理论粒子性理论粒子性理论短波长极限短波长极限 由这个类比薛定谔猜测，量子基本方程应该是波动由这个类比薛定谔猜测，量子基本方