量子力学的神秘究竟在哪里？ .doc

量子力学的神秘究竟在哪里？ 我对量子力学的初级认识源于爱因斯坦这位伟大的物理学家，著名科学家爱因斯坦，于1905年提出了光量子说，1916年美国物理学家密立根发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说，然后到1913年丹麦物理学家玻尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定（按经典理论，原子中电子绕原子核作圆周运动要辐射能量，导致轨道半径缩小直到跌落进原子核，与正电荷中和），提出定态假设：原子中的电子并不像行星一样可在任意经典力学的轨道上运转，稳定轨道的作用量（fpdq）必须为h的整数倍（角动量量子化），即（fpdq=nh），n称之为量子数。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程，光的频率由轨道态之间的能量差AE=hV确定，即频率法则。这样，玻尔原子理论以它简单明晰的图像解释了氢原子分立光谱线，并以电子轨道态直观地解释了化学元素周期表，导致了72号元素铪的发现，在随后的短短十多年内引发了一系列的重大科学进展。这在物理学史上是空前的。量子力学是研究微观粒子运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与爱因斯坦的相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。通过量子力学的发展人们对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变。通过量子力学许多现象才得以真正地被解释，新的、无法通过直觉想象出来的现象被预言，但是这些现象可以通过量子力学被精确地计算出来，而且后来也获得了非常精确的实验证明。除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写（即量子场论）。量子力学可以算作是被验证的最严密的物理理论之一了。至今为止，所有的实验数据均无法推翻量子力学。大多数物理学家认为，它“几乎”在所有情况下，正确地描写能量和物质的物理性质。虽然如此，量子力学中，依然存在着概念上的弱点和缺陷，至今为止对量子力学的解释存在着争议。在万有引力中，无法运用量子力学来描述。我们都知道科学奇才霍金的黑洞，有说，在黑洞附近，或者将整个宇宙作为整体来看的话，量子力学可能遇到了其适用边界。使用量子力学，或者使用广义相对论，均无法解释，一个粒子到达黑洞的奇点时的物理状况。广义相对论预言，该粒子会被压缩到密度无限大；而量子力学则预言，由于粒子的位置无法被确定，因此，它无法达到密度无限大，而可以逃离黑洞。因此20世纪最重要的两个新的物理理论，量子力学和广义相对论互相矛盾。寻求解决这个矛盾的答案，是理论物理学的一个重要目标（量子引力）。但是至今为止，找到引力的量子理论的问题，显然非常困难。虽然，一些亚经典的近似理论有所成就，比如对霍金辐射的预言，但是至今为止，无法找到一个整体的量子引力的理论。量子力学与黑洞理论被指矛盾：物质可逃离黑洞。根据广义相对论，黑洞会吸入附近的任何物质，同时不向外喷射任何物质。这是很多人眼中的黑洞一个基本特征。然而，如果根据量子力学，这种天体是不可能存在。著名物理学家斯蒂芬-霍金指出，根据研究微观层面的量子力学，物质可以从黑洞逃脱。根据霍金的预测，黑洞不断向外喷射物质，这一过程被他称之为“霍金辐射”。量子力学与黑洞理论的基本观点任务物质无法逃离黑洞相抵触。维特说：“虽然黑洞永远不会将吞噬的宇航员或者桌椅板凳喷出，但会向外喷射基本粒子或者原子。”量子力学诞生的实验基础是黑体辐射实验，黑体即能够吸收各种波长电磁辐射的物体，加热时能够最大程度地辐射各种波长的电磁波。如隔热、开有一个金属小孔的空腔。量子力学的神秘表现在自然界，微观世界里，但你可能不知道，在哲学领域也存在着量子力学，有人引用量子力学中的随机性支持自由意志说，但是第一，这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观的自由意志之间仍然有着难以逾越的距离；第二，这种随机性是否不可约简还难以证明，因为人们在微观尺度上的观察能力仍然有限。自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题。对这个鸿沟起决定作用的就是普朗克常数。统计学中的许多随机事件的例子，严格说来实为决定性的。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，可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。量子力学用量子态的概念表征微观体系状态，深化了人们对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系，特别是观察仪器的相互作用中表现出来。量子力学的认识，需要研究者不局限于现实，置身于宇宙与微观粒子中，大起大落。我们都知道不确定性，不确定性也指量子力学中量子运动的不确定性。一些力学量只能处在它的本征态上，所表现出来的值是分立的，因此在不同的时间测量，就有可能得到不同的值，就会出现不确定值，也就是说，当你测量它时，可能得到这个值，可能得到那个值，得到的值是不确定的。只有在这个力学量的本征态上测量它，才能得到确切的值。泡利原理，这个深奥的粒子的自旋、对称和统计学之间的关系，只有通过相对论量子场论才能导出，但它也影响到了非相对论量子力学中的现象。量子力学中，如果一种反应是可能的，相反的反应也是可能的。过程是可逆的。也就是说，如果一个人被黑洞吞噬，增加这个黑洞的质量，也会存在黑洞将人喷出，质量减少的现象。这里，又和黑洞的现象符合了。然而，任何物质都无法逃脱黑洞的引力。著名物理学家斯蒂芬-霍金指出，根据研究微观层面的量子力学，物质可以从黑洞逃脱。根据他的预测，黑洞不断向外喷射物质，这一过程被他称之为“霍金辐射”。量子力学曾在一度认为可以解释大自然的一切问题，但黑洞出现了，虽然有维特的黑洞可以向外喷射基本粒子和原子，以及霍金辐射，但科学家还是无法观测到霍金辐射。在许多现代技术装备中，量子物理学的效应起了重要的作用。从电子显微镜、激光、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置，都关键性地依靠了量子力学的原理和效应。落后就要挨打，核武器在发明的过程中也应运了量子力学的知识，核的能量运用的方式不同，将会带给人类不一样结果。在现代的技术里，量子力学无处不在。量子光学，一个以辐射的量子理论来研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。量子力学涉及了化学，生物，材料学等，这是一个神奇的研究结果，相信它在以后的科学领域会带给我们更多的想法，造福于人类，成为人类的一大文明。爱因斯坦，霍金，等一系列的科学家，给我们指了一道量子力学的开始，剩下的神秘面纱，就让后人揭开，前进。有一个说法，当在生活中的一系列现象无法用现有的知识解释时，这正是另一种研究出现的时机，相信量子力学也正是在此种发展，进步的。