上帝掷骰子吗? 9.2分
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量子物理发展史 1、起源 (1) 光的微粒说 优势:解释光的直线传播、反射现象、折射现象。 劣势:无法解释光互相碰撞的时候不会互相弹开、灯火点上之前隐藏在何处、数量 是否可以无限多等问题。 (2) 光的波动说 优势:解释光的直线传播、反射现象(波长很短,如同经典粒子)、衍射现象。 劣势:一般认识上,波的传播依赖于介质,而光的传播似乎并没有介质。 2、第一次微波战争 (1) 胡克:认为颜色的不同,是因为光波频率的不同。在其《显微术》一书中明确地支持波动说。 (2) 牛顿:认为颜色的不同,是因为不同颜色微粒的混合和分开。 (3) 惠更斯:认为光是一种在以太里传播的纵波,并以此证明光的反射和折射定律、牛顿环和双折射现象。出版《光论》,波动说被正式提出。 (4) 牛顿:出版《光学》,从微粒角度解释薄膜透光、牛顿环、衍射、双折射现象,提出波动说不能解释“光无法绕开障碍物前进”等问题。 战争结果:微粒说成为主导。 3、第二次微波战争 (1) 杨:提出双缝干涉实验,运用光波的干涉效应解释牛顿环和衍射现象(微粒说无法解释两道光叠加在一起为什么会造成黑暗)。 (2) 马吕斯:发现偏振现象(波动说无法解释)。 (3) 菲涅尔:认为光是一种横波,并据此解释光的衍射、偏振。 (4) 泊松:认为该理论应用于圆盘衍射的时候,会在中心出现亮斑。 (5) 阿拉果:实验检验泊松亮斑。 战争焦点:光速在水中的测定结果(微粒说认为光在水中速度快,波动说认为光在水中速度慢)。傅科实验证实光在水中的速度慢。 (6) 麦克斯韦:提出变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场,并认为光也是一种电磁波。 (7)赫兹:实验证明电磁波存在。伏笔:当有光照射到缺口上时,火花就出现得更容易一些(光电效应)。 战争结果:波动说成为主导。经典物理进入黄金时代(力、热、光、电、磁领域都诞生了伟大的理论)。 4、量子力学的诞生 (1) 灿烂天空中的两朵乌云 1) 迈克尔逊-莫雷实验:探测光以太对于地球的漂移速度的实验(后引发了相对论)。 2) 黑体辐射(后引发量子论) 维恩公式:长波内失效(粒子角度推导)。 瑞利公式:短波内失效(类波角度推导)。 (2) 普朗克:根据维恩公式和瑞利公式,凑出一个可以满足所有波段的公式出来。通过对公式的研究,提出“必须假定,能量在发射和吸收的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的”。此观点与经典理论的连续性冲突。普朗克宣读黑体辐射论文,标志着量子力学的诞生。 (3) 光电效应:频率高的光线能打出能量较高的光子,频率低的光线打不出电子。增加光线强度,只是增加打击出电子的数量(与经典的电磁理论矛盾)。 (4) 爱因斯坦:针对光电效应现象,提出光量子假设。 (问题:在光量子的假设下,光究竟是波还是粒子?) 5、第三次微波战争 (1) 密立根:在所有情况下,光电现象都表现出量子化特征。 (2) 康普顿:X射线被自由电子散射实验(光量子角度可以得到很好的解释)。 (3) 波动的武器:光的干涉、泊松亮斑。 (4) 原子模型 汤姆逊:葡萄干布丁模型。 卢瑟福:行星系统模型(违背经典理论)。 玻尔模型:能级模型(仍然违背经典理论),灵感来源:巴尔末公式(经验公式)。 (5) 泡利不相容原理:一个轨道有一定的容量。 (6) 反常塞曼效应:需要引进1/2的量子数。 (7) 德布罗意:电子在前进时,总是伴随着一个波(相波)。 (8) 戴维逊和革末:电子衍射实验(证明电子是波)。 (微波战争从光扩大到所有粒子。) (9) 海森堡:矩阵力学,不满足乘法交换律,自然地推导出量子化的原子能级和辐射频率。 (10) 狄克拉:泊松括号,q数和c数。 (11) 乌伦贝克和古德施密特:提出电子自旋模型,解决1/2量子数问题。 (12) 薛定谔:提出薛定谔方程,方程中E的解是分立的(波动力学)。表明电子的“跃迁”,只是振动方式的改变,没有什么“轨道”,没有什么“能级”,只有波。 (13) 波恩:提出概率解释,即物理不能预测电子的行为,它只能找到电子出现的概率(深埋在物理定律本身内部的一种属性)。这是对决定论(整个科学的基础)系统的挑战。 (14) 海森堡:提出不确定性原理——动量和位置,时间和能量无法完全精准的测量。 (15) 玻尔:提出互补原理,波粒二象性。表明关键是我们如何“观察”它,而不是它“究竟”是什么。(例:马本来是什么颜色)。结论和观测行为本身大有联系,不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。测量是新物理学的核心,测量行为创造了整个世界。波恩的概率解释,海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理共同构成哥本哈根解释的核心。 (补:奥卡姆剃刀原理——当两种说法都能解释相同的事实时,应该相信假设少的那个。) 战争结果:波粒二象性成为主导。 6、量子物理VS经典物理 (1) 玻爱的第一次交锋:第五届索尔维会议。 (2) 玻爱的第二次交锋: 爱因斯坦光箱实验:瞄准不确定性原理。 玻尔:利用广义相对论的红移效应证明不确定性原理。 (3) 玻爱的第三次交锋: 爱因斯坦:ERP佯谬。 玻尔:在观测前“现实”中并不存在两个自旋的粒子,自旋只有和观测联系起来才有意义,在那之前两个粒子只能看成一个“整体”。 (4) 薛定谔的猫 延伸:人能够测量自己的波函数使其坍缩,而猫无能为力,只能停留在死/活叠加任其发展的波函数中。 (物理还是哲学?) (5) 冯诺依曼——无限复归链:我们用于测量目标的那些仪器本身也是由不确定的粒子所组成的,它们自己也拥有自己的波函数。当我们用仪器去“观测”的时候,这只会把仪器本身也卷入到这个模糊叠加态中间去。只有当人类意识介入观察后,这个复归链才变为“现实”。 (6) 维格纳的朋友:当朋友的意识被包含在整个系统的时候,叠加态就不适用了。 (意识进入物理世界。) (7) 约翰惠勒:延迟实验(如果插入半透镜,则光子同时沿着两条路径而来,反之便只通过其中一条)。表明历史不是确定和实在的。宇宙的历史,可以在它实际发生以后才被决定是怎样发生的! (8) 参与性宇宙模型:观测行为本身参与了宇宙的创造过程(增强版的人择原理)。 (9)多世界解释(MWI):波函数从未坍缩,只是世界和观测者本身进入了叠加状态。每个“世界”都只能感受到那个“真实”的矢量在其中的投影。因此在每个“世界”看来,宇宙都是不同的。但实际上,宇宙波函数是按照薛定谔方程演化的叠加态。只有一个“宇宙”,但塔包含了多个“世界”。所谓的“坍缩”,只不过是投影在某个世界里的“我们”因为身在此山中而产生的幼稚想法。 (坍缩还是多世界?决定论还是非决定论?) 7、回到经典 (1) 经典物理:定域实在性。 (2) 玻姆:隐变量理论。回归经典,但放弃定域性(在某段时间里,所有的因果关系都必须维持在一个特定的区域内,而不能超越时空来瞬间地作用和传播)。 (3) 贝尔:提出贝尔不等式。 (4) 阿斯派克特实验证明量子论的胜利。 (5) 系综解释:我们的世界中不存在“单个”的事件,每一个预测,都只能是平均式的,针对“整个集合”的。 (6) GRW理论:自发定域。 (7) 退相干历史(DH)解释:世界只有一个,但历史有很多个。“粗粒历史”可以退相干。但存在两个问题:精粒历史是否为真?为何观测到的不是其他分类?

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