量子力学最终版.

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1、量子理论 19世纪末20世纪初，出现的几个问题 晴朗天空的几朵晴朗天空的几朵乌云乌云 黑体：一个理想化了的物体黑体：一个理想化了的物体黑体：一个理想化了的物体黑体：一个理想化了的物体 ，它可以吸收，所有照射到，它可以吸收，所有照射到，它可以吸收，所有照射到，它可以吸收，所有照射到 它上面的辐射，并将这些辐它上面的辐射，并将这些辐它上面的辐射，并将这些辐它上面的辐射，并将这些辐 射转化为热辐射，这个热辐射转化为热辐射，这个热辐射转化为热辐射，这个热辐射转化为热辐射，这个热辐 射的光谱特征仅与该黑体的射的光谱特征仅与该黑体的射的光谱特征仅与该黑体的射的光谱特征仅与该黑体的 温度有关。温度有关。温度

2、有关。温度有关。 黑体辐射问题黑体辐射问题 拥有巨大脑洞的普朗克 通过将物体中的原子看作微小通过将物体中的原子看作微小 的谐振子，马克斯的谐振子，马克斯普朗克得普朗克得 以获得了一个黑体辐射的普朗以获得了一个黑体辐射的普朗 克公式。但是在引导这个公式克公式。但是在引导这个公式 时，他不得不假设这些原子谐时，他不得不假设这些原子谐 振子的能量，不是连续的（这振子的能量，不是连续的（这 与经典物理学的观点相违背）与经典物理学的观点相违背） ，而是离散的：，而是离散的： En=nh En=nh 普朗克普朗克常数常数 普朗克常数用以描述量 子大小。普朗克发现， 只有假定电磁波的发射 和吸收不是连续的，

3、而 是一份一份地进行的， 计算的结果才能和试验 结果是相符。这样的一 份能量叫做能量子，每 一份能量子等于h， 为辐射电磁波的频率 ，h为一常量，叫为普 朗克常数。 例：例：电荷的电量，也只电荷的电量，也只 能是电子带电量的整数能是电子带电量的整数 倍，称为电荷是倍，称为电荷是量子化量子化 的。人数，也只能是的。人数，也只能是1 1 的整数倍，不能出现半的整数倍，不能出现半 个人，所以人数，也是个人，所以人数，也是 量子化量子化的。的。 轨道量子轨道量子 化化 量子化 一个颠覆人一个颠覆人世界观世界观世界观世界观的实验的实验 无法直视的量子世界测不准原理 微观世界的粒子有许多共轭量，微观世界的

4、粒子有许多共轭量， 比如位置和速度，时间和能量就比如位置和速度，时间和能量就 是一对共轭量，人们能对一对共是一对共轭量，人们能对一对共 轭量之一进行测量，但不能同时轭量之一进行测量，但不能同时 测得另一个与之共轭的量，比如测得另一个与之共轭的量，比如 对位置进行测量的同时，破坏了对位置进行测量的同时，破坏了 对速度进行测量的可能性。共轭对速度进行测量的可能性。共轭 量满足量满足“测不准原理测不准原理”。 波粒二 象性 在在量子力学量子力学里，里，微观粒子微观粒子有时会显示出波动性有时会显示出波动性( (这时这时粒子性粒子性较较 不显著不显著) )，有时又会显示出粒子性，有时又会显示出粒子性(

5、(这时波动性较不显著这时波动性较不显著) )，在，在 不同条件下分别表现出波动或不同条件下分别表现出波动或粒子粒子的性质。这种的性质。这种量子量子行为称行为称 为波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。波粒二象性是为波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。波粒二象性是 量子力学的基要概念，是专门针对经典概念无法完整描述量量子力学的基要概念，是专门针对经典概念无法完整描述量 子物体的物理行为而提出的假说。子物体的物理行为而提出的假说。 a.理解粒子的行为方式。举例：你家里有一只小狗，小狗跑来跑去，但是每一个固定的时候只能出现在一 个位置；你去打靶子，枪法很烂，有的时候成绩好，有的时候成绩差，但是每发

6、射一枚子弹，只能在落在 靶子上一个特定的位置。 b.理解波的行为方式。举例：你喊大家去KTV：“走走走！”房间里面每个人都听到了；你划船，船 荡开的涟漪扩散到湖面很大一片范围的每一个位置。 c.假如性质交换。如果子弹表现地像波一样会怎么样呢？ 你发射一枚子弹，房间里面每个人都死了。如果 声音表现地像粒子一样会怎么样呢？你喊了一句话，只有一个人能听到你。 理解了这三件事，你检视一下宏观世界，你会发现，所有的事物，要么体现波的性质，要么体现粒子的性 质。没有混淆。 生活中的波粒二象性的现象 极光 光 人眼可见电磁波谱（波粒二象性 ） 波函数波函数 波函数所代表的是一种概率的波 动。这虽然是人们对物

7、质波所能 做出的一种理解，但是波函数概 念的形成正是量子力学完全摆脱 经典观念、走向成熟的标志；波 函数和概率密度，是构成量子力 学理论的最基本的概念。 波函数(r,t)是坐标和时间t的复 函数。(r,t)的绝对值二次方乘上 r 处的体积元dxdydz与粒子在这 个体积元中出现的几率p（r,t）成 比例。 科学的理科学的理 解双缝实验解双缝实验 波波 函数坍缩函数坍缩 当我们用物理方式对其进行测当我们用物理方式对其进行测 量时（同时必然对其干扰），量时（同时必然对其干扰）， 物质随机选择一个单一结果表物质随机选择一个单一结果表 现出来。如果我们把波函数比现出来。如果我们把波函数比 作是骰子的话

8、（比如作是骰子的话（比如电电电电子云子云） ，那么，那么“ “波函数坍缩波函数坍缩” ”就是骰子就是骰子 落地（比如打在屏幕上显示为落地（比如打在屏幕上显示为 一个点的电子）。一个点的电子）。 为什么电子既是为什么电子既是“波波”，又是，又是“粒子粒子”。当你看你的小狗的时候，它是。当你看你的小狗的时候，它是 一条活泼的小狗，下次再看它的时候，它还是一条活泼的小狗，于是，一条活泼的小狗，下次再看它的时候，它还是一条活泼的小狗，于是， 你的大脑自动填补了中间的空白：哦，我不看的时候，它肯定还是一条你的大脑自动填补了中间的空白：哦，我不看的时候，它肯定还是一条 活泼的小狗。我们对物质世界的认识有一

9、定连续性。在电子的情况下，活泼的小狗。我们对物质世界的认识有一定连续性。在电子的情况下， 你看一眼，它是一个粒子，你转过头去不看它，再看它，它还是粒子。你看一眼，它是一个粒子，你转过头去不看它，再看它，它还是粒子。 但是在中间你不看它的这个过程中，它已经不是粒子了，它变成了一个但是在中间你不看它的这个过程中，它已经不是粒子了，它变成了一个 波函数，是你的观测，让波函数坍缩成了一个粒子：电子。实际情况是波函数，是你的观测，让波函数坍缩成了一个粒子：电子。实际情况是 ，我们被一锅浓浓的，我们被一锅浓浓的“汤汤”所包围，我们叫它量子场。观测这个动作，所包围，我们叫它量子场。观测这个动作， 便是从这锅

10、汤里面召唤了一个粒子：电子。便是从这锅汤里面召唤了一个粒子：电子。 上帝不会掷骰子 VS 你不需要告诉上帝怎么做 力 力是物体对物体的作用， 力不能脱离物体而单独存在。 两个不直接接触的物体之间也 可能产生力的作用。 ？ 传统定义 量子 力学 康普顿效应 。 康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光 子具有波粒二象性的假设。这在物理学发展史上占有重要 的位置。光电效应、康普顿效应都为光的量子性提供了令 人信服的证据，但康普顿效应比光电效应更前进了一步。 这因为在解释康普顿效应时不但要考虑能量守恒，还要考 虑动量守恒，这说明光子具有动量，成为了光不仅具有波 动性还具有粒子性的铁证。由此

11、为光的波粒二象性及德布 罗意物质波假说提供了更完全的证据。因此,有人把康普顿 效应的发现称作物理学发展史中的一个转折点。 光子在介质中和物质微粒相互作用时，可能使得光向任何 方向传播，这种现象叫光的散射1922年，美国物理学家 康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现，有些散 射波的波长比入射波的波长略大，他认为这是光子和电子 碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，康普顿假设光子 和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具 有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒按照这个思 想列出方程后求出了散射前后的波长差，结果跟实验数据 完全符合，这样就证实了他的假设。这种现象叫康普顿效 应。 康

12、普顿效应的应用康普顿效应的应用康普顿效应的应用康普顿效应的应用 电磁脉冲武器 电磁脉冲武器号称“第二原子弹“，世界军 事强国电磁脉冲武器开始走向实用化，对 电子信息系统及指挥控制系统及网络等构 成极大威胁。常规型的电磁脉冲炸弹已经 爆响，而核电磁脉冲炸弹-“第二原子弹“ 正在向人类逼近。 电磁脉冲武器主要包括核电磁脉冲弹和非 核电磁脉冲弹。非核电磁脉冲弹，是利用 炸药爆炸压缩磁通量的方法产生高功率微 波的电磁脉冲武器。核电磁脉冲弹是一种 以增强电磁脉冲效应为主要特征的新型核 武器。 高空核爆 高空核爆，又称EMP攻击。让核弹在大气层上空爆炸，伽 马辐射从大气分子中把电子分离出来，产生康普顿效应

13、， 被分离出来的电子会被地球磁场捕捉，从而产生极大范围 的扩散电子脉冲，其结果对电子设备是致命的，任何有电 子接受装置的设备，在接受电子脉冲攻击后，电路板会全 部烧毁。 放射性同位素量子医学能谱测量法 学科学科“成果成果” ” 应用应用应用应用 量子纠缠量子纠缠量子纠缠量子纠缠 的的的的“空间传送空间传送空间传送空间传送” 应用应用应用应用 不确定性不确定性不确定性不确定性 的的的的“量子计算机量子计算机量子计算机量子计算机 ” 实际成果：量子通信实际成果：量子通信 所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递 的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型 交叉学科，是量子论和信息论相结合的

14、新的研究领 域。 经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性 都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“ 泄密”， 其一，在量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者 截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信 息。 其二，分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子 ，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量 子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观 的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起其 坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏 ，并非原有信息。 我国的中国科学技术大学的潘建伟教授的科研团队，2009年在合 肥构建和演示了一个4节点全通型量子通信网络。在2008年8月，该 团队曾研制

15、了20km级的3方量子电话网络。这个全通型量子通信网络 采用星型结构，其中任意两个节点都可以互联互通、实时地产生不落 地的量子密钥，进而被用来进行各种加密的数据，语音，多媒体通信 等应用。 今年七月，我国发射世界首颗 量子科学实验卫星，并在世界 上首次实现卫星和地面之间的 量子通信，构建一个天地一体 化的量子保密通信与科学实验 体系。 今年九月，量子通信的核心环 节：密钥（加密、解密的钥匙 ）传输实验，将搭乘天宫二号 空间实验室，上天展开实验。 这意味着，世界上第一封绝对 不会被截、被破、被复制、只 能是天知地知、你知我知的密 信，将要诞生。 量子通信“京沪干线” 量子通信量子通信量子通信量子

16、通信 多光子纠缠制备与操作多光子纠缠制备与操作 光子具有抗干扰能力强、传光子具有抗干扰能力强、传光子具有抗干扰能力强、传光子具有抗干扰能力强、传 播速度快等优点，多光子纠缠态播速度快等优点，多光子纠缠态播速度快等优点，多光子纠缠态播速度快等优点，多光子纠缠态 的制备和操控一直是量子信息领的制备和操控一直是量子信息领的制备和操控一直是量子信息领的制备和操控一直是量子信息领 域的研究重点和难点。中科院量域的研究重点和难点。中科院量域的研究重点和难点。中科院量域的研究重点和难点。中科院量 子信息重点实验室成功制备出八子信息重点实验室成功制备出八子信息重点实验室成功制备出八子信息重点实验室成功制备出八 光子纠缠态光子纠缠态光子纠缠态光子纠缠态GHZGHZ