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1、人文物理,量子论中的物理思想和人文精神,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。”,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，在物理学晴朗的天空里，还
2、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。,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,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斯普朗克少年时就酷爱科学和艺术，中学毕业后对于人生道路的选择举棋不定，究竟是为科学奋斗终身呢，还是献身于音乐？普朗克几度徘徊，反复思考，最终还
3、是选定了科学。,1900年10月19日，在德国物理学会年会上，普朗克以维恩辐射定律的改进为题，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。至于它的物理解释是什么，还是一个谜！,鲁本斯把这 “ 幸运地猜出来的内插公式 ” 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人地符合！,普朗克也没有满足内差公式的成功。,他在给伍德的信的信中写到：,这属于物理方面的基本问题，一定要不惜任何代价，找到一个理论根据。,普朗克十分明白，必须在热力学和电磁理论之外去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，要对这个公式作出合理的
4、解释，唯一的出路是作出一个大胆的假设：,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化的！,1900年12月24日，普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了题为关于正常光谱的能量分布定律的论文，提出了与经典物理学格格不入的能量量子化假设： 辐射黑体是由带电的谐振子组成，这些谐振子的能量只能处于能量子 的整数倍， 即 , 2, 3, 4, , n n为正整数，称为量子数，对于频率为的谐振子来说，能量子为 = hv，式中h是为普朗克常数。,普朗克的能量子假设是对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。,普朗克的能量子假设是对微观谐振子模
5、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，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。,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用过。如洛仑兹变换在 v c 时能够自动退回到伽利略变换，就符合对应原理的要求。,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最巨大、最深刻的变革，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 “认识” 本身的种种问题。,自从17世纪以来，“一切过程都是连续的”这条原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
6、神正体现了这一点。在18世纪和19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表现，使这种思想再一次获得认同。,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，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的。,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基础上建立起来的物理思想和方法，必须加以彻底的改造。,科学的新时代从普朗克这儿开始了,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连续的方式交换能量的概念。,对这种离经叛道的行为，当时
7、的科学家们难以接受。据资料表明，从1900年到1904年，几乎找不到关于普朗克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信。因而思想矛盾，犹豫不决。他曾说， “能量子的存在，纯粹是一种形式上的假设” ，但后来又说 “这个假设正为一种理论打下基础，它今后会使人们对分子世界迅速而微妙的过程产生新的见解” 。,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（狭义相对论到1905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，面对后来
8、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。,1911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。,1914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。,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。,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 们因为接受不了新观点而产生了误判。,直到 7 年后的1918年，
9、普朗克才因为黑体辐射公式被授予诺贝尔物理学奖。,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，汤姆孙的学生。1898年在加拿大麦吉尔大学担任物理学教授。1907年他回英国曼彻斯特大学任教。1919年应邀到剑桥接替汤姆孙担任卡文达什实验室主任。1925年当选为英国皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵。,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， 荣获1908年度诺贝尔化学奖。,第二方面是1911年提出了原子的有核结构模型。,第三方面是1919年人工核反应的实现。,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。,卢瑟福的科学精神和物理方
10、法：,（1）抓住关键问题进行一系列准确而简单的实验。,（2）理论与实验的紧密结合。,（3）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暗室中“枯燥地”计数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。,在1929年皇家学会曾以“理论与实验”为题说过：“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
11、”。,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 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,第一任主任第二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,第五任主任第六任主任第七任主任第八任主任现任主任,布拉格莫特 派帕德爱德华兹弗伦德,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,1921年卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖；1922年卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖；1922年卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖；1927年卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖；1935年卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖；1948年卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物
12、理奖；1951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1978年卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。,玻尔 原子物理学及量子力学奠基人,丹麦物理学家，1909年和1911年分别获得哥本哈根大学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进修，师从卢瑟福，哥本哈根学派的创始人，是二十世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的最伟大物理学家。,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设的最初十年中，对量子概念的发展立下了不朽的功勋。,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开始走向支持这个观点（科学
13、从来都不遵守少数服从多数的原则，也从不向权威屈从）。,1909年9 月21 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舞台。,到1913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。,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。,这时的玻尔是一位28岁的研究生，他作为访问学者在著名的卡文迪什实验室工作。因而他很熟悉卢瑟福的原子行星模型，同时
14、他也很了解普朗克、爱因斯坦的新思想。,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。,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碑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1922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。并且兴趣广泛，年轻时还是丹麦国家足球队队员。,尼尔斯玻尔研究所,玻尔于1921年3月倡导成立的哥本哈根理
15、论物理研究所，被物理学家誉为“物理学界的朝拜圣地”和“量子力学的诞生地”,尼尔斯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、访问。几十年来，哥本哈根理论物理研究所培养了600多名外国学者，其中很多人成为世界著名的科学家，获得诺贝尔奖金的就有10人以上。这个研究所之所以能取得辉煌的成就，主要原因是这里有一种闻名于世的哥本哈根精神，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。,哥本哈根精神: 1. 科学国际主义。 2. 独特的研究风格 平等和自由地交谈和讨论。
16、 海森伯名言:“科学扎根于讨论之中”,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理。玻尔提出了“定态”和“跃迁”两个公设。玻尔理论的美，在于出色地从两个公设出发，演绎出电子运动轨道半径、能量与能级，把有关原子的两套信息化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，绝妙地解释了原子结构的稳定性。,互补性原理：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。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。,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现象的测量结果要产生影响，所以在微观世界中应当代之以“互补”描述的审美习惯。 玻尔对“互补”的理解 “互补一词的意义是：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
