人文物理〔量子论〕.ppt

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。” 十九世纪末物理学的三大发现 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。”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互补的。只有把这些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。 1937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，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，认为这是对他的互补性原理的最形象的说明。他曾经引用老子《道德经》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认识。 在薛定谔建立波动力学的过程中，类比方法起了很大的作用。薛定谔本人曾说过：“从通常的力学走向波动力学的一步，就象光学中用惠更斯理论来代替牛领理论所迈进的一步相类似。我们可以构成这种象征性的比例式： 通常力学/电动力学 = 几何光学/波动光学 典型的量子现象就类比于衍射和干涉等典型的波动现象。” 薛定谔的科学美学思路是音乐式的。人们早已知道，琴弦、风琴管的振动符合类似形式的波动方程。而一个波动方程，只要附加一定的数学条件，便会产生一些数列。薛定谔决意根据这种科学美学见解，创造一种原子理论。结果，薛定谔如愿以偿，求得了电子的波动方程：这是一个相当美妙的方程，在这个方程中，m、E、V体现着电子的微粒性，而 ? 则体现为电子的波动性，方程把电子的波粒二象性完美地统一起来了。 　　互补性原理成为哥本哈根学派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至扩展成所谓的互补哲学，受到各界人士的青睐。玻尔以中国的阴阳太极图作为哥本哈根学派的族徽，以标示这貌似简单、实为诡秘的互补原理。 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，1910年获巴黎大学史学学士学位，1913年又获理学士学位，1924年获巴黎大学博士学位，在博士论文中首次提出了物质波概念。 在20世纪的20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，由一个当时还是研究生的小人物德布罗意提出了。 德布罗意早先是学文史的，18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，对物理学发生了兴趣。他哥哥当时是著名的X 射线物理学家。 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，另一类实验表明，光具有粒子性，那么光究竟是波还是粒子呢？ 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，而是兼有这两种属性的客观实在！ 德布罗意推想，既然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） （又带有浓厚的史学研究方法的色彩） 1923年9月10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。 德布罗意指出：爱因斯坦对光量子的描述应该也适用于“实物粒子”。 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