海森堡的量子力学发现之旅.ppt

量子力学与Werner Heisenberg（不演讲） 制作人:杨莉莉 0410366 光信 吴海津 0410367 应用物理 Heisenberg生平 量子力学的诞生 玻尔与索末菲的半经典原子理论假设电子在围绕原子核的固定轨道上转动。这一理论取得了很大成功，但在解释几个关键实验结果(如光谱的反常拉曼效应和辐射性质)时却彻底失败了。为了克服玻尔-索末菲模型的缺陷，玻恩、海森堡和W.泡利在德国以及玻尔等在丹麦分别展开了深入细致的研究工作。 1925年6月在海格兰岛养病期间，海森堡的研究有了突破性进展，从而导致了全新自洽的原子理论—量子力学的诞生。之后不久，玻恩、P.约丹和海森堡在哥廷根大学建立了量子力学的完备数学体系，称为矩阵力学。 如何诠释量子力学波函数的概念是1926年理论物理学界的一大焦点。经过一番辩论，薛定谔的“连续诠释”观点被玻恩的“统计诠释”观点和狄拉克-约丹的“统计变换理论”驳倒了。1927年海森堡首次提出并证明了量子力学的“测不准原理”。紧接着玻尔发展了“互补性原理”。至此量子力学的基本概念得到了完备自洽的物理解释。 那么这个测不准原理和互补原理是什么内容，又在历史上有什么重要的作用呢？ 首先，测不准原理Uncertainty Principle 海森伯测不准原理是通过一些实验来论证的。设想用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标，因为γ射线显微镜的分辨本领受到波长λ的限制，所用光的波长λ越短，显微镜的分辨率越高，从而测定电子坐标不确定的程度△q就越小，所以△q∝λ。但另一方面，光照射到电子，可以看成是光量子和电子的碰撞，波长λ越短，光量子的动量就越大，所以有△p∝1/λ。 经过一番推理计算，海森伯得出： △q△p＝h/4π。海森伯写道：“在位置被测定的一瞬，即当光子正被电子偏转时，电子的动量发生一个不连续的变化，因此，在确知电子位置的瞬间，关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。” 海森伯还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析证明，原子穿过偏转所费的时间△T越长，能量测量中的不确定性△E就越小。再加上德布罗意关系λ＝h/p，海森伯得到△E△T＜h，并且作出结论：“能量的准确测定如何，只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。” 海森伯的测不准原理得到了玻尔的支持，但玻尔不同意他的推理方式，认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。双方发生过激烈的争论。玻尔的观点是测不准关系的基础在于波粒二象性，他说：“这才是问题的核心。”而海森伯说：“我们已经有了一个贯彻一致的数学推理方式，它把观察到的一切告诉了人们。在自然界中没有什么东西是这个数学推理方式不能描述的。”玻尔则说：“完备的物理解释应当绝对地高于数学形式体系。” 接着，互补原理Complementary Principle 在物理理论中，平常大家总是认为可以不必干涉所研究的对象，就可以观测该对象，但从量子理论看来却不可能，因为对原子体系的任何观测，都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变，因此不可能有单一的定义，平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说是互相排斥的不同性质，在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。测不准原理和其它量子力学结论也可从这里得到解释。 测不准原理在现代的作用 应用到IT企业中把“测不准原理”的两个变量代换为企业目标的准确度和风险度，就会了解到企业在准确度和风险度之间不可能完全精确，这导致了两种截然不同的文化和管理模式。一种是极其谨慎，把风险控制在最小，却也往往固步自封。另一种是，鼓励创新、允许失败，即便风险再大，也不能够安于现状不思进取。 那么,互补原理呢? 互补性是因果性的“合理推广”。尤其是在波尔的晚年，他用这种观点论述了物理科学、生物科学、社会科学和哲学中的无数问题，对西方学术界产生了相当重要的影响。 玻尔的互补哲学受到了许许多多有影响的学者们的拥护，但也受到另一些同样有影响的学者们的反对。围绕着这样一些问题，爆发了历史上很少有先例的学术大论战，这场论战已经进行了好几十年，至今并无最后的结论，而且看来离结束还很遥远。 这趟世界之旅大大提高了海森堡本人和量子力学的知名度。1932年他再次应邀访问美国。许多美国和日本学生及学者频繁来莱比锡求学或讲学。国际著名的物理学大会(如1930年和1933年在布鲁塞尔召开的索尔维会议和1931年在罗马召开的核物理大会)也纷纷邀请海森堡参加并做报告。这些国际大会以及玻尔研究所举办的精英荟萃的小型研讨会激发了