奇妙的量子世界-課件

1ppt課件奇妙的量子世界

一些可能使你感到困惑的量子現(xiàn)象……河北師范大學(xué)物理學(xué)院普通物理講座之量子物理ppt課件2Outline什么是量子理論？

量子佯謬-薛定諤的貓、EPR悖論宏觀量子效應(yīng)量子力學(xué)與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)量子力學(xué)與科幻小說ppt課件3一、什么是量子理論？“量子”一詞意指“一個(gè)量”或“一個(gè)離散的量”。量子理論又稱為量子力學(xué)或量子物理學(xué)，是一組在極小尺度上主要應(yīng)用于原子或更小實(shí)體的物理定律。量子理論的核心是測不準(zhǔn)原理和波粒二象性概念的結(jié)合。量子物理實(shí)際上包含兩個(gè)方面。一個(gè)是原子層次的物質(zhì)理論：量子力學(xué)；正是它我們才能理解和操縱物質(zhì)世界。另一個(gè)是量子場論，它在科學(xué)中起到一個(gè)完全不同的作用。ppt課件4量子力學(xué)建立

A舊量子論的形成（沖破經(jīng)典—量子假說）

1900Planck振子能量量子化1905Einstein電磁輻射能量量子化

1913N.Bohr

原子能量量子化ppt課件5B、量子力學(xué)的建立（嶄新概念）

1923deBroglie電子具有波動(dòng)性

1926-27Davisson,G.P.Thomson

電子衍射實(shí)驗(yàn)

1925Heisenberg矩陣力學(xué)

1926Schroedinger

波動(dòng)方程

1928Dirac相對(duì)論波動(dòng)方程ppt課件6量子力學(xué)發(fā)展之路ppt課件7普朗克量子假說（1900年）諧振子的能量只能是ppt課件8普朗克是《PHYSIK》雜志的主編，他對(duì)愛因斯坦的工作給予了高度的評(píng)價(jià)。在普朗克獲博士學(xué)位五十周年紀(jì)念會(huì)上普朗克向愛因斯坦頒發(fā)普朗克獎(jiǎng)?wù)聀pt課件9尼爾斯·玻爾(Bohr,Niels)1885年10月7日生于丹麥?zhǔn)锥几绫竟?922年玻爾獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1920年在玻爾籌劃下創(chuàng)立的哥本哈根大學(xué)理論物理研究所，在創(chuàng)立量子力學(xué)的過程中，成為世界原子物理研究中心．1962年11月18日，玻爾因心臟病突發(fā)而逝世．ppt課件10玻爾正在講課玻爾（左）和海森伯（中）泡利（右）在一起玻爾其人，成績優(yōu)秀、全面發(fā)展、愛踢足球；學(xué)術(shù)平等、愛國反戰(zhàn)。ppt課件11在玻爾研究所里學(xué)術(shù)空氣很濃，玻爾演講后與聽眾踴躍討論。哥本哈根學(xué)派“丹麥?zhǔn)俏页錾牡胤?，是我的故鄉(xiāng)，是我心中的世界開始的地方。”波爾著名詩句：ppt課件12

波爾和他的五個(gè)兒子右2在1975年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)（因?qū)υ雍私Y(jié)構(gòu)的研究）ppt課件13德布羅意(LouisVictorduedeBroglie,1892-1960)法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。1923年，提出實(shí)物粒子也同樣具有波動(dòng)性。ppt課件14奧地利物理學(xué)家薛定諤

（Schrodinger1887-1961）1926年提出量子力學(xué)中最基本的薛定諤方程1933年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。ppt課件15匯聚了物理學(xué)界智慧之腦的“明星照”

1927年第五屆索爾威會(huì)議愛因斯坦洛侖茲居里夫人普朗克德拜泡利康普頓薛定諤狄拉克埃倫費(fèi)斯特布喇格玻爾海森伯玻恩朗之萬德布羅意ppt課件16具有劃時(shí)代意義的量子論---產(chǎn)生了半導(dǎo)體技術(shù)---改變了人類的生活水平---擴(kuò)展了我們這些專業(yè)-----引起了科學(xué)界的一場革命ppt課件17如果有一天量子力學(xué)突然不起作用了，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？不可想象！自然界的一切物體都將解體為一個(gè)個(gè)原子，而電子說不定一齊落在原子核上。當(dāng)然量子力學(xué)是不會(huì)突然不起作用的，它是微觀世界的根本規(guī)律。ppt課件18盡管量子力學(xué)是為描述遠(yuǎn)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)的抽象原子世界而創(chuàng)立的，但它對(duì)我們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憻o比巨大。沒有量子力學(xué)作為工具，就不可能有化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)以及其他每一個(gè)關(guān)鍵學(xué)科的引人入勝的進(jìn)展。沒有量子力學(xué)就沒有全球經(jīng)濟(jì)可言，因?yàn)樽鳛榱孔恿W(xué)的產(chǎn)物的電子學(xué)革命將我們帶入了計(jì)算機(jī)時(shí)代。同時(shí)，光子學(xué)的革命也將我們帶入信息時(shí)代。量子物理的杰作改變了我們的世界，科學(xué)革命為這個(gè)世界帶來了的福音，也帶來了潛在的威脅。ppt課件19量子論是一個(gè)極為奇妙的理論從物理角度來說，它在科學(xué)家中間引起了最為激烈的爭議和關(guān)注；從現(xiàn)實(shí)角度來說，它給我們的社會(huì)帶來了無與倫比的變化和進(jìn)步；從科學(xué)史角度來說，也幾乎沒有哪段歷史比量子論的創(chuàng)立得到了更為徹底的研究。然而不可思議的是，它的基本觀點(diǎn)和假說至今沒有滲透到大眾的意識(shí)中去，這無疑又給它增添了一道神秘的光環(huán)。ppt課件20波或粒子？

ppt課件21（n=1,2,……）？駐波：r朗之萬把德布洛意的文章寄給愛因斯坦，愛因斯坦說：“揭開了自然界巨大帷幕的一角”“瞧瞧吧，看來瘋狂，可真是站得住腳呢”ppt課件22氫原子波函數(shù)曲線和輪廓圖

ppt課件23波動(dòng)性與粒子性的共存，很快就導(dǎo)致了關(guān)于自然界的一些令人吃驚的結(jié)論。

幾乎沒有什么比著名的托馬斯·楊（TomasYoung）雙縫實(shí)驗(yàn)更能顯示量子的模糊性了ppt課件24理查德·費(fèi)恩曼(1918—88)曾經(jīng)說：雙孔實(shí)驗(yàn)包藏了量子力學(xué)的‘核心秘密’，無人懂得其中究竟發(fā)生了什么。它不僅僅表示量子實(shí)體運(yùn)動(dòng)時(shí)像波，到達(dá)和出發(fā)時(shí)像粒子，而且它們似乎還知道過去和未來。ppt課件25二、量子佯謬——

薛定諤的貓、

EPR悖論ppt課件26薛定諤的貓(Schrödinger'scat)是關(guān)于量子理論的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。薛定諤和他的貓（1935年）ppt課件27玻爾名言：誰要是第一次聽到量子理論時(shí)沒有感到困惑，那他一定沒聽懂這個(gè)貓十分可憐，她被封在一個(gè)密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，雌貓必死無疑。ppt課件28如果我們不揭開密室的蓋子，根據(jù)我們?cè)谌粘Ｉ钪械慕?jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)定，雌貓或者死，或者活。這是她的兩種本征態(tài)。但是，如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，她處于一種活與不活的疊加態(tài)。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道雌貓是死是活。此時(shí)，貓的波函數(shù)由疊加態(tài)立即收縮到某一個(gè)本征態(tài)。量子理論認(rèn)為：如果沒有揭開蓋子，進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不知道雌貓是死是活，她將永遠(yuǎn)到處于半死不活的疊加態(tài)。這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重相違，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？

ppt課件29薛定諤挖苦說：按照量子力學(xué)的解釋，箱中之貓?zhí)幱凇八溃畀B加態(tài)”——既死了又活著！要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。（請(qǐng)注意！不是發(fā)現(xiàn)而是決定，僅僅看一眼就足以致命?。垡蛩固箤⒀Χㄖ@的意見看作是證明“對(duì)世界的波動(dòng)描述是不完備的”的“最佳途徑”。ppt課件30哥本哈根的幾率詮釋哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是：只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這與我們觀測到的結(jié)果相符合。但是有一個(gè)大的問題：它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學(xué)中沒有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮。盡管如此，長期以來物理學(xué)家們出于實(shí)用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價(jià)是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。ppt課件31想象一個(gè)基本粒子，例如電子既不在這里又不在那里．而是以一定幾率在空間分布著的．這是可以理解的。然而難以想象的是一個(gè)非常熟悉的事物，像描處于這種形式的假死狀態(tài)。薛定諤構(gòu)想這個(gè)仍于是為了說明在嚴(yán)格的哥本哈根解釋中存在著理疵，因?yàn)楹茱@然這只描不可能同時(shí)既是活的，又是死的。但是，這比一個(gè)電子的波粒二象性更明顯。ppt課件32薛定諤的貓佯謬的意義常識(shí)已經(jīng)作為量子世界的向?qū)Ы邮芰藱z驗(yàn)，這也是所希望的。對(duì)于量子世界，不要相信我們的常識(shí)，而要相信我們直接看到的或者用實(shí)驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)確檢測到的，對(duì)于這一點(diǎn)我們是有把握的。如果不進(jìn)行觀察．我們就不知道匣子中發(fā)生了什么。ppt課件33哥本哈根詮釋在很長的一段時(shí)間成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢(mèng)一樣讓物理學(xué)家們不得安寧。佯謬的意義：在不接受“死——活”貓這樣一個(gè)“現(xiàn)實(shí)’’的情況下，是不可能與嚴(yán)格的哥本哈根解釋達(dá)成一致的，因?yàn)樵蚝徒Y(jié)果的無限復(fù)歸。這個(gè)佯謬曾經(jīng)使維格納和約蹬·惠勒考慮過這種可能性：高級(jí)生物的觀察導(dǎo)致了整個(gè)宇宙的“真實(shí)’’存在。ppt課件34休.埃弗雷特的解釋量子力學(xué)方程告訴我們，在薛定諤的著名思想實(shí)驗(yàn)中，匣子里面有兩種版本的波函數(shù)——“活貓”和“死貓”，兩者是同樣真實(shí)的。傳統(tǒng)的哥本哈根解釋從一個(gè)不同的角度來看得這些概率。它說，從效果上看，這兩個(gè)波函數(shù)都同樣的不真實(shí)。當(dāng)我們往匣子里面觀看時(shí)，它們當(dāng)中只有一個(gè)固化為現(xiàn)實(shí)。ppt課件35埃弗雷特的解釋接受了整個(gè)量子方程的表面價(jià)值．并且指出兩只貓都是真實(shí)的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問題并不在于匣子中的輻射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。面臨一個(gè)決定，整個(gè)世界——宇宙——分裂成它自己的兩個(gè)版本。ppt課件36這兩個(gè)版本在其余各個(gè)方面都是全同的。唯一的區(qū)別在于在其中一個(gè)版本中，原子衰變了，貓死了：而在另外一個(gè)版本中，原子沒有衰變，貓還活著。這聽起來就像科幻小說，然而它比科幻小說所探討的要深得多，它是基于無懈可擊的數(shù)學(xué)方程，基于量子力學(xué)樸實(shí)的、自恰的、符合邏箱的結(jié)果。ppt課件37愛因斯坦—波多爾斯基—羅孫（EPR）實(shí)驗(yàn)這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的目的是為了揭示對(duì)于擴(kuò)展于一個(gè)大的空間域上的物理系統(tǒng)進(jìn)行量子描述所具有的種種深刻的奇異性。此實(shí)驗(yàn)要我們考慮通過同時(shí)窺視一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，以蒙騙海森伯不確定性原理。采用的計(jì)謀是使用一個(gè)同謀粒子，實(shí)行一次取代所感興趣粒子的測量。ppt課件38EPR悖論

什么是EPR悖論

1935年美國《物理評(píng)論》的第47、48期上分別發(fā)表了兩篇題目相同的論文：“物理實(shí)在的量子力學(xué)描述能否認(rèn)為是完備的？”在47期上署名的是：愛因斯坦、波多爾斯基和羅森，在48期上署名的是玻爾。EPR是前三位物理學(xué)家姓的頭一個(gè)字母。EPR悖論是這三位物理學(xué)家為論證量子力學(xué)的不完備性而提出的一個(gè)悖論，又稱EPR論證或EPR佯謬。這個(gè)悖論涉及到如何理解微觀物理實(shí)在的問題。

ppt課件39愛因斯坦等認(rèn)為，愛因斯坦等認(rèn)為，如果一個(gè)物理理論對(duì)物理實(shí)在的描述是完備的，那么物理實(shí)在的每個(gè)要素都必須在其中有它的對(duì)應(yīng)量，即完備性判據(jù)。當(dāng)我們不對(duì)體系進(jìn)行任何干擾，卻能確定地預(yù)言某個(gè)物理量的值時(shí)，必定存在著一個(gè)物理實(shí)在的要素對(duì)應(yīng)于這個(gè)物理量，即實(shí)在性判據(jù)。他們認(rèn)為，量子力學(xué)不滿足于這些判據(jù)，所以是不完備的。愛因斯坦等人認(rèn)為，量子力學(xué)蘊(yùn)涵著EPR悖論，所以不能認(rèn)為它提供了對(duì)物理實(shí)在的完備描述。

ppt課件40玻爾對(duì)EPR實(shí)在性判據(jù)中關(guān)于“不對(duì)體系進(jìn)行任何干擾”的說法提出了異議認(rèn)為“測量程序?qū)τ趩栴}中的物理量賴以確定的條件有著根本的影響，必須把這些條件看成