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粒子的标签有质量、电荷、自旋、色荷,物理学

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粒子的标签有质量、电荷、自旋、色荷,物理学

6 月12日 —14日,中国科学院物理所研究员、博士生导师、中国科学技术大学等高校兼职教授曹则贤,在韩东校区阶梯A教室为材料科学与工程学院师生作了《材料科学是一门科学》、《情感动力学》和《创立量子力学——天才们的游戏》三场精彩的报告。报告为“科学与人文素养”系列讲座之一,由材料科学与工程学院黄锐教授主持。

第四章:“量子”物理学的探索史,它的恢宏值得敬畏!

5月24日,应物理与信息工程学院邀请,中国科学院理论物理研究所著名粒子物理学家戴元本院士来我校讲学。

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上一章我们系统的了解了“宏观”物理学的发展史,从经典物理到相对论的发展,期间有多少个人的名字,就有多少个精彩的故事,在这些精彩故事的背后,是一个个孤独的灵魂在奋斗。

24日下午4:00,戴元本院士在物理楼学术报告厅为物理学院师生作了一场题为《量子场论的发展》的讲座。量子场论(狭义相对论+量子力学+场量子化)是粒子物理学中的主要理论,随着夸克模型的提出以及随后的发展,在粒子物理领域先后建立了描写电磁作用和弱作用的电弱统一理论的标准模型以及描写夸克强互相作用的量子色动力学理论,它们在解释物质结构和粒子实验现象方面获得了很大的成功,是20世纪量子场论最重要成就之一。讲座中,戴先生从量子力学的建立讲起,然后延伸到量子场论的历史发现与发展,如费曼路径积分形式、计算方法的发展、重整化理论、规范场理论和低能有效场论等,以及量子场论现存在的问题如强相互作用的计算困难、引力场量子化问题等,和量子场论未来的发展前景等。

在《材料科学是一门科学》专题讲座中,曹教授给大家解释了什么是材料:存在的东西叫物质,当人类想赋予这个物质某种功能的时候它便成了材料。材料是人类文明的支撑,材料改变了人类的生活方式,比如仿生材料的出现,给我们带来了不粘锅;薄膜材料的出现让我们的食物能保鲜等。而材料科学是包含了物理学、生物学、化学、数学等多种学科知识的一门科学,材料科学研究除了要理解已有材料的结构和性质,更重要地是要设计出满足不同需求的新颖材料,有时甚至要挑战直觉甚至自然。我们在研究材料的时候要从不同角度看物质,曹教授认为,对于材料而言,其优点和缺点都是相对的,缺点会在你懂得运用它的时候转变为优点。曹教授还提到,地球出现生命已经是个奇迹,而世界上的另一个奇迹是万千生命中有一个是你,希望同学们用科学的态度研究材料科学,细致认真地学,把每一个问题做深、做透,不要还没开始学就先考虑学这个有什么用,学好了什么都有用。

量子力学是在“宏观”物理学基础上拓展出的一门新科学。现在已经深入到我们生活的方方面面。走近这个世界,你又将看到一个个匪夷所思的奇迹。

戴元本先生现为中国科学院理论物理研究所研究员、中国高能物理学会理事长。主要从事粒子物理理论方面的研究并在奇异位势和非定域位势的雷其极点理论、层子模型、量子场论的高能渐近行为等研究领域取得重要成果。在层子-轻子复合模型、量子场论中的对称性自发破缺及重强子性质等方面开展了深入研究并取得一系列创见性成果。1980年当选为中国科学院院士。

曹教授以“情感动力”为主题,巧妙地将物理学、动力学与人的魅力散发、人与人之间的相互交往相结合,为同学们呈现了一场别开生面的情感教育讲座。粒子的标签有质量、电荷、自旋、色荷。人如同粒子,特征标签也有很多方面,如财富、性别、品味、灵魂等。质量、电荷是力的来源,自旋决定了群体行为,力相互作用的实质是产生了交换,如电子交换光子,还有看不见的夸克(重子的组成物质)交换光子,人与人之间交换角色、换位思考其实也是一种相互作用,合作交换的需求之上才有情感的上层建筑。曹教授从物理视觉角度给我们呈现了人类的情感动力原理,如电荷般异性相吸,两人的轻松结合在于动能和势能的匹配;而当发生同性相吸时,则源于夸克之间的强烈相互作用。电荷要中和、色荷要禁闭,请科学的挥洒自己的魅力!

马克斯·普朗克

(物理与信息工程学院 王照奎)

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1900年普朗克在黑体辐射研究中的能量量子化假说是量子理论建立的前奏。尽管在最初的思考中普朗克并不赞同玻尔兹曼的统计理论,但由于他发现无法通过经典的热力学定律来导出辐射定律,他不得不转而尝试统计规律,其结果就是普朗克黑体辐射定律。

量子力学理论是建立在经典物理理论的基础上,是一场头脑风暴的结果,从根本上改变了人类对物质结构及其相互作用的理解。在《创立量子力学——天才们的游戏》讲座中,曹教授介绍了量子力学英雄谱,共25位著名物理学家,讲述他们不断完善和发展量子力学理论的历程。量子力学理论可以解释许多经典物理学无法解释的现象和预言新的、无法直接想象出来的物理现象,如爱因斯坦利用辐射的基本能量单位的假说,成功解释了光电效应;又如玻尔提出了氢原子的模型,首次给出了电子轨道的量子化条件。面对量子力学中一些较难理解的物理学概念,曹教授用“个体的尊严”、宏观连续图像描述量子化现象,用“二桃杀三士”解释了量子的测量,通俗易懂,并告诉同学们一个道理:新物质、新理论的发现都要靠科学的联想与验证。他认为这世上有天才,而且真正的天才是——早熟、冷静、深思。

同时普朗克还计算得到了公式中的普适常数,即普朗克常数。然而即使如此,普朗克的能量量子化假说最初也未得到应有的重视,在当时的物理学界看来,将能量与频率联系起来(即E=hv{displaystyle epsilon =hnu ,}E )是一件很不可理解的事,连普朗克本人对量子化也深感怀疑,他仍然试图寻找用经典手段解决问题的办法。

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1905年,爱因斯坦在他的革命性论文《关于光的产生和转变的一个启发试探性的观点》中秉承了普朗克的能量量子化假说,提出了光量子的概念。在爱因斯坦看来,将光看作是一份份不连续的能量子将有助于理解一些电磁理论无法理解的现象:

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在我看来,如果假定光的能量在空间的分布是不连续的,就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线,以及其他有关光的产生和转变的现象的各种观测结果……这些能量子在运动中不再分散,只能整个地被吸收或产生。— 阿尔伯特·爱因斯坦

三场讲座,曹教授用渊博的学识,幽默通俗的语言把深奥的物理学、材料科学等知识,与现实生活有机结合,深入浅出地一一道来,使在场的师生们受益匪浅。

如前所述,这里提到的阴极射线正是光电效应所产生的电流。爱因斯坦进一步将光量子概念应用到光电效应的解释中,并提出了描述入射光量子能量与逸出电子能量之间关系的爱因斯坦光电方程。虽然这一理论在1905年就已提出,真正通过实验验证则是美国物理学家罗伯特·密立根在1916年才完成的。

材料科学与工程学院“科学与人文素养”系列讲座的主讲人既有理工科学者也有文学专家,开讲至今,已为师生们提供了一场场精彩的多角度宽视野的思维盛宴。(文/ 图/郭焕新 袁晨曦)

密立根的光电效应实验测量了爱因斯坦所预言的遏制电压和频率的关系,其曲线斜率正是普朗克在1900年计算得到的普朗克常数,从而“第一次判决性地证明了”爱因斯坦光量子理论的正确。不过,密立根最初的实验动机恰恰相反,其本人和当时大多数人一样,对量子理论持相当大的保守态度。

1906年,爱因斯坦将普朗克定律应用于固体中的原子振动模型,他假设所有原子都以同一频率振动,并且每个原子有三个自由度,从而可求和得到所有原子振动的内能。将这个总能量对温度求导数就可得到固体热容的表达式,这一固体热容模型从而被称作爱因斯坦模型。这些内容发表于1907年的论文《普朗克的辐射理论和比热容理论》中。

尼尔斯·玻尔

1908年至1909年间,欧内斯特·卢瑟福在研究α粒子散射的过程中发现了α粒子的大角度散射现象,从而猜想原子内部存在一个强电场。其后他于1911年发表了论文《物质对α、β粒子的散射和原子构造》,通过散射实验的结果提出了全新的原子结构模型:正电荷集中在原子中心,即原子中心存在原子核。事实上,卢瑟福并非提出原子结构的“行星模型”的第一人,然而这类模型的问题在于,在经典电磁理论框架下,近距的电磁相互作用无法维持这样的有心力系统的稳定性(参见广义相对论中的开普勒问题中所描述的近距的万有引力相互作用在经典力学中也会给太阳系带来同样问题);此外,在经典理论中运动电子产生的电磁场还会产生电磁辐射,使电子能量逐渐降低,对于这些难题卢瑟福采取了回避的对策。

1912年至1913年间,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔肯定了卢瑟福的原子模型,但同时指出原子的稳定性问题不能在经典电动力学的框架下解决,而唯有依靠量子化的方法。

玻尔从氢原子光谱的巴耳末公式和约翰尼斯·斯塔克的价电子跃迁辐射等概念受到启发,对围绕原子核运动的电子轨道进行了量子化,而原子核和电子之间的动力学则依然遵守经典力学,因此一般来说玻尔模型是一种半经典理论。这些内容发表在他1913年的著名三部曲论文《论原子构造和分子构造》中。论文中他建立了一个电子轨道量子化的氢原子模型,这一模型是基于两条假设之上的:

1、体系在定态中的动力学平衡可以藉普通力学进行讨论,而体系在不同定态之间的过渡则不能在这基础上处理。

2、后一过程伴随有均匀辐射的发射,其频率与能量之间的关系由普朗克理论给出。

这一模型很好地描述了氢光谱的规律,并且和实验观测值相当符合。此外,玻尔还从对应原理出发,将电子轨道角动量也进行了量子化,并给出了电子能量、角频率和轨道半径的量子化公式。玻尔模型在解释氢原子的发射和吸收光谱中取得了非常大的成功,是量子理论发展的重要里程碑。

不过,玻尔模型在很多地方仍然是粗略的:例如它只能解释氢原子光谱,对其他稍复杂的原子光谱就毫无办法;它创立之时人们还没有自旋的概念,从而玻尔模型无法解释原子谱线的塞曼效应和精细结构;玻尔模型也无法说明电子在两条轨道之间跃迁的过程中到底是处于一种什么状态(即泡利所批评的“糟糕的跃迁”)。

德国物理学家阿诺·索末菲在1914年至1915年间发展了玻尔理论,他提出了电子椭圆轨道的量子化条件,从而将开普勒运动纳入到量子化的玻尔理论中并提出了空间量子化概念,他还给量子化公式添加了狭义相对论的修正项。

索末菲的量子化模型很好地解释了正常塞曼效应、斯塔克效应和原子谱线的精细结构,他的理论收录在他在1919年出版的《原子结构与光谱线》一书中。索末菲在玻尔模型的基础上给出了更一般化的量子化条件:{displaystyle oint p_{i}dq_{i}=n_{i}h,!}

,这一条件被称作旧量子条件或威耳逊-索末菲量子化定则,与之相关联的理论是埃伦费斯特指出的被量子化的物理量是一个绝热不变量。

1905年爱因斯坦对电磁辐射的能量进行量子化从而提出了光量子的概念,但此时的光量子只是能量不连续性的一种体现,还不具有真实的粒子概念。1909年,爱因斯坦发表了《论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展》,在这篇发言兼论文中爱因斯坦证明了如果普朗克黑体辐射定律成立,则光子必须携带有动量并应被当作粒子对待,同时还指出电磁辐射必须同时具有波动性和粒子性两种自然属性,这被称作波粒二象性。

美高梅网投app官网,1917年,爱因斯坦在《论辐射的量子理论》中更深入地讨论了辐射的量子特性,他指出辐射具有两种基本方式:自发辐射和受激辐射,并建立了一整套描述原子辐射和电磁波吸收过程的量子理论,这不但成为五十年后激光技术的理论基础,还促成了现代物理学中迄今最精确的理论——量子电动力学的诞生。

1923年,美国物理学家阿瑟·康普顿在研究X射线被自由电子散射的情况中发现X射线出现能量降低而波长变长的现象,他用爱因斯坦的光量子论解释了这一现象并于同年发表了《X射线受轻元素散射的量子理论》。康普顿效应从而成为了光子存在的论断性证明,它证明了光子携带有动量,爱因斯坦在1924年的短评《康普顿实验》中高度评价了康普顿的工作。

1923年,法国物理学家路易·德布罗意在光的波粒二象性,以及布里渊为解释玻尔氢原子定态轨道所提出的电子驻波假说的启发下,开始了对电子波动性的探索。

他提出了实物粒子同样也具有波粒二象性的假说,对电子而言,电子轨道的周长应当是电子对应的所谓“位相波”波长的整数倍。德布罗意在他的博士论文中阐述了这一理论,但他同时认为他的电子波动性理论所描述的波的概念“像光量子的概念一样,只是一种解释”,因此真正的粒子的波函数的概念是等到薛定谔建立波动力学之后才完备的。另外,德布罗意在论文中也并没有明确给出物质波的波长公式,虽然这一想法已经反映在他的内容中。

德布罗意的博士论文被爱因斯坦看到后得到了很大的赞许,爱因斯坦并向物理学界广泛介绍了德布罗意的工作。这项工作被认为是统一了物质粒子和光的理论,揭开了波动力学的序幕。1927年,贝尔实验室的克林顿·戴维孙和雷斯特·革末进行了著名的戴维孙-革末实验,他们将低速电子射入镍晶体,观测每一个角度上被散射的电子强度,所得的衍射图案与布拉格预测的X射线的衍射图案相同,这是电子也会像波一样发生衍射的确凿证明。特别地,他们发现对于具有特定能量的入射电子,在对应的散射角度上散射最明显,而从布拉格光栅衍射公式得到的衍射波长恰巧等于实验中具有对应能量电子的德布罗意波长。

有别于旧量子论的现代量子力学的诞生,是以1925年德国物理学家维尔纳·海森堡建立矩阵力学和奥地利物理学家埃尔温·薛定谔建立波动力学和非相对论性的薛定谔方程,从而推广了德布罗意的物质波理论为标志的。

矩阵力学是第一个完备且被正确定义的量子力学理论,通过将粒子的物理量阐释为随时间演化的矩阵,它能够解释玻尔模型所无法理解的跃迁等问题。矩阵力学的创始人是海森堡,另外他的德国同胞马克斯·玻恩和帕斯库尔·约当也做出了重要工作。

1924年,23岁的海森堡还只是哥廷根大学未取得终身教职的一名年轻教师,他于同年九月应玻尔的邀请来到哥本哈根进行六个月的交流访问,此间海森堡受到了玻尔和他的学生汉斯·克拉莫斯等人的深刻影响。

1925年海森堡回到哥廷根,在五月之前他的工作一直是致力于计算氢原子谱线并试图只采用可观察量来描述原子系统。同年六月为了躲避鼻炎的流行,海森堡前往位于北海东部并且没有花粉侵扰的黑尔戈兰岛。在那里他一边品味歌德的抒情诗集,一边思考着光谱的问题,并最终意识到引入不可对易的可观察量或许可以解决这个问题。

其后他在回忆中写道:“当时正是凌晨三点,最终的计算结果即将出现在我面前,起初这让我深深震撼了。我非常兴奋以至于无法考虑睡觉的事,于是我离开房间前往岩石的顶端等待朝阳。”我们可以想象一下,他的高兴,他的喜悦。

回到哥廷根后,海森堡将他的计算递交给沃尔夫冈·泡利和马克斯·玻恩评判,他对泡利附加评论说:“所有内容对我来说都还很不清楚,但似乎电子不应当在轨道上运动了”。

在海森堡的理论中,电子不再具有明确的轨道,他从而意识到电子的跃迁几率并不是一个经典量,因为在描述跃迁的傅里叶级数中只有频率是可观察量。他用一个系数矩阵取代了经典的傅里叶级数,在经典理论中傅里叶系数表征着辐射的强度,而在矩阵力学中表征强度的则是位置算符的矩阵元的大小。

海森堡理论的数学形式中系统的哈密顿量是位置和动量的函数,但它们不再具有经典力学中的定义,而是由一组二阶(代表着过程的初态和终态)傅里叶系数的矩阵给出。

玻恩在阅读海森堡的理论时,发现这一数学形式可以用系统化的矩阵方法来描述,这一理论从而被称作矩阵力学。于是玻恩和他的助手约尔当一起发展了这种理论的严谨数学形式,他们的论文在海森堡的论文发表六十天后也公布于众。

同年11月16日,玻恩、海森堡和约尔当三人又联合发表了一篇后续论文,论文将情形推广到多自由度及含有简并、定态微扰和含时微扰,全面阐述了矩阵力学的基本原理:

1.所有的可观察量都可用一个厄米矩阵表示,一个系统的哈密顿量是广义坐标矩阵和与之共轭的广义动量矩阵的函数。

2.可观察量的观测值是厄米矩阵的本征值,系统能量是哈密顿量的本征值。

3.广义坐标和广义动量满足正则对易关系(强量子条件)。

4.跃迁频率满足频率条件。

如上所述,海森堡的矩阵力学所基于的观念是,电子本身的运动是无法观测的,例如在跃迁中只有频率是可观察量,只有可观察量才可被引入物理理论中。因此如果不能设计一个实验来准确观测电子的位置或动量,则谈论一个电子运动的位置或动量是没有意义的。

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