標籤:量子力學 薛文定諤

在微觀領域中,某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的,而不是連續的,這個最小的基本單位叫做量子。

1定義

創始人

  創始人

一個物理量如果有最小的單元而不可連續的分割,就說這個物理量是量子化的,並把最小的單元稱為量子。
量子論:震動的微粒子的解說——量子論
量子一詞來自拉丁語(quantus),意為「多少」,代表「相當數量的某事」。在物理學中常用到量子的概念,量子是一個不可分割的基本個體。例如,一個「光的量子」是光的單位。而量子力學、量子光學等等更成為不同的專業研究領域。
其基本概念是所有的有形性質也許是「可量子化的」。「量子化」 指其物理量的數值會是一些特定的數值,而不是任意值。例如,
在(休息狀態)的原子中,電子的能量是可量子化的,這能決定原子的穩定和一般問題。
在20世紀的前半期,出現了新的概念。許多物理學家將量子力學視為了解和描述自然的的基本理論。

2簡介

「光量子」(光子)

  「光量子」(光子)

在經典物理學的理論中能量是連續變化的,可以取任意值。19世紀後期,科學家們發現很多物理現象無法用這一理論解釋。1900年12月14日,德國物理學家普朗克(M.Planck,1858-1947)提出:像原子作為一切物質的構成單元一樣,「能量子」(量子)是能量的最小單元,原子吸收或發射能量是一份一份地進行的。後來,這一天被認為是量子理論的誕生日。1905年,德國物理學家愛因斯坦(A.Einstein,1879-1955)把量子概念引進光的傳播過程,提出「光量子」(光子)的概念,並提出光同時具有波動和粒子的性質,即光的「波粒二象性」。
20世紀20年代,法國物理學家德布羅意(1892-1987)提出「物質波」概念,即一切物質粒子均具備波粒二象性;德國物理學家海森伯(W.K.Heisenberg,1901-1976)等人建立了量子矩陣力學;奧地利物理學家薛定諤(E.Schrödinger,1887-1961)建立了量子波動力學。量子理論的發展進入了量子力學階段。
1928年,英國物理學家狄拉克(P. A.M.Dirac,1902-1984)完成了矩陣力學和波動力學之間的數學轉換,對量子力學理論進行了系統的總結,並將兩大理論體系——相對論和量子力學成功地結合起來,揭開了量子理論發展的第三階段——量子場論的序幕。量子理論是現代物理學的兩大基石之一,為從微觀理解宏觀提供了理論基礎。

3理論建立

量子物理是根據量子化的物理分支,在1900年以理論來建立。由於馬克斯·普朗克(M. Planck)解釋所謂的黑體輻射,他的工作根本上合併了量子化,到了今天它仍被使用。但他嚴重地衝擊了古典物理學,也就是在量子論未確立之前,需要了另外30年的研究。直到現在一些主張仍然不能被充分地了解,不光是普朗克對這個新概念感到困擾,當時德國物理學者中,黑體研究成為焦點。在10月、11月和12月會議前夕,對他的科學同事報告公開他的新想法。就這樣謹慎的實驗學家(包括F. Paschen,O.R. Lummer,E. Pringsheim,H.L. Rubens,和F. Kurlbaum)和一位理論家迎接最巨大的科學革命。

4量子力學的誕生

從實驗中普郎克推算到h及k的數值。因此他在1900年12月14日的德國物理學學會會議中第一次發表能量量子化數值、 Avogadro-Loschmidt數的數值、一個份子模(mole)的數值及電荷單位,這數值比以前更準確,代表量子力學的誕生。

5黑體輻射量子方程

當物體被加熱,它以電磁波的形式散發紅外線輻射,這是了解清楚的最明顯的重要性。當物體變得熾熱,紅色波長部分開始變得可見。但是大多數熱輻射仍然是紅外線,除非直到物體變得像太陽的表面一樣熱,這是當時的實驗室內不能夠達成的,而且只可以量度部分黑體光譜。
黑體輻射量子方程是量子力學的第一部分,在1900年10月7日面世。
能量 E、輻射頻率 f 及溫度 T 可以被寫成:
E=hf/(e^(hf/κT)-1)
h 是普朗克常數及 k 是玻爾茲曼常數,兩者都是物理學中的基礎。基礎能量的量子是 hf。可是這個單位正常之下不存在並不需要量子化。
量子力學詮釋:霍金膜上的四維量子論
10維或11維的「弦論模型圖

  10維或11維的「弦論模型圖

類似10維或11維的「弦論」=振動的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。
霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋(鄧宇等,80年代):
振動的量子(波動的量子=量子鬼波)=平動微粒子的振動;振動的微粒子;震蕩中的象量子(粒子)一樣的微小物體。
波動量子=量子的波動=微粒子的平動+振動
=平動+振動
=矢量和
量子鬼波的DENG'S詮釋:微粒子(量子)平動與振動的矢量和
粒子波、量子波=粒子的震蕩(平動粒子的震動
「波」和「粒子」統一的數學關係
量子
振動粒子的量子論詮釋
物質的粒子性由能量E和動量p刻劃,波的特徵則由電磁波頻率ν 和其波長λ 表達,這兩組物理量的比例因子由普朗克常數h(h=6.626*10^-34J·s)所聯繫。
E=hv,E=mc^2 聯立兩式,得:m=hv/c^2(這是光子的相對論質量,由於光子無法靜止,因此光子無靜質量),而p=mc
則p=hv/c(p 為動量)
粒子波的一維平面波的偏微分波動方程,其一般形式為
эξ/эx=(1/u)(эξ/эt) 5
三維空間中傳播的平面粒子波的經典波動方程為
эξ/эx+эξ/эy+эξ/эz=(1/u)(эξ/эt) 6
波動方程實際是經典粒子物理和波動物理的統一體,是運動學與波動學的統一。波動學是運動學的一部分,是運動學的延伸,即平動與振動的矢量和。對象不同,一個是連續介質,一個是定域的粒子,都可以具有波動性(鄧宇等,80年代)。
經典波動方程1,1'式或4--6式中的u,隱含著不連續的量子關係E=hυ和德布羅意關係λ=h/p,由於u=υλ,故可在u=υλ的右邊乘以含普朗克常數h的因子(h/h),就得到
u=(υh)(λ/h)
=E/p
等關係u=E/p,使經典物理與量子物理,連續與不連續(定域)之間產生了聯繫,得到統一。
粒子的波動與德布羅意物質波的統一
德布羅意關係λ=h/p,和量子關係E=hv(及薛定諤方程)這兩個關係式實際表示的是波性與粒子性的統一關係,而不是粒性與波性的兩分。德布羅意物質波是粒波一體的真物質粒子,光子,電子等的波動。

6參考書籍

■M. Planck,A Survey of Physical Theory,transl. by R. Jones and D.H. Williams,Methuen & Co.,Ltd.,London 1925 (Dover editions 1960 and 1993) including the Nobel lecture.
■J. Mehra and H. Rechenberg,The Historical Development of Quantum Theory,Vol.1,Part 1,Springer-VerlagNew York Inc.,New York 1982.
■Lucretius,"On the Nature of the Universe",transl. from the Latin by R.E. Latham,Penguin Books Ltd.,Harmondsworth 1951. There are,of course,many translations,and the translation's title varies. Some put emphasis on how things work,others on what things are found in nature.

7參看

量子力學量子光學量子信息量子狀態量子數

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