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现代物理学基础的思考之五:量子力学的思考.DOC
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现代物理学基础的思考之五:量子力学的思考
目录
第一章 量子力学的产生
1.电磁学发展的历史回顾
2.量子力学的产生
3.光电效应
4.爱因斯坦对于光电效应的解释
5.爱因斯坦光子假设的困难
6.康普顿效应
7.光的波粒二象性
第二章 量子力学基础的诠释
1.量子力学基础的争论
2.哥本哈根解释的基本要点
3.哥本哈根解释的发展
4.量子力学的隐变量解释
5.量子力学的随机解释
6.量子力学的经典或半经典解释
7.盖尔曼关于量子力学的新解释
8.对量子论的 Copenhagen 解释的批评和反建议
9.Copenhagen 学派与实验事实之间的矛盾
10.量子力学对于数学的冲击
第三章 爱因斯坦对于量子力学基础的批判
1.爱因斯坦的实在论
2.爱因斯坦与因果律
3.爱因斯坦对于互补原理的批判
4.爱因斯坦的辩证唯物观
第四章 原子物理学与核物理学的现状
1.从独立粒子核壳层模型到原子核集体模型
2.核结构与核动力学的新进展——IBM 理论
1
3.核内非核子自由度的研究
4.基本粒子结构认识的进展
5.核物质新形态的探索
第五章 量子力学的困难
1.量子力学基础理论的困难
2.量子场论中的量子真空概念
3.现代量子力学的几个疑难问题
第一章 量子力学的产生
1、电磁学发展的历史回顾
2
早在公元前 770 年的春秋时代,中国人就发现了天然磁石,在东汉时代中国人发明了
指南针,公元前 120 年前西汉刘安等编篆的《淮南子》中描述了“阴阳相薄为雷,激扬为
电”。北宋时期陈微显描述了磁屏蔽现象,并有磁石治疗耳病的记载。17 世纪(牛顿年代)
法国旅行家卡戴马甘兰游离中国后对中国的避雷针进行了描述“中国屋宇顶上龙头中有伸
出的金属龙舌,舌根有细铁丝直通地下,使房屋不受雷电的破坏作用”。虽然中国人发明较
早,却无人去深入总结。在我们的教科书里全是洋名,不见华名,因为中国古人注重发现
但不大注重理论总结与宣传。
1800 年伏打给英国皇家学会会长班克斯写信介绍了电池的原理和构造。使之成为至
今众所周知的伏打电池。
1820 年初奥斯芯发现电流的磁效应,并进行了深入研究和总结,而且首先传到德国
和法国,在电磁学领域里,无人不晓奥斯芯这个大名。
1820 年 10 月毕奥和萨伐尔发表了关于载流长直导线的磁场的实验结果,经过数学家
拉普拉斯的帮助,总结出电流元在空间某点处产生的磁感应强度的规律 ,
称之为毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律,简称毕-萨定律。
1824 年 12 月安培发现两传导电流之间的相互作用,并从毕-萨定律出发,描述了磁
场环路公式 ,称之为安培环路定律。
1832 年法拉第发现磁铁与导体之间的感应,并认为是在导体中产生了感生电动势
。法拉第还在静电测量方面和电镀领域作出了显著贡献。
1834 年楞茨却认为是在导体中产生了感生电流 。由于感生电动势 与感生电流
体现在欧姆定律 方程的两端,哪一个是因? 哪是一个果?这正如当时哲学界
所争论的鸡蛋与小鸡的因果关系一样,谁也说不清楚。
1840 年法拉第做了静电感应实验,麻绳系着一电量为 的带电体,并放入金属桶内,
结果发现,金属桶外壁的电量也为 ,然后,他用多个较大的金属桶套在外层,测量结果
是:最外层桶的带电量仍为 ,这是著名的桶实验。当时被认为电是分布在整个以太空间
的。爱因斯坦曾充满感情的说:“对于我们,法拉第的一些概念,可以说是同我们母亲的奶
一道吮吸来的。他的伟大和大胆是难以估量的”
1856 年麦克斯韦在《论法拉第力线》一文中指出:当磁铁运动时,自由空间的磁状
态发生改变,在以太空间产生了电动力 (后来称 为电场),沿 的环线积分便是感生
电动势 (或 );对 求取欧姆定律的微分形式,便是感生电流(密度) 。
因此,他认为感应中的本质是在以太空间产生了 ,感应电动势和感应电流只是电动力
的表现形式。这样似乎平息了楞慈定律与法拉第定律之间“原因”与“结果”的哲学争议。
3
1862 年麦克斯韦提出漩涡电场的概念,对感生电动力强度是 (当时 称为
磁紧张态,后来称 为矢量磁位),两边取旋度运算便有 ,从此
感生电场是漩涡场。
1865 年麦克斯韦根据法拉第的桶实验,提出:电性既不是点也不是面或体,而是分
布在整个空间的电位移,可见的介质和不可见的以太被电动力扭拉之后形成了电位移,电
位移是位移电流的先兆,总结法拉第的桶实验得知,所谓电,它是分布在整个自由空间的
物理量,流入金属球 a 中的电流并没有结束,而是继续流向四面八方,球 a 中的电量即没
增加也没减少,因电荷守恒而使得 S 面上的电流连续;改造安培环流定律,引入空间电连
续定律,并把泊松方程推广到整个自由空间而得到 。从此麦克斯韦的旋度
方程组形成,意指:时变电场感生出磁场与时变磁场感生出电场,同生共死的交替传播,
预言以太空间有光波存在。
(一) 麦克斯韦方程组简述
1.积分形式
这是 1873 年前后,麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程。其中:
(1)描述了电场的性质。在一般情况下,电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的
感应电场,而感应电场是涡旋场,它的电位移线是闭合的,对封闭曲面的通量无贡献。
(2)描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发,也可以由变化电场的位移电流所激
发,它们的磁场都是涡旋场,磁感应线都是闭合线,对封闭曲面的通量无贡献。
(3)描述了变化的磁场激发电场的规律。
(4)描述了变化的电场激发磁场的规律。
2.微分形式
在电磁场的实际应用中,经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系。从数
4
学形式上,就是将麦克斯韦方程组的积分形式化为微分形式。
麦克斯韦将当时已发现的电磁场基本规律归纳为 4 个方程,分别以微分形式描述电场
性质、磁场性质,揭示了变化的电场与磁场的关系、变化的磁场与电场的关系。麦克斯韦
方程以高度抽象的数学形式把电场与磁场完全统一起来,实际上起了电磁场运动方程的作
用。由此出发,麦克斯韦进一步推论出了光波的存在和它的横波性,推算出光波的传播速
度等于光速。这样光是一种光波就成了麦克斯韦的天才预见。当时已知的全部光现象和电
磁现象几乎都可以用麦克斯韦方程表示出来。麦克斯韦方程组的建立,标志着电磁学已从
实验研究跨人到了理论总结的新的发展阶段,这对于以后电磁学的发展,特别是对于此后
电波学的发展,具有开拓性的理论意义。麦克斯韦的电磁学理论已成为人类知识宝库中一
份博大精深的科学遗产,它在历史上的地位和影响与牛顿力学相比毫不逊色。法拉第和麦
克斯韦在电动力学和光学中所引起的革命是自牛顿以来理论物理学中第一次最深刻和最富
有成果的革命。 决定论的思想贯穿着整个经典物理学的始末,在经典的电磁理论之中亦有
体现。在电磁场理论中,牛顿的经典力学规律任然是用,或者说经典电动力学理论本身是
建立在牛顿的经典力学基础之上的。对于带电粒子来说,牛顿运动定律任然适用,经典电
动力学仍是决定论的。
1888 年赫兹通过一对放电球的实验证实了光波的存在,即证实了麦克斯韦的预言,
使麦克斯韦的“互生场”理论一举成名。于是人们承认了麦克斯韦旋度方程组,因为当时没
有其它理论讨论自由空间的电波问题。
1892 年洛仑兹在他的有关电子论的论文中首先提出了电荷在磁场中运动时受磁力
的作用,当时他是通过理论推导而得到的,后来被大量物理实验所证明。
从 1895 年起,物理学中又产生一种发人深思的新情况。汤姆生(J.J.Thomson)
把原子分解为更微小的质点,这些质点更分解为带电的单位,其质量被解释为仅是电磁动
量的一个因子而已,“电”真仿佛可以对物理科学中的一切现象给予最后的和充分的解释了。
1896 年洛仑兹提出电子论,创建了金属电子理论。相应地在导体内金属电子切割磁
力线时受洛仑兹磁力而沿着导线漂移,形成感应电流,其感生电流的密度 (这里
5
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