寻找薛定谔的猫

《寻找薛定谔的猫》读书笔记肖哨20141170046大气科学这本书讲的是现代物理最难以理解的科学—量子力学！书名之所以叫做“寻找薛定谔的猫”，其中薛定谔创立了量子力学的一个方程，它被称为薛定谔方程，他也因此名声大噪。这里的“猫”是一个抽象的概念，寻找薛定谔的猫其实就是寻找量子的真实性。这本书主要从三个方面来介绍量子力学，分别为量子力学的早期起源、曲折发展和它的应用。值得一提的是书中提到了大量著名的物理学家，他们都为量子力学的形成和发展做出了贡献。下面我尽量用简短的内容将这三个方面介绍一下。一量子力学开始产生发展的原因我们知道量子力学研究的是微观世界的微粒运动规律，首先我们来看看这些粒子都是如何被发现的和证实。我们从构成物质的基本粒子—原子来说，原子在19世纪是否真实存在还仍存在疑问，首先出场的是被公认的自牛顿以来最伟大的物理学家—阿尔伯特.爱因斯坦。他在1905（称为“爱因斯坦奇迹年”）发表的《布朗运动的一些检视》解释了原子存在的真实性。另一篇是关于光电效应的文章，后来被认为是研究量子力学的一流文章。电子是在19世纪末期对阴极射线的本质的争论而呗发现的，是由汤姆逊通过实验证实阴极射线是些带负电的粒子流，并且是原子的组成部分，紧接着他又发现了与之带电量相反的粒子—离子。随着中子的发现也发现具有不同质量但是化学性质相同的原子，我们称之为同位素。随后X射线的发现和放射性的发现为解开原子结构提供了关键钥匙，卢瑟福在一种放射性元素到另一种元素的过程中发现两种不同的放射性衰变，他名为α射线和β射线。还存在第三种放射名为γ射线。其中α射线起到重要重要，为他提出一种新的原子模型，这种模型成立原子结构的现代理解的基础。二量子力学的曲折发展但是卢瑟福引发了新的问题—绕原子核运动电子速度不断变化，必然辐射能量，由于不断地失去能量，电子应该沿着螺旋线型方向落入原子核。就这个问题的解决过程，物理学家一步步发展了量子力学。在这之前我们不得不提一下“紫外灾难”，黑体辐射能量与频率的关系。物理学家先后推出两个公式，第一个基于经典物理推导出的瑞利—琼斯公式，但它在高频拟合完全失败而在低频拟合较好，第二的定律基于实验得出的公式—维恩公式，虽然拟合较好，但缺乏理论意义。这个难题吸进了许多物理学家，其中之一是马克思.普朗克，在他解决这个难题的过程中，他首先向量子力学迈进了革命的一步，他将振子的能量划分为有限多的碎块，这些碎块称为量子，并且它们满足E=hv，h为普朗克常数，h不具有一般的经典力学特性，他称之为“作用量”，仅在爱因斯坦发现相对论后的意义才会出现。现在回到卢瑟福的原子模型引发的问题，认识到电子关于能量的吸收与辐射并不是连续的，而是放出整块的能量。电子“稳定“轨道对应于某个特定大小的能量，每一个都是基本量子的整数倍，没有能量处于其间的轨道。然后我们来看看波尔的原子理论，他成功解释了最简单的原子—氢原子的光谱。波尔证明最简单的氢原子的能级可以表示为台阶，每个相邻的台阶间距正比于1/n^2,此处的n是从底部起的台阶序号。因此，每一个元素的光谱中有许多条谱线，每一条谱线都对应台阶间的一个跃迁——不同能级之间的跃迁。爱因斯坦认识到，原子从激发态—电子处于高能态到低能态的辐射，同原子的放射性衰变极其相似。都有一种不确定性，即哪个原子发生跃迁或哪个原子发生衰变完全是随机的，无法预测，但又都满足统计规律，如同上帝的骰子。现在我们来看看光子和电子的粒子性。早期牛顿提出的粒子说占据主流，与之同时代提出的波动学说则不受重视，然而情况到后面完全相反，因为1801年托马斯.杨进行了著名光的双缝干涉实验验证了光的波动性，这时粒子学说完全被抛弃。直到爱因斯坦在1905发表论述光电效应的文章阐述了光量子的概念，然而这种半微粒的概念是否真实存在还有待验证，爱因斯坦从相对论出发推导光“粒子”的动量和能量的关系，E=PC.使他相信光量子是真实存在。随后康普顿效应的提出确定了光的粒子性。光的两种性质需要一种理论来统一，这就是德布罗意提出的波粒二象性，随即提出了物质波的假说，为了验证电子的波动性，汤姆逊领导的小组验证了电子就像波一样被晶格所衍射。为了解释原子光谱学的疑难问题—谱线的分裂，泡利给予电子第四个独立的量子数—电子的自旋，利用电子的自旋理论来解释谱线分裂的问题成功了。随后他又提出了泡利不相容原理即没有两个电子具同一套量子数。泡利不相容原理适用于所有具有半整数自旋的粒子。具有半整数自旋的粒子所符合的规则是由费米和狄拉克得出的，这种粒子随后被称为“费米子”，具有整数自旋的粒子满足的规律是由玻色和爱因斯坦给出的，因而这种粒子称为“玻色子”。海森伯提出的海森伯测不准原理：所测量的量是对电子，或其他实体的重叠的互补性描述，位置是粒子的重要特性—粒子能够精确定位，然而波段没有精确的位置，单它们有动量。你对波的特性直到的越多，对粒子的特性知道的越少，反之一样。“不确定性、互补性、概率和观察者对系统的扰动”，这些思想汇集起来构成了量子力学的“哥本哈根解释”。三量子力学的应用用量子力学解释原子的行为取得巨大的胜利，物理学家自然地将他们的注意力转到了核物理。核子被很强的合理吸拢在内，但是一个α例粒子刚好位于核外，那么它将受到很强的电厂排斥力。这两个力的联合效应构成物理学家们所称的“势阱”。核裂变是由一个快速运动的中子和核的碰撞来触发的。而核聚变则与一个大核产生裂变不一样，你必须设法使子核克服正电荷间的静电排斥力而紧紧地靠在一起。量子力学对我们日常生活最普遍的影响无疑是在固态物理领域，所有电子设备都依赖于半导体的特性，半导体是固体，它介于导体和绝缘体自检的特性。绝缘体不导电是因为它们的电子被紧紧地束缚在核上。导体如金属中，它们每一个原子都具有一些松散的电子，它们位于原子势阱的顶部交叠在一起，在高能级中的电子就可以自由的从一个原子跑到另一个原子核附近。导体的特性最终依赖于费米狄拉克统计