1、第二章 背景知識(shí) 量子力學(xué),2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),10月9日下午，2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。 瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)將獎(jiǎng)項(xiàng)授予給了量子光學(xué)領(lǐng)域的兩位科學(xué)家法國物理學(xué)家塞爾日阿羅什與美國物理學(xué)家戴維瓦恩蘭，以獎(jiǎng)勵(lì)他們“提出了突破性的實(shí)驗(yàn)方法，使測(cè)量和操控單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能,諾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站稱，塞爾日阿羅什與戴維瓦恩蘭兩人分別發(fā)明并發(fā)展出的方法，讓科學(xué)界得以在不影響粒子量子力學(xué)性質(zhì)的情況下，對(duì)非常脆弱的單個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量與操控。他們的方式，在此前一度被認(rèn)為是不可能做到的,戴維瓦恩蘭1944年2月24日出生于美國威斯康星州密爾沃基。1970年在美國哈佛大學(xué)取得博士學(xué)位。現(xiàn)任美國國家標(biāo)準(zhǔn)

2、技術(shù)研究所研究員和組長，美國科羅拉多大學(xué)波德分校教授。他還是美國物理學(xué)會(huì)、美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，并于1992年入選美國國家科學(xué)院。曾獲得阿瑟肖洛獎(jiǎng)（激光科學(xué)）、美國國家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)拢ㄎ锢韺W(xué)）、赫伯特沃爾特獎(jiǎng)、本杰明富蘭克林獎(jiǎng)?wù)拢ㄎ锢韺W(xué)）等。他的主要工作包括離子阱的激光冷卻，以及利用囚禁的離子進(jìn)行量子計(jì)算等，因此被認(rèn)為是離子阱量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)奠基者,塞爾日阿羅什1944年9月11日出生于摩洛哥卡薩布蘭卡，目前居住于巴黎。1971年在法國皮埃爾與瑪麗居里大學(xué)，即巴黎第六大學(xué)取得博士學(xué)位。現(xiàn)任法國巴黎高等師范學(xué)院教授和法蘭西學(xué)院教授，兼任量子物理系主任。他還是法國物理學(xué)會(huì)、歐洲物理學(xué)會(huì)和美國物理學(xué)會(huì)的會(huì)員，被

3、認(rèn)為是腔量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)奠基者。曾獲洪堡獎(jiǎng)、阿爾伯特邁克爾遜勛章、查爾斯哈德湯斯獎(jiǎng)、法國國家科學(xué)研究中心金獎(jiǎng)等諸多獎(jiǎng)項(xiàng)。其主要研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄟ^實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量子脫散（又稱量子退相干），即量子系統(tǒng)狀態(tài)間相互干涉的性質(zhì)會(huì)隨時(shí)間逐步喪失。脫散現(xiàn)象可對(duì)量子信息科學(xué)形成兩方面的影響：一是涉及量子計(jì)算領(lǐng)域，另一方面則與量子通信相關(guān),單個(gè)物質(zhì)粒子包括光子，經(jīng)典力學(xué)不適用，粒子表現(xiàn)出量子性。然而長久以來，單個(gè)粒子不能從脫離周圍環(huán)境直接觀測(cè)到，科學(xué)家只能通過思想實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證它奇異的表現(xiàn),他們的發(fā)明開辟了量子物理學(xué)的新時(shí)代；他們成功地觀測(cè)到非常脆弱的量子態(tài)，在不破壞單個(gè)粒子的前提下直接觀察它們的特性；他們的工作為制造新型超

4、高速基于量子物理的計(jì)算機(jī)邁出了第一步。也可以用來制造極精準(zhǔn)時(shí)鐘，用于未來的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，比現(xiàn)有的銫原子鐘精確百倍,在勢(shì)阱中控制單個(gè)離子 在科羅拉多州博爾德市，大衛(wèi)-維因蘭德維因蘭德的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，帶電原子或離子被置于電場(chǎng)內(nèi)的勢(shì)阱中。該實(shí)驗(yàn)在真空和低溫條件下進(jìn)行，使粒子遠(yuǎn)離熱和輻射干擾。 維因蘭德實(shí)驗(yàn)的秘訣是使用激光脈沖。他用激光壓制離子在勢(shì)阱中的熱運(yùn)動(dòng)，使離子停留在最低能量狀態(tài)，從而觀測(cè)勢(shì)阱中離子的量子現(xiàn)象。一個(gè)細(xì)致調(diào)節(jié)好的激光束可以使離子進(jìn)入疊加態(tài)，該形態(tài)使一個(gè)離子同時(shí)存在于兩種不同狀態(tài)。例如，一個(gè)離子可以同時(shí)處于兩種能量值。它開始處于較低能量的狀態(tài)，激光的作用僅僅是向高能量狀態(tài)輕輕推它，能夠使它停

5、留在兩種狀態(tài)的疊加中，進(jìn)入任何一種狀態(tài)有相等的可能性。這樣可以研究離子的量子疊加狀態(tài),在勢(shì)阱中控制單個(gè)光子 塞爾日-阿羅什和他的研究小組在巴黎的實(shí)驗(yàn)室里，微波光子在相距3厘米的鏡片之間反彈。鏡片用超導(dǎo)材料制作，被冷卻到剛剛超過絕對(duì)零度。這是世界最閃耀的超導(dǎo)鏡片，單個(gè)的光子在它們之間的空腔反彈超過十分之一秒的時(shí)間，直到它丟失或被吸收。這意味著光子能夠穿越40000千米的長度，相當(dāng)于環(huán)繞地球一周。 量子操縱可以通過勢(shì)阱中的光子演示。阿羅什運(yùn)用特殊調(diào)制的原子，叫做Rydberg 原子，完成控制和測(cè)量空腔內(nèi)微波光子的任務(wù)。 Rydberg原子穿越空腔并離開，留下光子，但之間的相互作用使原子的量子相位發(fā)

6、生改變，就像一陣波。當(dāng)Rydberg原子離開空腔時(shí)，相位改變能測(cè)量得到，從而暗示空腔中光子的存在或逃逸。 利用相似的方法，阿羅什和他的團(tuán)隊(duì)可以數(shù)空腔內(nèi)的光子。光子不容易數(shù)，任何和外界接觸就會(huì)破壞。借助這個(gè)方法，阿羅什和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)后期方案一步一步實(shí)現(xiàn)單個(gè)量子狀態(tài)的測(cè)量,量子力學(xué)悖論,量子力學(xué)描繪了一個(gè)肉眼無法觀測(cè)的微觀世界，很多與我們的期望和在經(jīng)典物理中的經(jīng)驗(yàn)相反。 量子世界本身具有不確定性。例如疊加態(tài)，一個(gè)量子可以有多重形態(tài)。我們通常不會(huì)認(rèn)為一塊大理石同時(shí)是“這樣”也是“那樣”，除非是一塊量子大理石。疊加態(tài)的大理石只能確切地告訴我們大理石是每一種形態(tài)的概率,為了說明將我們的宏觀世界間思想實(shí)驗(yàn)

7、移動(dòng)到微觀量子世界可能產(chǎn)生的荒謬的結(jié)果，薛定諤描述了一個(gè)關(guān)于貓的思想實(shí)驗(yàn)： 薛定諤的貓被放在一個(gè)與周圍環(huán)境完全隔離的箱子內(nèi)。這個(gè)箱子內(nèi)有一瓶致命的氰化物，還有一些處于發(fā)射狀態(tài)的放射性原子衰變。放射性衰變遵循量子力學(xué)定律，因而它處于發(fā)射和未發(fā)射的疊加狀態(tài)。因此，貓?zhí)幱诨钪退懒说寞B加狀態(tài)。現(xiàn)在，如果你窺視箱子內(nèi)部，你等于殺死了貓，因?yàn)榱孔盈B加態(tài)對(duì)環(huán)境作用非常敏感，觀察貓的瞬間，貓的“世界線”會(huì)“塌縮”到出現(xiàn)死或者活兩種結(jié)果中的一種。在薛定諤看來，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了一個(gè)荒謬的結(jié)論。它在說明他應(yīng)該向出現(xiàn)的量子道歉,2012年的兩位物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者能夠映射到當(dāng)外界環(huán)境參與時(shí)量子貓的狀態(tài)。他們?cè)O(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)

8、驗(yàn)，詳細(xì)說明觀測(cè)這一行為實(shí)際上如何導(dǎo)致量子狀態(tài)的崩潰并失去其疊加特性的。阿羅什和 維因蘭德并沒有用貓，而是將勢(shì)阱中的離子放入薛定諤假設(shè)的疊加態(tài)中。這些量子物體盡管宏觀上沒有貓那樣的形狀，但相對(duì)于量子尺度仍然足夠大。 在阿羅什的空腔中，不同相位的微波光子被同時(shí)放置在像貓一樣的疊加態(tài)中，像同時(shí)有很多順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的秒表。空腔用Rydberg原子探測(cè)。結(jié)果出現(xiàn)了另一個(gè)難以理解的稱為糾纏態(tài)的量子效應(yīng)。糾纏也被薛定諤描述過，可以發(fā)生在兩個(gè)或多個(gè)量子之間，他們彼此沒有直接接觸，卻可以讀取或影響對(duì)方的屬性。微波場(chǎng)中量子的糾纏態(tài)和Rydberg原子的運(yùn)動(dòng)讓阿羅什映射生活和死亡的貓一樣的狀態(tài)，進(jìn)而一步一步，

9、經(jīng)歷了從量子疊加態(tài)到被完全定義的經(jīng)典物理態(tài)的過渡,玻爾提出的氫原子理論獲得了巨大的成功,1、他所提出的量子態(tài)的概念得到實(shí)驗(yàn)的直接驗(yàn)證,2、成功解釋了近30年的氫光譜之迷,3、解釋并預(yù)告了氦原子的光譜,4、第一次用物理的觀點(diǎn)闡明了元素的周期表,第一節(jié) 玻爾理論的困難,一、玻爾理論的成功之處,由于玻爾理論把微觀粒子看成經(jīng)典力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)，把經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律用于微觀粒子，就不可避免地使得這一理論中存在難以解決的內(nèi)在矛盾,1、加速電子在定態(tài)時(shí)為什么不能發(fā)射電磁波,2、定態(tài)之間躍遷過程中發(fā)射和吸收輻射的原因不清楚,3、無法說明原子是如何組成分子及構(gòu)成液體和固體的等等,由此可見，以 玻爾理論為代表的舊量子力學(xué)

10、，不論在邏輯上還是對(duì)實(shí)際問題的處理上，都存在嚴(yán)重的缺陷與不足。現(xiàn)實(shí)呼喚一種全新的理論體系對(duì)此作出完整、正確的理論解釋量子力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生,二、玻爾理論的困難,量子力學(xué)的發(fā)展歷史,關(guān)于光的本性的研究，已經(jīng)由很長的歷史。早在1672年牛頓就提出了光的微粒說。1678年，荷蘭的惠更斯把光看成是縱向波動(dòng)。從此光的微粒說和波動(dòng)說一直在爭(zhēng)論中不斷發(fā)展,19世紀(jì)初，菲涅耳、夫瑯和費(fèi)和楊氏等人所作的光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)，證明光具有波動(dòng)性,一、光的波粒二象性,光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)則明顯地揭示了光具有粒子性。這種粒子叫做“光子,第二節(jié) 波粒二象性,1900年，普朗克為了解釋黑體輻射現(xiàn)象，引入一個(gè)“離經(jīng)叛道”的假設(shè): 黑

11、體吸收或發(fā)射輻射的能量必須是不連續(xù)的. 這一重要事件后來被認(rèn)為是量子革命的開端.普朗克為此獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),普朗克 (M.Planck)1858-1947)德國物理學(xué)家,普朗克(Plank)最先提出了能量量子的概念,指出黑體是由諧振子構(gòu)成, 能量為nh (n=1,2,3, 為諧振子的固有振動(dòng)頻率), 物體發(fā)射或吸收電磁輻射的過程, 是以不可分割的能量量子(h)為單元不連續(xù)地進(jìn)行的, h為普朗克常數(shù), h=6.626*10-34Js,1905年，德國物理學(xué)家愛因斯坦為了解釋光電效應(yīng)，提出了“光子學(xué)說”，使得人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍,以上兩式是光的波粒二象性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它們將標(biāo)志

12、波動(dòng)性質(zhì)的頻率和波長，通過一個(gè)普適常量普朗克常數(shù)，同標(biāo)志粒子性質(zhì)的能量和動(dòng)量聯(lián)系起來,1、光既有粒子性又有波動(dòng)性,2、光在傳播時(shí)顯示出波動(dòng)性，而在轉(zhuǎn)移能量時(shí)顯示出粒子性,3、在任何一個(gè)特定的事例中，光要么顯示出粒子性，要么 顯示出波動(dòng)性，二這決不會(huì)同時(shí)出現(xiàn),說明,愛因斯坦的光量子理論認(rèn)為，光子的能量和動(dòng)量具有如下表達(dá)形式,二、德布羅意假設(shè),L.V.de Broglie（德布羅意,德布羅意受愛因斯坦的“光子學(xué)說”的啟發(fā), 大膽假設(shè)電子具有波動(dòng)性. 1929年,德布羅意獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),1924年11月，德布羅意在其博士論文里首次提出所有物質(zhì)粒子具有波粒二象性的假設(shè),此式稱為德布羅意公式，這種波稱

13、為德布羅意波或物質(zhì)波,質(zhì)量為m 的粒子，以速度 v 勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，一方面可以用 能量E 和動(dòng)量P 對(duì)它作粒子的描述，另一方面也可以用頻 率，波長作波的描述，其關(guān)系為,1、物質(zhì)波是一種什么樣的波？ 2、我們?yōu)槭裁锤杏X不到德布羅意所謂的物質(zhì)波呢,幾種運(yùn)動(dòng)物體相伴隨的德布羅意波的波長,2）石頭，質(zhì)量為100克，速度為100厘米,厘米,1）地球，質(zhì)量為 克，軌道速度約為 厘米/ 秒,厘米,3）電子，質(zhì)量約為10-27克，速度為6107厘米/秒 厘米,它差不多相當(dāng)于X射線的波長，而X射線的波長可以被測(cè)量出來。因而在理論上我們應(yīng)該能夠測(cè)量出電子的德布羅意波,三、戴維孫 革末實(shí)驗(yàn)（電子衍射實(shí)驗(yàn),1927年，C

14、.J.戴維孫和L.H.革末做了晶體對(duì)電子的衍射實(shí)驗(yàn),電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了L.V.德布羅意提出的電子具有波動(dòng)性的設(shè)想，構(gòu)成了量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。證明了德布羅意關(guān)于所有的物質(zhì)粒子都具有波粒二象性假設(shè)的真實(shí)性,戴維遜和G.P.湯姆遜因驗(yàn)證電子的波動(dòng)性分享1937年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),四、 不確定關(guān)系,1927年，海森伯提出不確定關(guān)系。它反映了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，是物理學(xué)中一個(gè)極為重要的關(guān)系式，它包括多種表示形式,當(dāng)粒子處在 x 方向的一個(gè)有限范圍內(nèi)x 時(shí)，它所對(duì)應(yīng)的動(dòng)量分量 px 必然有一個(gè)不完全確定的數(shù)值范圍 px ，兩者的乘積滿足上式,形式一,物理意義：微觀粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)定,

15、由于粒子的波動(dòng)性，它在客觀上不能同時(shí)具有確定的坐標(biāo)位置位置和相應(yīng)的動(dòng)量,形式二,若粒子在能量狀態(tài)E 只能停留時(shí)間t ，那么這段時(shí)間內(nèi)粒子的能量狀態(tài)不能完全確定，只有當(dāng)粒子的停留時(shí)間為無限長時(shí)(定態(tài))，它的能量狀態(tài)才是完全確定的(E = 0,不確定關(guān)系式是物質(zhì)粒子波粒二象性的反映,海森伯對(duì)建立量子力學(xué)有重要貢獻(xiàn)，為此他分享了1932年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),例2 電子質(zhì)量me= 9.110-31kg ，原子中電子的 x 10 10 m,例1 小球質(zhì)量 m = 10 - 3 kg ，速度 v = 0.1m/s ，x = 10 - 6 m,物理量的不確定性遠(yuǎn)在實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度之外,v x與電子在軌道上的速度

16、( 約10 6 m/s ) 相差不多， 所以不能確定電子的位置和速度,2）古代哲學(xué)家公孫龍?jiān)缭趦汕Ф嗄昵霸谄潆x堅(jiān)白命題敘述到：視不得其所堅(jiān)，而得其所白者，無堅(jiān)也。撫不得其所白，而得其所堅(jiān)者，無白也,1）玻爾的例子：銀幣的正反面都看到了。才能說對(duì)銀幣有較完整的認(rèn)識(shí),太極圖,波爾爵士族徽,陰中有陽、陽中有陰,敵中有我、我中有敵,驕兵必?cái)　П貏?勝中有敗、敗中取勝,苦盡甘來,物極必反,喜極而泣,一、波函數(shù),位置和動(dòng)量等,微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用什么來描述,描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)稱為微觀粒子的波函數(shù),波函數(shù)的定義,第三節(jié) 波函數(shù),玻恩說： 是電子（或其他粒子）出現(xiàn)的幾率密度,波函數(shù)的物理意義,波函

17、數(shù)不能直接觀測(cè)，那么其實(shí)際含義又如何,即波函數(shù)模的平方對(duì)應(yīng)于微觀粒子在某處出現(xiàn)的幾率密度(probability density,波函數(shù)的物理意義： 表示t 時(shí)刻，粒子在空間x 處的單位 體積 內(nèi)出現(xiàn)的概率,在某一時(shí)刻，粒子在空間某處的體積元dV 中出現(xiàn)的概率與該處波函數(shù)模的平方成正比,微觀粒子在各處出現(xiàn)的概率密度才具有明顯的物理意義,波函數(shù)是描述微觀粒子狀態(tài)的函數(shù)，其模的平方對(duì)應(yīng)于粒子出現(xiàn)的概率密度；而微觀粒子運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律是薛定諤方程。 波函數(shù)概念的形成正是量子力學(xué)完全擺脫經(jīng)典觀念、走向成熟的標(biāo)志；波函數(shù)和概率密度，是構(gòu)成量子力學(xué)理論的最基本的概念,玻恩對(duì)波函數(shù)所作出的幾率解釋，他因此便

18、獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。此解釋賦予微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律以至量子理論以統(tǒng)計(jì)性特色，使非決定論成為量子物理的新思想方法,波函數(shù)的歸一化條件,因?yàn)樵谡麄€(gè)空間發(fā)現(xiàn)粒子的總概率為100,歸一化的波函數(shù)對(duì)應(yīng)的概率密度是相對(duì)概率而非絕對(duì)概率，亦即在所指定空間區(qū)域觀察到粒子的概率占全空間概率的分?jǐn)?shù),此式稱為歸一化條件,原子內(nèi)電子不是如玻爾原子理論所假定的那樣在一些分立的軌道上作圓周運(yùn)動(dòng)，而是處于不同量子態(tài)的電子在原子內(nèi)各處都有一定的幾率分布,電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 圖(a)中用經(jīng)典粒子做雙縫實(shí)驗(yàn)，以足球?yàn)槔闱蛴稍袋c(diǎn)踢出，穿過雙縫而落到屏S上，一個(gè)足球只可能通過一條縫，結(jié)果所有通過雙縫的足球只能到達(dá)屏上X和Y處,圖(b)，光

19、波干涉實(shí)驗(yàn)，屏上出現(xiàn)條紋,若以電子代替足球和光，電子如果不具有波動(dòng)性，那末穿過雙縫的電子只能落在X和Y處,但當(dāng)縫的寬度足夠小時(shí)，即一旦可與電子的德布羅意波長相比擬時(shí)，屏上出現(xiàn)的亦是疏密相間的干涉條紋,如果電子從源一個(gè)一個(gè)地射出，只要在相當(dāng)長時(shí)間里有足夠多的電子落到屏上，照樣會(huì)呈現(xiàn)干涉條紋。因此可以說，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，可用相應(yīng)之幾率波描述；幾率波既體現(xiàn)了它的粒子性，又體現(xiàn)了它的波動(dòng)性,幾率波并不只是人為的解釋，它就是一種以波粒二重性為主要特征的微觀物理實(shí)在，與經(jīng)典意義上的物理實(shí)在有本質(zhì)的區(qū)別,第四節(jié) 薛定諤方程及其應(yīng)用,人們對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、科學(xué)的研究始于十九世紀(jì)末，二十世紀(jì)初，普朗克、愛因斯坦

20、及玻爾等人提出了一些量子化的假設(shè)，進(jìn)而形成了舊量子論,1926年,薛定諤首次建立了微觀粒子的波動(dòng)方程,標(biāo)志著新量子時(shí)代到來，之后這一領(lǐng)域取得了輝煌的成就，并對(duì)其它化學(xué)學(xué)科激起了層層千浪。特別是隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，可以快速、簡(jiǎn)便地獲得大量微觀電子結(jié)構(gòu)，從而能為化學(xué)研究提供豐富的信息,薛定諤,奧地利物理學(xué)家,最早運(yùn)用微分方程建立了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波動(dòng)方程 , 獲得了1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),一、薛定諤方程的建立,一個(gè)微觀粒子的量子態(tài)用波函數(shù) 來描述，當(dāng) 確定后，粒子的任何一個(gè)力學(xué)量的平均值以及它取各種可能測(cè)量值的幾率都完全確定,力學(xué)量的平均值在量子力學(xué)中的表達(dá)式為,核心問題,要解決量子態(tài)如

21、何隨時(shí)間變化以及在各種具體情況下如何求出波函數(shù),1926年，奧地利著名物理學(xué)家薛定諤建立了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù)所滿足的方程 薛定諤方程,薛定諤方程是量子力學(xué)中的基本方程，已知 U 求解方程得到描述粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的波函數(shù),一維勢(shì)壘、隧道效應(yīng),若勢(shì)能分布函數(shù)為,這種勢(shì)能稱為一維方勢(shì)壘,在區(qū)域中沿x 軸運(yùn)動(dòng)的粒子，當(dāng)能量E U0 時(shí)，按經(jīng)典理論，粒子可穿過區(qū)，達(dá)到區(qū),當(dāng)粒子能量E U0 時(shí), 按經(jīng)典理論, 粒子不可能進(jìn)入?yún)^(qū)域; 按量子力學(xué)的觀點(diǎn)，粒子可以穿過區(qū)域進(jìn)入?yún)^(qū)域,下面以E U0 為例，求解定態(tài)薛定諤方程。在區(qū)域中，定態(tài)薛定諤方程為,在區(qū)域中( x ) 不為零，說明粒子可在區(qū)域中出現(xiàn)，并

22、可穿過勢(shì)壘達(dá)到區(qū)域，稱為隧道效應(yīng)。粒子從放射性核中能夠釋放出來，證明了這一結(jié)論,隧道二極管和1986年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡都是隧道效應(yīng)的例子,這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠?qū)崟r(shí)地觀測(cè)到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值。為此兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng),掃描隧道顯微鏡( STM,20世紀(jì)80年代初期，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家GBinnig和HRoher 發(fā)明了掃描隧道顯微鏡,掃描隧道顯微鏡的原理,掃描隧道顯微鏡由掃描隧道顯

23、微鏡主體、控制電路、控制計(jì)算機(jī)(測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件)三大部分組成。 掃描隧道顯微鏡主體包括針尖的平面掃描機(jī)構(gòu)、樣品與針尖間距控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)與外界振動(dòng)的隔離裝置,基本原理是基于量子隧道效應(yīng)和掃描。它是用一個(gè)極細(xì)的針尖( 針尖頭部為單個(gè)原子)去接近樣品表面，當(dāng)針尖和表面靠得很近時(shí)(1nm)，針尖頭部原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重迭，若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓、電子便會(huì)通過針尖和樣品構(gòu)成的勢(shì)壘而形成隧道電流。 通過控制針尖與樣品表面間距的恒定并使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，就可把表面的信息；(表面形貌和表面電子態(tài))記錄下來,STM工作特點(diǎn)是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖

24、像，而不需要光源和透鏡。這正是得名掃描隧道顯微鏡的原因,掃描隧道顯微鏡，實(shí)際上就是一個(gè)由電子計(jì)算機(jī)操縱控制的長探針，它的一頭變得越來越細(xì)，細(xì)到尖端就只有幾個(gè)原子的厚度了。利用探針和材料平面間的電流，科學(xué)家們可以用STM調(diào)度材料平面上的原子，而且通過調(diào)節(jié)電流的大小，可逐個(gè)地把原子吸起來并放置到其他地方,Graphite 石墨,Silicium-Atoms,Surface of Copper,Cu-TBPP molecules on Cu(100) Cu-四-3,5-Z.叔丁基苯一卟啉,Monolayer of DMP (Monoporphyrin) on Ag(100,NaCl film gro

25、wn on Cu(111,巨人國,小人國,適用范圍：宏觀、低速,適用范圍：微觀、高速,狀態(tài)描述：位置、動(dòng)量等,狀態(tài)描述：波函數(shù),牛頓運(yùn)動(dòng)方程,薛定諤方程,普適性規(guī)律,經(jīng)典力學(xué),量子力學(xué),評(píng) 述,量子力學(xué)與相對(duì)論的提出，是20世紀(jì)物理學(xué)，乃至整個(gè) 自然科學(xué)的兩個(gè)劃時(shí)代的成就。可以毫不夸張的說，沒有量子力學(xué)和相對(duì)論的建立，就沒有人類的現(xiàn)代物質(zhì)文明,原子水平上的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其屬性”這個(gè)古老而基本的課題，只有在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)上才原則上得到解決。現(xiàn)代物理學(xué)的分支和相關(guān)邊緣學(xué)科都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ),然而在量子力學(xué)建立初期，很少有人意識(shí)到這個(gè)基本理論的廣闊應(yīng)用前景,1、量子力學(xué)是發(fā)展原子彈和核電技術(shù)的理論基

26、礎(chǔ),2、基于量子力學(xué)發(fā)展起來的固體物理,3、搞清了“為什么有絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體之分？” “在什么情況下會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象？” “為什么有順磁體、反磁體和鐵磁體之分,搞清這些基本問題，引發(fā)了通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的重大變革，而這些進(jìn)展對(duì)現(xiàn)代物質(zhì)文明有著決定性的影響,量子力學(xué)為在原子分子水平上揭示化學(xué)問題的本質(zhì)奠定了牢固的理論基礎(chǔ)。因?yàn)椋瘜W(xué)反應(yīng)基本過程是伴隨著反應(yīng)體系原子核的重排而發(fā)生的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，這些微觀運(yùn)動(dòng)均服從薛定諤方程。 量子力學(xué)的統(tǒng)一理論 (United theory) 使化學(xué)與物理學(xué)在原子、分子水平上會(huì)師，兩學(xué)科的界限趨于模糊,泡利是20世紀(jì)杰出的理論物理學(xué)家之一，對(duì)量子力學(xué)、量

27、子動(dòng)力學(xué)、相對(duì)論、基本粒子物理都有重要的貢獻(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)了描述電子能量狀態(tài)的泡利不相容原理，提出了中微子假設(shè)，因此獲得了1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。艾倫菲斯特（Ehrenfest）給泡利起了個(gè)綽號(hào)“上帝之鞭”，它形象地刻劃出泡利作為舊量子理論最嚴(yán)厲的批評(píng)家的地位。在20年代初期，泡里完成了量子理論的某些最困難問題的批判性分析，在要求舊概念的一種全盤的、革命性的變化，誰也不像泡利那樣激進(jìn)，無論是海森堡、德布羅意或者薛定諤都比不上它。這種批判和激進(jìn)的態(tài)度更多地表現(xiàn)在與玻恩的口頭談話中和與友人的通信中，因?yàn)樵谀欠N場(chǎng)合可以不用外交辭令，可以直截了當(dāng)?shù)乇磉_(dá)思想。泡利比其他人更清楚地了解陷入量子危機(jī)的困難的深度

28、，從而竭力阻止人們對(duì)舊量子理論修修補(bǔ)補(bǔ)的解決辦法。泡利也有自己的弱點(diǎn)，破的多，立的少。泡利自己說過：“我在年輕的時(shí)候，覺得我是一個(gè)革命者。我當(dāng)時(shí)覺得，物理里有重大的難題來的時(shí)候，我會(huì)解決這些難題的。后來，重大的問題來了，卻被別人解決了。”由于泡利較少地看到他人觀點(diǎn)中的優(yōu)點(diǎn)，較多地注意他人觀點(diǎn)中的缺點(diǎn)，因此他有個(gè)口頭禪，每次發(fā)言他總要說“我不能同意你的觀點(diǎn)”。他似乎跟別人不相容，對(duì)此有人戲稱為“泡利的第二不相容原理,1957年，吳健雄與她的合作者驗(yàn)證了楊振寧和李政道提出的宇稱不守恒，對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)泡利當(dāng)初堅(jiān)決認(rèn)為不會(huì)得到預(yù)期的結(jié)果，他不相信上帝是一個(gè)無能的左撇子。后來聽到實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做出后，泡利幾乎休

29、克,宇稱不守恒定律是指在弱相互作用中,互為鏡像的物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱.由吳健雄用鈷60驗(yàn)證,科學(xué)界在1956年前一直認(rèn)為宇稱守恒,也就是說一個(gè)粒子的鏡像與其本身性質(zhì)完全相同.1956年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)和兩種介子的自旋,質(zhì)量,壽命,電荷等完全相同,多數(shù)人認(rèn)為它們是同一種粒子,但衰變時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)介子,衰變時(shí)產(chǎn)生3個(gè),這又說明它們是不同種粒子,1956年，李政道和楊振寧在深入細(xì)致地研究了各種因素之后，大膽地?cái)嘌裕汉褪峭耆嗤耐环N粒子(后來被稱為K介子)，但在弱相互作用的環(huán)境中，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律卻不一定完全相同，通俗地說，這兩個(gè)相同的粒子如果互相照鏡子的話，它們的衰變方式在鏡子里和鏡子外居然不一樣！用科學(xué)語言

30、來說，“-”粒子在弱相互作用下是宇稱不守恒的,可以用一個(gè)類似的例子來說明問題。假設(shè)有兩輛互為鏡像的汽車，汽車A的司機(jī)坐在左前方座位上，油門踏板在他的右腳附近；而汽車B的司機(jī)則坐在右前方座位上，油門踏板在他的左腳附近。現(xiàn)在，汽車A的司機(jī)順時(shí)針方向開動(dòng)點(diǎn)火鑰匙，把汽車發(fā)動(dòng)起來，并用右腳踩油門踏板，使得汽車以一定的速度向前駛?cè)ィ黄嘊的司機(jī)也做完全一樣的動(dòng)作，只是左右交換一下他反時(shí)針方向開動(dòng)點(diǎn)火鑰匙，用左腳踩油門踏板，并且使踏板的傾斜程度與A保持一致。現(xiàn)在，汽車B將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)呢,也許大多數(shù)人會(huì)認(rèn)為，兩輛汽車應(yīng)該以完全一樣的速度向前行駛。遺憾的是，他們犯了想當(dāng)然的毛病。吳健雄的實(shí)驗(yàn)證明了，在粒子世界里

31、，汽車B將以完全不同的速度行駛，方向也未必一致！粒子世界就是這樣不可思議地展現(xiàn)了宇稱不守恒,量子物理學(xué)引發(fā)的奇談怪論,在量子世界當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)“量子糾纏”、“平行宇宙”等神奇的狀態(tài)。它們對(duì)當(dāng)代的文學(xué)、哲學(xué)產(chǎn)生了重要影響,量子論被公認(rèn)為是科學(xué)史上最成功的、被實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合最好的理論，但另一方面，它卻和人類日常生活的經(jīng)驗(yàn)如此格格不入,如今，很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家還在驗(yàn)證這一理論在80年前所做的基本假設(shè)。物理學(xué)家們依然還在為這個(gè)理論頭疼不已。著名物理學(xué)家費(fèi)曼就曾說：“我敢肯定，現(xiàn)在沒有一個(gè)人能夠懂得量子力學(xué)。”盡管已經(jīng)走過百年歷史，它還有無數(shù)的謎尚待解開,漫畫家筆下的“薛定諤的貓”，貓真的會(huì)處于“既是活的，又

32、是死的”狀態(tài)嗎,薛定諤的倒霉貓,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：這只貓十分可憐，它被封在一個(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，貓必死無疑。這個(gè)殘忍的裝置由薛定諤所設(shè)計(jì)，所以此貓便叫做薛定諤的貓,薛定諤貓?zhí)岢鲈模?薛定諤在年發(fā)表了一篇論文，題為量子力學(xué)的現(xiàn)狀，在論文的第節(jié)，薛定諤描述了那個(gè)常被視為惡夢(mèng)的貓實(shí)驗(yàn)：哥本哈根派說，沒有測(cè)量之前，一個(gè)粒子的狀態(tài)模糊不清，處于各種可能性的混合疊加。比如一個(gè)放射性原子，它何時(shí)衰變是完全概率性的。只要沒有觀察，它便處于衰變不衰變的疊加狀態(tài)中，只有確實(shí)地測(cè)量了，它才會(huì)隨機(jī)的選擇一種狀態(tài)而出現(xiàn)。那么讓我們把這個(gè)原子放在一個(gè)不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態(tài)。 現(xiàn)在薛定諤想象了一種結(jié)構(gòu)巧妙的精密裝置，每當(dāng)原子衰變而放出一個(gè)中子，它就激發(fā)一連串連鎖反應(yīng)，最終結(jié)果是打破箱子里的一個(gè)毒氣瓶，而同時(shí)在箱子里的還有一只可憐的貓。事情很明顯：如果