《量子传》思维导图

这本书全景式回顾了量子物理学从萌芽到改变世界的精彩历程，讲述那个时代科学巨人们之间的智力较量，既展现了火花迸射的争论和竞争，也诠释了这些智者之间动人的友谊，以及他们各自的人格魅力。你会了解爱因斯坦和玻尔之间棋逢对手的争论始末，也会看到普朗克的勤奋自律、泡利的犀利和毒舌、海森堡的聪慧和惶恐、薛定谔的多情和天赋……

《量子传》思维导图

• 量子革命的发展历程
• 量子的发现
  • 背景
    • 基尔霍夫提出“黑体问题”:测量给定温度下黑体辐射的光谱能量分布，即测定红外波段到紫外波段间每个波长上的能量，并且推导出能够得到任意温度下黑体能量分布的公式
    • 19世纪80年代，德国公司想研发比英美竞争对手更高效的灯泡及灯具，这推动了黑体问题的研究
    • 维恩位移定律表明，黑体辐射峰值处的波长与温度的乘积总是一个常数
  • 普朗克
    • 1896年，维恩正式发表分布定律后不久，普朗克就开始着手推导出这个结果
    • 在几次失败的尝试之后，普朗克得到了一个公式，并得到了实验学家的验证
    • 在寻找公式背后的理论解释时，普朗克提出了量子的概念
    • 在新公式的引导下，普朗克迫不得已地把能量(E)分割成了大小为hv的组块，其中v是振荡器的频率，而h则是一个常数
    • E=hv是整个科学史上最著名的方程之一
  • 爱因斯坦
    • 在普朗克那里，“量子”只是形式上的假设而爱因斯坦则发现，能量本身就是量子化的，并提出光量子理论
    • 爱因斯坦认为，相对论只不过是对已有经典力学的“修正”，而他的光量子概念才是完全属于他个人的全新理论，并且标志着与以往物理学的分道扬镳
    • 爱因斯坦的光量子理论，不仅解释了黑体辐射，还能解释光电效应，即电子从光量子那儿获取足够多的能量，克服将它束缚在金属表面的力，从而逃逸出来
    • 爱因斯坦在在萨尔茨堡发表名为《我们对辐射性质及构成的观点发展历程》的报告，成为第一个预言光具有波粒二象性的人
  • 玻尔
    • 玻尔把量子概念直接引入了原子，他放弃了电子可以在任意距离上绕原子核运动的既定概念，将电子轨道“量子化”
  • 德布罗意
    • 德布罗意把电子看作原子核周围的驻波而非轨道上的粒子，这样它就不会加速，也就不会持续辐射能量，导致整个原子崩溃
    • 电子和其他所有粒子的性质都与光子一模一样：它们都有波粒二象性。恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔因此发明了电子显微镜
• 男孩物理学时代
  • 泡利
    • 泡利发现，原子中的电子必须借助第四种量子数来描述，他因此发现了不相容原理，即原子内不可能存在4种量子数都完全一致的电子
    • 泡利的不相容原理完善了玻尔的新原子模型，从理论上杜绝了所有电子都集中在最低能级的可能
  • 海森堡
    • 海森堡发明了一种簿记方法追踪氢原子各个能级间所有可能出现的量子跃迁，其测量数据形成了一个矩阵，在这个矩阵中存在一个数学问题，就是A乘以B并不等于B乘以A
    • 玻恩确定了海森堡的奇怪乘法规则其实就是矩阵乘法之后，很快就发现了一个能够将位置q和动量p联系在一起的矩阵公式pq-qp=(ih/2π)I，其中I就是数学家口中的单位矩阵
    • 而玻恩的学生约尔当，在看到这个公式之后几天，就想到了严格的数学推导过程
    • 海森堡、玻恩和约尔当共同提出了第一种逻辑自洽的量子力学理论，即矩阵力学，后来狄拉克又进一步改造了它
    • 测不准原理/不确定性原理
      • 在任一给定时刻，我们都无法同时准确掌握粒子的位置和动量。我们可以精确测量出某个电子的位置或它的运动速度，但无法同时精确测量出这两个量
  • 薛定谔
    • 海森堡的量子力学是以粒子为前提，而薛定谔的研究是以波为前提，薛定谔决定要找到德布罗意物质波所缺少的波动方程
    • 在和情人度假时，薛定谔发现了一个波动方程，他以这个波动方程为基础，建造了波动力学的大厦，而他所用到的数学工具仅仅是微分方程
    • 从数学角度看，矩阵方程和波动方程是等价的，但它们物理实在性质则截然不同：薛定谔的波动力学研究的是波，体现的是连续性；而海森堡的矩阵力学研究的是粒子，体现的是非连续性
    • 波包
      • 薛定谔认为，电子呈现粒子的样子只是幻觉，在本质上，电子其实是波，其呈现的所有粒子特征都只是因为一组物质波叠加到了波包上。因此，运动中的电子不过就是一个波包
      • 但无论薛定谔怎么努力，他都没办法阻止波包的崩溃，因为波包内各个波的运动速度不尽相同，要构成波包的这些波都必须几乎瞬时地聚到空间中的某个点上，矛盾之处显而易见
• 巨人之战
  • “量子之王”玻尔和“物理学教皇”爱因斯坦的对决
  • 玻尔：哥本哈根诠释
    • 玻尔将薛定谔的波包概念同海森堡的不确定性原理联系在了一起，他认为，波粒二象性的矛盾之处可以通过互补性解决，即波动性和粒子性是同一枚硬币的两面。光表现出粒子性还是波动性，取决于实验目标的选择
    • 玻尔把包括对薛定谔波函数的概率性诠释在内的所有元素都黏合在一起，让它们构成了从新物理学角度理解量子力学的基础。后来，物理学家们把这些观点的总和称为“哥本哈根诠释”
  • 爱因斯坦：上帝不会掷色子
    • 在玻尔讲了他的新发现和理论之后，爱因斯坦用思想实验对他进行质疑
    • 爱因斯坦、波多尔斯基和罗森撰写了EPR论文，进一步质疑哥本哈根诠释
    • 玻尔认为，没有任何深层量子实在独立于观测者存在，在观测它们之前，粒子不具备任何属性;爱因斯坦则认为，必然存在着一种符合因果律且独立于观测者的现实
    • 上帝不会掷色子，表达的是爱因斯坦对量子力学中概率性和偶然性的不安，因为它否定了因果律和决定论
  • 贝尔定理
    • 贝尔定理的出现，意味着爱因斯坦与玻尔之争已经进入了实验室阶段，而不再仅仅是思想实验。最终，贝尔定理敲响了爱因斯坦世界观的丧钟