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音像从零开始读懂量子力学戴瑾
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章物质内部是虚空的21.1什么是微观世界?21.2微观世界是什么样子的?31.3卢瑟福实验和行星模型41.4重建现代物理的物质观61.5自然界的四种相互作用6第2章量子态的可叠加92.1两个量子态的随意组合92.2复数的复习10.概率和相位112.4我是一片“云”的波函数122.5爱因斯坦和玻尔的论战132.6中微子振荡142.7量子比特152.8量子计算机简介17第3章波粒二象203.1自由粒子的波函数203.2的双缝干涉实验223.3光的波粒二象243.4波粒二象和量子力学的测量263.5中微子振荡的机制27第4章不确定原理294.1不同动量的粒子状态组合294.2位置和动量之间的不确定原理314.3原子为什么这样坚硬?324.4压垮原子的力量334.5能量与时间之间的不确定原理34第5章量子力学的测量问题355.1科学和哲学355.2测量和波函数的坍缩365.3薛定谔的猫论37第6章带粒和电磁场的相互作用406.1从牛顿定律到薛定谔方程406.2电磁场416.3矢量势436.4矢量势在量子力学中的角色446.5双缝干涉实验和对力的反思456.6规范不变和杨米尔斯场论46第7章隧道效应497.1能够渗透的波函数497.2能够穿越的粒子517.3波函数渗透对物质世界的影响527.4扫描隧道显微镜547.5闪存背后的量子力学55第8章什么是量子?608.1盒子中的粒子618.2振动的粒子638.3氢原子的能级668.4光谱678.5原子钟和计量系统69第9章角动量和自旋719.1经典物理复习:角动量729.2量子角动量的奇怪规则739.3角动量和原子的能级769.4自旋779.5角动量的相加789.6粒子磁矩和角动量的测量799.7光子的自旋819.8核磁共振839.9用自旋来记忆的磁存储器859.10使用光子自旋的量子通信870章玻色子和费米子9110.1全同粒子的概念9210.2玻色子和费米子9210.3泡利不相容原理和原子结构9410.4“坚强”的费米气9610.5铁磁的起源9810.6玻色子和黑体辐问题10010.7激光原理10310.8玻色爱因斯坦凝聚1061章量子纠缠10811.1什么是量子纠缠?10811.2爱因斯坦的困惑10911.3贝尔定理11111.4量子纠缠的实验检测11611.5重新认识量子力学11711.6量子纠缠的应用119第2篇量子力学对物质世界的解释2章从原子到分子12212.1原子能级结构的总结12212.2离子键和共价键1241.元素周期表的量子解读12712.4分子之间的相互作用12812.5分子光谱和全球变暖13112.6量子化学和世界复杂1333章晶体里面的量子力学13513.1能带理论13613.2绝缘体13813.3金属14013.4声子1424章半导体的量子物理14514.1什么是半导体?14614.2p型、n型半导体和空穴14714.3pn结15014.4场效应管和CMOS技术15214.5CMOS传感器和光伏发电15614.6发光二极管1595章量子点与介观物理学16215.1介观物理学简介16215.2量子点的特16315.3量子走进你家——量子点电视1656章二维量子力学与石墨烯16816.1石墨烯和它的结构16816.2奇妙的石墨烯能带17216.3石墨烯的应用1757章宏观量子现象——超导17717.1超导的机制17817.2永不消逝的电流18017.3迈斯纳效应和磁通量的量子化18217.4约瑟夫森结18617.5超导计算机1898章量子场论简介19118.1物质不灭的破灭19118.2什么是场?19318.3场的量子化与粒子的诞生19418.4零点能的困惑和宇宙的命运19618.5为什么粒子是一个点?19818.6量子场论中的相互作用20018.7对称和量子力学20118.8量子场论中的发散困难和重整化2079章引力波和引力子21019.1从狭义到广义相对论21019.2引力波21419.3引力子和量子引力的困难216第20章弦论简介21920.1弦上奏出的粒子22020.2弦与弦的相互作用22220.3超弦和十维时空2结语225参考文献226
戴瑾,于北京大学物理系。早年从事理论物理学研究。赴美国德克萨斯大学留学,加入了诺贝尔物理奖获得者温伯格的研究小组,师从基础物理突破奖获得者Joeseph Polchinski教授,获得博士。与Polchinski共同创造了超弦理论中的D-膜分支。后又在无线通信和半导体芯片领域工作二十余年。现任某半导体公司高管。
章物质内部是虚空的生活常识告诉我们,物质是有实体的,是一个不仅看得见而且摸得着,但是却进不去的实体。现在我要告诉你,这种物质观是错误的。下面让我们从建立现代物理学的物质观开始,来了解量子力学。1.1什么是微观世界?在量子力学出现之前,物质不是物理学研究的课题。金子为什么是黄的?钻石为什么这么硬?铜为什么可以导电?铁为什么会有磁?世间万物的属,科学只能测量和接受,但不能解释。现在我们已经知道,所有物质都是由分子和原子组成的,分子是由两三个或很多个原子结合而成的。物质特的奥秘,就在于分子、原子的内部。原子半径通常是一亿分之几厘米的量级,只有在光学显微镜下才能看到的细胞,也比它们大至少一万倍。只有当研究分子、原子的内部结构时,你才能进入微观世界。在这个尺度之上,才是我们生活中熟悉的宏观世界。1.2微观世界是什么样子的?原子是由原子核和外围的组成的,原子核的半径只有原子的十万分之一左右。也就是说,把原子放大到一个住宅小区的大小,原子核还没有一颗葡萄大!可见原子内部是何等的空旷。那么有多大呢?按照现代物理学理论,是一种基本粒子,是一个点,半径是零!这一点有些难以理解,以后还会详细介绍。原子核是由质子和中子构成的,而质子和中子都是由3个被叫作夸克的基本粒子构成的。夸克和所有的基本粒子一样,也是一个点。原来,微观世界完全是空的!在你的感官世界里,你可以实实在在地触摸每一个物体。物体都有确定的表面、尺寸和位置,但这一切都是你的错觉!从原子的角度上看,一切都是模糊的。我们看到的物体的形状和颜色,都是物体原子对不同频率的光子的选择反的结果。在宏观世界,一切都是看得见摸得着的;而在微观世界,只能说“色即是空,空即是色”。物质的内部如图1.1所示。物质内部是虚空的章图1.1物质的内部,更像是这样的1.3卢瑟福实验和行星模型人们是什么时候认识到原子内部是空的?虽然科学史不是本书的重点,但是为了把科学研究的结论解释清楚,必须先让你了解卢瑟福实验。卢瑟福的研究小组在1908—1913年间所做的实验,是用α线轰击金箔。α线是卢瑟福在研究物质的放时发现的,当时只知道这种线是带正电的高速粒子流。而人们也知道原子里面有,因为研究发现过从物质中出来的流。那为什么用金箔呢?纯金的延展好,因此金箔可以被制成几个原子那么薄。可是实验结果很意外,大部分的α粒子都穿越而过,连一个小小的偏转都看不到,但也有极少数的粒子被弹了回来,还有约1/8000的粒子有超过90°的拐角,如图1.2所示。图12卢瑟福实验实验结果为什么会这样?经过深入分析和思考,卢瑟福终于明白,大部分α粒子直穿而过,是因为原子内部存在巨大的空间;极少数粒子被弹了回来,是因为原子内部有一个很小的硬核。于是他设想了一个模型:一个小的带正的原核,周围有很多带负的电。大部分α粒子会从原子内部巨大的空间中穿越而过,即使撞到一个,由于α粒子比质量大7000多倍,结果也是被撞飞,而α粒子的轨迹不受影响。只有当α粒子接近原子核时,才会被弹回去,因为两个带正的粒之间的排斥力和距离的方成比(可以回忆一下我们的库仑定律),会形成很强的排斥力,而且原子核比α粒子质量大很多。如图1.3所示。图1.3卢瑟福的原子模型卢瑟福的模型,不但解释了奇怪的实验现象,还能够预测α粒子散角(也就是偏转角)的分布,与实验结果定量地符合。不过问题来了,为什么不掉入原子核里呢?不但不会掉入,而且这个看似“完全空虚”的原子好像很。黄金这样的物质基本不可压缩,这种空虚的原子根本压不垮。卢瑟福把这个模型叫作行星模型。因为带正的原核会吸引带负的电,于是卢瑟福认为会围绕着原子核转,就像太阳系的行星围绕着太阳转一样,地球不是也没有掉到太阳上去吗? 你应该听说过引力波吧。围绕着一个中心转动会产生电磁波,地球围绕着太阳转动也会产生引力波。只不过引力的相互作用比电磁的相互作用弱太多,而地球辐的引力波更弱,即使等到太阳系灭亡的那,地球也不会掉进去。这一结论很快就被人指出错误,一个带的粒转圈的时候会辐电磁波。电动力学告诉我们,带粒只要改变速度的大小或方向,都会有辐。如果围绕原子核转动,由于辐损失动能,那么转不了几圈就会掉进去。但如果不转,由于受到原子核吸引,那么就更没有理由悬在一片虚空之中!认识到“色即是空”,即揭开了近代物理大发现的序幕。卢瑟福于1908年发现了原子线中的α和β粒子,被授予诺贝尔化学奖。但关于原子结构的这个实验,才是他对科学的贡献。虚空的原子,为什么可以构成坚如磐石、硬如钢铁的物质呢?量子力学将回答这个世纪难题。1.4重建现代物理的物质观现代物理学认为,粒子只是一个点,并不是一个实体,根本没有那种可以贴上去但进不去的实体。在宏观世界中体验到的实体感,是粒子之间相互作用的结果。虽然物质内部是虚空的,但是我们却不能像崂山那样穿墙而过,这是因为身体的原子和墙上的原子之间有排斥力,本书将用量子力学解释这种排斥力。而我们看到的各种物质,从水、空气到黄金、钻石,都是原子、分子之间通过相互作用自发建立秩序的结果。量子力学,就是探讨粒子之间相互作用规则的学科。1.5自然界的四种相互作用既然谈到了相互作用,就需要介绍一下自然界中都有哪些相互作用。自然界的种相互作用是主宰宇宙的万有引力。如果没有万有引力,地球就不会被约束在太阳周围享受阳光的照耀,我们会飘向太空变成“孤魂野鬼”。万有引力正比于物体的质量,只在宇宙空间中才起作用。原子、分子之间的引力完全可以忽略。自然界的第二种相互作用是构建物质世界的电磁相互作用。带的粒之间会有吸引力或排斥力。否则,就不会围绕在原子核周围从而形成原子,世间的一切都将不会存在。这两种相互作用都是长程力,不需要接触,隔着很远就可以发生。近代物理研究揭示,这两种长程力并不是直接的相互作用。电磁的相互作用是靠电磁场或光子传播的,引力的相互作用则是靠引力场。既然物体的内部都是虚空的,那么粒子是不是可以在里面畅行无阻呢?那可不一定,这时要看它参与的相互作用。卢瑟福实验中用的α粒子,实际上是三种放线中穿透能力弱的。因为α粒子是带电的,电磁的相互作用是长程力。它能穿透很薄的金箔,但不能穿透普通的纸张。普通物质中的碳原子核和氢原子核,质量比金原子核更接近α粒子。在中近距离上,这些原子核就会通过电相互作用,吸收α粒子的能量。所以在放物质中,只有α辐不可怕,只要别吃进去、吸进去就行。第二种放线β线,是由或正组成的。它也会因为和原子内部的电磁相互作用而减速,特别是和原子内部发生碰撞时。但是因为比较轻,从发生放衰变的原子核中发出来的速度比α粒子快得多,而且大部分时候接近光速,所以它们能穿透更多的物质,需要一块金属板才能挡住。光子不带电,但它是电磁相互作用的传播者,可以和任何带的粒直接作用。当光子能量和原子内部的能量比较接近时,在可见光波段,物质的相互作用就会特别强,会发生各种反和吸收。不同的物质会反、吸收不同频率的光线,这才有了“空即是色”。我们的眼睛,只对这个波段比较,这也算是种人合一吧,人类的进化是适应自然规律的。当光子的能量更高,远远超过原子内部的能量时,它的穿透力变得很强。量子场论的研究表明,光子能量越高,与带粒发生作用的概率就越低。到了X波段,光子已经可以穿透我们的身体,可以用来做透视帮医学诊断。第三种放线γ线,是能量更高的光子,需要很厚的铅板才能挡住,是一种很危险的线。自然界的第三种相互作用是强相互作用。中子不带电,基本上不与原子核和发生电磁相互作用,但它参与强相互作用。在地球上,强相互作用造成、氢弹的;在宇宙中,强相互作用主宰太阳和所有恒星的燃烧。顾名思义,强相互作用比电磁相互作用强得多。不像万有引力和电磁相互作用,它是一种短程的相互作用,只有当中子进入原子核时才能发生作用。所以它与原子发生相互作用的机会很小,穿透力有时比γ线更强。氢弹时会有大量的中子从原子核里发出来,利用这个原理设计的中子弹,据说可以利用中子线穿透杀死里面的人员。自然界的第四种相互作用是弱相互作用。与强相互作用一样,弱相互作用也参与太阳内部的核反应,以及地球上的放衰变。把β线从原子核激发出来的,就是这种相互作用。弱相互作用不但比强相互作用弱得多,而且作用距离也比强相互作用更短,不到强相互作用距离的1/100。有一种叫中微子的粒子,不带电,只参与弱相互作用。因为与物质的相互,所以它能够轻易穿过地球!物质内部是空的,它是体验者。核电站会有大量的中微子辐出来。在深圳大亚湾核电站附近,我科学建立了一个中微子探测装置进行相关的科学研究。探测器就藏在核电站附近的大山深处,离地面至少100m,这样除中微子外,从核电站和太空来的粒子都无法进入。因为中微子的相互作用弱,探测它是一个挑战。
戴瑾博士撰写的《从零开始读懂量子力学》深入浅出地把读者带入了奇妙的量子世界,探寻微观世界的奥秘,感受现代物理学的魅力,了解现代科技发展背后的秘密,感知未来技术的发展趋向。目前靠前很需要这样一普书。——吴岳良(院士,前理论物理研究所所长,现任大学副校长)量子力学是当代物理学的两大支柱之一。市面上已经有了很多对量子力学的“戏说”,我们现在更需要像本书这样的“正说”。希望读者能从本书中得到知识和乐趣!——袁岚峰(中国科技大学教授,科普专家,《科技袁人》节目主讲人, 微博 @中科大胡不归)我原来不懂量子力学,年纪也大了,复杂数学公式看都看不清,遑论看懂。看了这本书,我觉得自己大致明白量子力学是什么了,它离生活并不远。——王小东(有名学者,微博 @王小东)由浅入深,解释科学原理;从手机到超导,量子无处不在;从微观到宏观,遐想人生的意义!——罗楹(上海睿星基因技术有限公司创始人,董事长)
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