科学前沿与哲学量子力学

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1、第5讲量子力学哲学相对论：突破牛顿主义的前奏牛顿力学（1687）：欧几里得空间，确定惯性系的绝对时空，因果决定论的可逆自然律，原子论的粒子本体论。麦克斯韦电磁场论（1873）：静止以太的绝对空间，因果决定论的可逆自然律，法拉第力线的场本体论。热力学（19世纪）：因果决定论的不可逆唯象定律，从热素说到分子运动论（玻尔兹曼）再到唯能论（马赫）的本体论演变。相对论以彻底贯彻麦克斯韦的电磁场论，宣告了牛顿力学的绝对时空观和粒子本体论的破产而导致物理学革命的降临，但仍然坚持牛顿力学的因果决定论理想：从牛顿力学，到狭义相对论，再到广义相

2、对论，物理定律的对称性不断扩展：不随惯性系变化的Galileo群→Poicare群→不随任何参照系变化的Einstein群。牛顿主义胜利在望？麦克斯韦企图引入以太漩涡来解释电磁场，把电磁场论彻底归结为牛顿力学，这是牛顿主义的立场。玻尔兹曼与麦克斯韦的统计力学似乎能够把热现象归结为牛顿力学支配的分子随机运动的宏观效应，但洛西米特提出了可逆性佯谬，彭加勒提出了回归佯谬；熵的统计解释导致了微观层面因果绝对论的弱化，而热力学时间箭头看来是不可还原的突现性质。时间箭头似乎来自初始条件的设定，或是引入诸如拉普拉斯变换。吴大猷认为，经典统

3、计力学（麦克斯韦，玻尔兹曼，达尔文-富勒，吉布斯）发端于微观概念（分子及分子间的相互作用），但借助系综和配分函数来定义宏观函数以描述热力学平衡时物质的性质。量子统计也是系统在热力学平衡时的理论。在所有这些理论中，都不包含“随时间变化”的概念：如同普里高津所说，这是否定“活性物质”的理论。量子力学必须预设平衡态（热力学第零定律），但广义相对论由于存在大量“同时性无法传递”的参照系，其中热力学第零定律必然失效，进而导致普朗克黑体辐射定律失效。也许在热力学有效的前提下，经典统计力学的任何变化，都要求我们修改量子力学与广义相对论。也

4、许相对论基本正确，统计力学与量子力学必须修改。A.量子史话普朗克（1900）：黑体辐射定律要求引入能量子概念与微观粒子全同性的量子统计，否则可能破缺热力学第三定律（瑞利-金斯的紫外灾难：电磁场无限自由度+能量均分）。爱因斯坦：电磁辐射具有熵和比热，可以视为光子理想气体系综（1905）。独立的光量子导致维恩公式，经典波导致瑞利公式，两者的结合才导致普朗克公式（1909）。1916年，密立根等证实爱因斯坦的光电效应解释。玻色-爱因斯坦气体符合热力学第三定律（1925）。1926年，刘易斯把光量子称为“光子”。光子也许就是自约束的

5、电磁波，使得电磁场能量自由度减小，避免高频的电磁驻波在黑体中无限扩增。1917年，爱因斯坦考虑热平衡辐射，引入了自发辐射，吸收和“负吸收”的跃迁概率概念。与“负吸收”有关的诱发辐射的概念导致1954年汤斯微波的发展和1960年激光的发展。全同粒子与h的物理意义○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○在普朗克的统计法中，事件就是在以任一频率振动的特定振子中的量子ε的数目，这与独立量子ε在振子系中的分布是截然不同的。例如，取P=3个全同量子，N=2个全同盒子，独立的可以分辨的量子给出8个事件，而独立的不可分辨的量子只给出

6、4个事件。经典统计用相空间dxdp量度事件数（对于一个自由度）。量子的有限性导致与经典瑞利公式的偏离，而计数事件的非玻尔兹曼方法导致了与维恩公式的偏离。1913年，德拜提出h是统计计数中单个事件相空间的单位，周期运动的量子化条件：△Φ=△玻色子交换，波函数不变（对称）；费米子交换，波函数变号（反对称）。爱因斯坦光量子理论爱因斯坦的光量子理论E=hν及P=h/λ(ν和λ是光波的频率和波长光量子爱因斯坦的光康普顿效应根据经典电磁理论，散射的光波长是不会改变的。A.H.康普顿（1892~1965）于1922~1923年，在研究X射

7、线射入石墨，金属等物质的散射现象时，用光子与静止电子的弹性碰撞解释了散射光波长的改变，还得出了波长移动的公式，这就是康普顿效应。h/c=p+h’/c，h+m0c2=h’+mc2。得到Δλ=λc(1-cosθ)=(h/mc)(1-cosθ)λc为康普顿波长。量子力学的发展卢瑟福的原子模型，电子绕核运动。（按照Maxwell理论，辐射电磁波而不稳定）玻尔的理论：定态式电子唯一可以存在的状态，在这些状态中，原子具有分立的能量，而跃迁是电子唯一可以进行的改变能级的运动。这不仅解释了原子稳定性，还理解了氢原子的离散光谱。玻尔定

8、态与跃迁卢瑟福量子跃迁玻尔综合了三方面的工作：1，普朗克和爱因斯坦的E=hv；2，光谱学经验材料=R[1/n12-1/n22]；3，卢瑟福原子模型。他认为，在亚微观领域，能量仍然守恒。并提出了对应原理：即为新理论设置经典极限（相对论也有经典极限）。当跃迁发生在能量、振动频率等相差极小近乎