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1、量子力学的意义第1页，本讲稿共26页物理学的近代发展物理学的近代发展20世纪初世纪初普朗克的普朗克的量子论量子论爱因斯坦的爱因斯坦的相对论相对论开开辟辟了了近近代代科科学学的的新新纪纪元元，物物理学成了自然科学的先驱理学成了自然科学的先驱。第2页，本讲稿共26页20世纪物理学的革命世纪物理学的革命是建立是建立了了相对论相对论和和量子力学量子力学，从根本上改变了人们关于从根本上改变了人们关于时间时间、空间空间、物质物质和和运动运动的观念。的观念。第3页，本讲稿共26页量子力学量子力学、相对论相对论和和基因基因双螺旋结构双螺旋结构是是20世纪最重世纪最重要的三大科学发现。要的三大科学发现。量子力学
2、量子力学在其中又占有特在其中又占有特殊的位置。殊的位置。第4页，本讲稿共26页没有量子力学，就没有当没有量子力学，就没有当代物理学，代物理学，就没有与当代物理学联系就没有与当代物理学联系在一起的当代技术，在一起的当代技术，也就不会形成今天的全球也就不会形成今天的全球化的经济结构调整和信息化的经济结构调整和信息革命。革命。第5页，本讲稿共26页量子力学量子力学直到今天仍有丰直到今天仍有丰富的生命力，基于它的发富的生命力，基于它的发展始终层出不穷。展始终层出不穷。在今后相当一段时间内，在今后相当一段时间内，它仍然居于它仍然居于物理学创新的物理学创新的中心中心。第6页，本讲稿共26页从量子力学诞生的
3、时刻开始，尽从量子力学诞生的时刻开始，尽管其管其数学结构严谨数学结构严谨，但许多科，但许多科学家学家怀疑它并不是一个完备的怀疑它并不是一个完备的物理理论物理理论。关于如何理解它的关于如何理解它的基本概念、基基本概念、基本图象和基本规律，本图象和基本规律，一直存在一直存在着深刻的、剧烈的争论。着深刻的、剧烈的争论。第7页，本讲稿共26页近近20年来，物理学和实验技年来，物理学和实验技术的进展，术的进展，使得这种争论发使得这种争论发展成为直接依靠实验的展成为直接依靠实验的实证实证研究研究了，了，已成为当代物理学已成为当代物理学中一个非常活跃的领域。中一个非常活跃的领域。第8页，本讲稿共26页这类实
4、证研究的重要性这类实证研究的重要性结合当代电子学、光学、信息结合当代电子学、光学、信息科学、材料科学以及当代工艺科学、材料科学以及当代工艺技术的成就，技术的成就，它们还有可能导致发展出直它们还有可能导致发展出直接基于量子力学原则的全新接基于量子力学原则的全新的技术部门。的技术部门。第9页，本讲稿共26页量子信息学量子信息学信息科学与量子力学相结合发展信息科学与量子力学相结合发展起来的新兴起来的新兴交叉学科。交叉学科。量子世界的奇妙特性在信息过程量子世界的奇妙特性在信息过程中发挥重要的作用，使量子信息中发挥重要的作用，使量子信息系统的信息功能突破现有经典信系统的信息功能突破现有经典信息系统的极限
5、。息系统的极限。第10页，本讲稿共26页新理论的探索方向新理论的探索方向一个方向围绕宇宙的起源宇宙的起源和发展和发展，及，及标准模型的拓展标准模型的拓展和相互作用力的统一和相互作用力的统一。实验困难，耗资巨大，进展缓慢。实验困难，耗资巨大，进展缓慢。第11页，本讲稿共26页另一个方向围绕量子力量子力学测量和解释问题学测量和解释问题进行。第二个方第二个方向向费钱不多，有重要的应费钱不多，有重要的应用背景，会有较快的发展。用背景，会有较快的发展。第12页，本讲稿共26页由于人类对单个原子的操纵能力由于人类对单个原子的操纵能力的增强，的增强，应用量子力学将设计出越来越多的应用量子力学将设计出越来越多
6、的按照人的要求，具有特殊功能的人按照人的要求，具有特殊功能的人造微结构和具有新奇性质的宏观量造微结构和具有新奇性质的宏观量子态，子态，21世纪继续对经济、军事、科技和世纪继续对经济、军事、科技和社会进程产生重大的影响。社会进程产生重大的影响。第13页，本讲稿共26页第14页，本讲稿共26页第15页，本讲稿共26页甘子钊院士甘子钊院士指出：“整个当代整个当代物理学教学的关键就在于量子物理学教学的关键就在于量子力学的教学，力学的教学，这不仅仅是对物理系的教学，而且对化学、材料科学、生命科学、工程科学、地球科学等系科的教学，也是同样的。”第16页，本讲稿共26页“怎样充分利用人们在认识量子力怎样充分
7、利用人们在认识量子力学的基本概念、基本规律和基本物学的基本概念、基本规律和基本物理图象上取得的成就，特别是最近理图象上取得的成就，特别是最近20年来取得的成就，年来取得的成就，使学生能比较准确、迅速而且有一使学生能比较准确、迅速而且有一定深度地学习量子力学，定深度地学习量子力学，这无疑是教学改革的一个带根本这无疑是教学改革的一个带根本性的问题。性的问题。”第17页，本讲稿共26页美国导论性大学物理规划美国导论性大学物理规划IUPP的的参加者尽管在许多问题上各持己见，参加者尽管在许多问题上各持己见，然而他们却一致认为，在物理课程然而他们却一致认为，在物理课程中，中，量子物理必须自然地并且强化量子
8、物理必须自然地并且强化地引入，地引入，为量子物理的引入找出一为量子物理的引入找出一个最好的、能促进学生学习的途径，个最好的、能促进学生学习的途径，已成为最重要的一件事了。已成为最重要的一件事了。第18页，本讲稿共26页杨振宁杨振宁 (1999年年11月月)真正驱使物理学家在真正驱使物理学家在20世纪里头致力于一些世纪里头致力于一些革命性发展的，是对一些基本原理性的深入革命性发展的，是对一些基本原理性的深入的了解。的了解。通过了这些深入的了解，人类对于自然界许通过了这些深入的了解，人类对于自然界许许多多的原始的现象，原始的观念许多多的原始的现象，原始的观念(包括时包括时间的观念、空间的观念、运动
9、的观念、能量间的观念、空间的观念、运动的观念、能量的观念、力的观念的观念、力的观念)所有这许多最基本所有这许多最基本的人类对于自然界认识的原始的观念，在的人类对于自然界认识的原始的观念，在20世纪都有了革命性的、新的了解。世纪都有了革命性的、新的了解。这这就是就是20世纪物理学真正的最重要的精神。世纪物理学真正的最重要的精神。第19页，本讲稿共26页周光召周光召 (2000年年12月月)在历史的长河中，任何理论都是相对真理，在历史的长河中，任何理论都是相对真理，都有其适用范围，都有在新的条件下改进的都有其适用范围，都有在新的条件下改进的可能。量子力学与相对论的结合已经创造了可能。量子力学与相对
10、论的结合已经创造了量子场论，量子场论本身也在继续发展。但量子场论，量子场论本身也在继续发展。但是任何想改进量子力学基本观点的尝试都必是任何想改进量子力学基本观点的尝试都必须建立在实验的基础上。现代数学无疑在发须建立在实验的基础上。现代数学无疑在发展量子力学和量子场论中发挥了重要的作用。展量子力学和量子场论中发挥了重要的作用。我认为，单纯从数学和逻辑出发，有可能找我认为，单纯从数学和逻辑出发，有可能找到若干有用的关系，但不经过实验的检验、到若干有用的关系，但不经过实验的检验、指导和修正，不可能创造出新的理论。指导和修正，不可能创造出新的理论。第20页，本讲稿共26页“20 世纪物理学发展的回顾及
11、世纪物理学发展的回顾及 21 世纪物理学的展望世纪物理学的展望”(周光召周光召 2002年年8月月29日日-31日，北京大学日，北京大学)相对论和量子力学为人类认识世界奠定了坚相对论和量子力学为人类认识世界奠定了坚实基础，原子能、半导体、超导、激光等都实基础，原子能、半导体、超导、激光等都依赖于这一基础，它不仅深刻影响到其他相依赖于这一基础，它不仅深刻影响到其他相关学科，而且直接导致了半导体、计算机、关学科，而且直接导致了半导体、计算机、光通讯等一系列高新技术产业的产生和发展。光通讯等一系列高新技术产业的产生和发展。第21页，本讲稿共26页P.W.Anderson(诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者
12、)将一切事物还原成简单的基本规律的能力，将一切事物还原成简单的基本规律的能力，并不意味着我们有能力从这些规律来重建并不意味着我们有能力从这些规律来重建宇宙，宇宙，。大量的基本粒子构成了复杂聚集体，其行大量的基本粒子构成了复杂聚集体，其行为并不能由几个粒子性质作简单外推就能为并不能由几个粒子性质作简单外推就能理解。取而代之的是，在每一复杂性的层理解。取而代之的是，在每一复杂性的层次上出现了全新的性质，而理解这种新性次上出现了全新的性质，而理解这种新性质需要极其基本的基础研究。质需要极其基本的基础研究。第22页，本讲稿共26页冯端院士冯端院士“凝聚态物理与量子力学凝聚态物理与量子力学”量子力学的多
13、体问题似乎含有层出不穷的新花样。量子力学的多体问题似乎含有层出不穷的新花样。当今的凝聚态物理无疑将是当今的凝聚态物理无疑将是21世纪高新技术的科世纪高新技术的科学基础。学基础。计算机芯片的集成密度是随年代而呈计算机芯片的集成密度是随年代而呈指数式的增长，服从一经验规律，被称为摩尔指数式的增长，服从一经验规律，被称为摩尔(Moore)定律。定律。到了到了2015 年左右，集成电路的尺年左右，集成电路的尺寸将达到其物理极限，芯片厂的投资量也会超出了社寸将达到其物理极限，芯片厂的投资量也会超出了社会的承担能力。必须改弦易辙，另觅途径，这也对凝会的承担能力。必须改弦易辙，另觅途径，这也对凝聚态物理学研
14、究提出了重大的挑战和无上的机遇。聚态物理学研究提出了重大的挑战和无上的机遇。光纤通信的容量，磁存储器的容量也都随年代作指数上光纤通信的容量，磁存储器的容量也都随年代作指数上升，升，”第23页，本讲稿共26页芯片发展年代曲线芯片发展年代曲线第24页，本讲稿共26页跨学科的渗透跨学科的渗透化学家化学家 Herschbach 指出：指出：“典型的化学家高于一切的愿望是典型的化学家高于一切的愿望是想理解为何一种物质和其他物质的想理解为何一种物质和其他物质的行为不同；而物理学家通常冀望找行为不同；而物理学家通常冀望找出超出特定物质的规律。出超出特定物质的规律。”(物理学与化学在对物质世界的研究物理学与化
15、学在对物质世界的研究上正好是互补的上正好是互补的)第25页，本讲稿共26页跨学科的渗透跨学科的渗透生物学家生物学家 S.W.Gilbert 指出：指出：“传统生物学解决问题的方式是完全实传统生物学解决问题的方式是完全实验的，而正在建立的方式是基于全部基验的，而正在建立的方式是基于全部基因都将知晓，并以电子技术和操作的方因都将知晓，并以电子技术和操作的方式驻留在数据库中。生物学研究的出发式驻留在数据库中。生物学研究的出发点应该是理论的，一个科学家将从理论点应该是理论的，一个科学家将从理论推测出假定，然后再回转到实验室去追推测出假定，然后再回转到实验室去追踪和验证这些理论假定。踪和验证这些理论假定。”第26页，本讲稿共26页