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1、量子力学引言第一页，本课件共有83页一.为什么要学习量子力学？1.回顾历史，重温创新历程回顾历史，重温创新历程创新教育的好教材创新教育的好教材2.2.量子力学是重要的基础课程量子力学是重要的基础课程最伟大的理论之一最伟大的理论之一 3.量子力学是下一代量子力学是下一代IT的创新点的创新点为明天奠定基础为明天奠定基础第二页，本课件共有83页1.1.回顾历史回顾历史 重温创新历程重温创新历程上个世纪创造了两个伟大的理论：量子力学相对论有史以来最伟大的科学理论之一从对人类物质文明影响来看，量子力学影响似乎更大一些第三页，本课件共有83页历史回顾 十九世纪末的物理学物理学发展到相当高的水平已经建立了：
2、经典力学电动力学热力学和统计物理学等一整套物理学理论应用这些理论人们已经能够解释许多天文和自然现象第四页，本课件共有83页历史回顾 力学经过Newton,Lagrange,Hamilton等人的发展，已形成完整的力学体系。成功地解释了宏观物体运动规律预言了海王星的存在（通过天王星轨道的奇异）在上个世纪末，Newton力学被认为是终极的动力学理论，而被广泛接受。第五页，本课件共有83页历史回顾 电磁学英国科学家法拉第的实验研究工作发现了电磁感应、电机，为现代电工学奠定了基础。Maxwell完成了以他的名字命名方程组为基础的理论体系，并预言了电磁波。1887年，Hertz实验证实了电磁波的存在进而
3、人们认识到光的本质是电磁波第六页，本课件共有83页历史回顾 热力学和统计物理热学是古老的科学，直到18世纪，资本主义发展需要动力，瓦特发明了蒸汽机，促使热力学迅速发展起来。十九世纪中叶开尔文、卡诺、克劳修斯等人的杰出工作奠定了热力学理论基础与此同时，Boltzmann、Gibbs等人建立了微观的统计物理理论体系。第七页，本课件共有83页历史回顾 Kelvin世纪末的预言Kelvin在一篇瞻望20世纪物理学的文章极力称赞十九世纪物理学的伟大成果，他写道：“在已经建成的科学大厦中，后辈科学家只要做一些零散的修补工作就可以了。”第八页，本课件共有83页历史回顾 经典物理的困难就在人们庆祝物理学大厦落
4、成之时，也发现了一些经典物理学不能解释的现象：首先是黑体辐射其次是光电效应随后不能被经典物理解释的现象越来越多第九页，本课件共有83页历史回顾 经典物理学的局限性经典物理一旦超出原先的范畴，就显得捉襟见肘，漏洞百出。牛顿力学只局限于研究物体在其外在时空中的机械运动，不涉及物体的物质结构和内部属性。光学（包括电磁学）只局限于研究光的传播，并没有真正涉及光的产生和吸收，光与物质的相互作用机制。第十页，本课件共有83页历史回顾 冲破经典物理桎梏自牛顿以来，物理界一直受机械论的控制，任何系统都必须归结于眼睛直觉的世界。这种机械论制约人们对客观世界的认识为解决黑体辐射问题，1900年，Planck冲破经
5、典物理机械论的束缚，提出了量子论，标志着人类对量子认识的开始。2000年，正是这一理论发表100周年，全世界的科学界都举行了隆重的纪念活动。第十一页，本课件共有83页历史回顾 20世纪初的科学舞台群英荟萃为了解决经典物理遇到的困难，许多杰出的物理学家投身新理论研究中Planck、Einstein、Rutherford、Bohr、Dirac、de Broglie、Heisenberg、Schrodinger、Fermi、Born、Paoli皆是举世闻名的科学家大部分都获得过诺贝尔奖第十二页，本课件共有83页历史回顾 量子力学的诞生量子力学既不象广义相对论那样来自于对引力与几何关系的不可思议的洞察
6、力也不象DNA的破译那样揭开了生物学一个新的世界的神秘面纱它的建立不是一步到位，而是有一个曲折的发展过程：190019271927年在比利时的布鲁塞尔召开的科学大会上海森伯和薛定谔提出了新的量子力学理论第十三页，本课件共有83页1927年10月布鲁塞尔第五次索尔莫会议合影前排（左起）兰格尔 普朗克 居里夫人 洛伦兹 爱因斯坦 朗之万 威尔逊 里查逊中排 布拉格 克拉梅斯 狄拉克 康普顿 德布罗意 玻恩 波尔后排 皮卡德 亨利厄特 埃伦菲斯特 赫尔岑 朗德 薛定谔 非尔莎菲尔特 泡利 海森伯 第十四页，本课件共有83页第十五页，本课件共有83页历史回顾 如何理解量子论？玻尔曾经说过：“不为量子论
7、所震惊者，必然不理解量子论。”在量子论诞生后，经典物理的机械论才被彻底打破，人类才第一次认识到我们所处的物质世界远不是我们日常看到的图像。能量的分立、粒子的波粒二象性、动量与位置的测不准原理等量子世界的奇妙现象与人们宏观世界的经验相违背。第十六页，本课件共有83页历史回顾 关于量子论的争论自从量子论提出以后，对于量子物理的思想基础（特别是量子力学的哥本哈根学派诠释）的争论从来就没有停止过人们对于量子力学本身的完备性及其基本观念的理解，也持有截然不同的观点争论双方的领军人物分别是Einstein和Bohr他们在上个世纪2030年代的论战至今仍为人们津津乐道这样一段历史一直是科学史研究的重点第十七
8、页，本课件共有83页Niels Bohr and Einstein in the twenties,in the home of the physicist Paul Ehrenfest.第十八页，本课件共有83页历史回顾 重走科学历程的长征路这一段历史充满科学创新和丰硕的成果，学习它，对每个人都是一种智慧的启迪，创新精神的熏陶，极具感染力，是素质教育的好教材用“我的长征”类比，回顾这一段科学历程，这是科学创新教育好案例第十九页，本课件共有83页历史回顾 世纪回眸今天，当我们踏着跨世纪的台阶，深情回眸量子论带给人类的文明与对宇宙认识的同时，我们更应从量子论的诞生与成长的历史得到有益的借鉴。路甬
9、祥第二十页，本课件共有83页历史回顾 科普读物推荐许多著名的科学家写了多部有关这一段历史的科普读物:量子物理学：幻象还是真实,英阿莱斯泰尔雷，江苏人民出版社，2000量子史话，美B.霍夫曼 著，科学出版社，1979量子力学史话，苏B.H.瑞德尼克 著，科学出版社，1979 第二十一页，本课件共有83页2.2.学习量子力学的现实意义学习量子力学的现实意义 如果说，以上是我们学习量子力学的历史意义，那么更重要的是下面要论述的现实意义。量子力学已成为今天我们认识世界的基本理论特别是微观领域，其中物质及其运动规律必须应用量子力学的概念和理论来理解、描述和预测。第二十二页，本课件共有83页现实意义现实意
10、义 重要的基础理论现代的主要自然科学分支都以量子力学为基础量子力学是物理学四大基础理论之一物理学的大部分分支学科，如固体物理、半导体物理、光学、激光物理、原子、分子物理、天体物理以及地球物理都以量子力学为基础。第二十三页，本课件共有83页现实意现实意义义 自然科学的基础自从上个世纪20年代建立以后，量子力学已渗透到许多自然科学领域化学、生物学等均以量子力学为基础形成新的交叉学科，如量子化学，量子生物学等生物体也可以用量子力学进行描述，如DNA双螺旋结构第二十四页，本课件共有83页现实意现实意义义 工程技术学科的理论基础工程技术科学也有以量子力学为基础的电子科学与技术微电子学、光电子学、电子材料
11、与元器件都是直接以量子力学为基础今天的通信、电子工程、计算机、电子机械等工程技术科学，量子力学并不直接构成其基础。第二十五页，本课件共有83页现实意现实意义义 最重要的专业基础课之一激光原理，固体物理，半导体物理，光谱学，材料物理都是以量子力学为基础光子、电子的运动规律以及它们与物质作用规律都遵守量子力学规律我们电子科学与技术就是利用电子，光子运动及其与物质作用来承载信息，处理信息，所以必须要学习量子力学。第二十六页，本课件共有83页3.深层意义 下一代IT的创新点电子科学与技术是现代IT业的基础集成电路（半导体集成电路，混合集成电路），光电子器件和各种电子元器件是实现各种电路和系统的物质基础
12、IT业追求的是速度和价格最近几十年来计算机的发展一直遵循着著名的Moor定律第二十七页，本课件共有83页深层意义 Moor定律第二十八页，本课件共有83页深层意义 山穷水尽疑无路当前硅微电子芯片的特征线宽已经做到了0.130.09微米，国际半导体工业协会（SIA）则已经规划到了0.035微米现代半导体集成电路，尺度达到深亚微米，甚至纳米，仍以经典物理为工作原理经典半导体器件不可能无限制地缩小，最终还会达到其物理极限第二十九页，本课件共有83页深层意义 量子效应物理极限一方面是技术限制，如散热问题，材料非均匀性问题等。另一方面是量子效应限制，如量子隧道贯穿产生MOS器件漏电流的主要原因弹道输运，
13、短沟道，载流子在源漏之间直接穿通研究这些问题，需要量子力学的知识第三十页，本课件共有83页深层意义 柳暗花明又一村正在半导体工业由于集成电路中的物理极限凸现而疑无路之时，量子效应器件和量子信息学使得IT业柳暗花明。量子效应器件是以载流子的量子效应为工作原理的器件量子信息学是以物质的量子属性完成信息的存储、传递和处理第三十一页，本课件共有83页深层意义 信息处理的新思路预计量子信息处理将以两种实现方式：以量子效应器件代替现在的器件，以现在的电路方式处理信息。用量子方式实现信息处理量子信息学的新概念：量子编码、量子通信量子计算、量子计算机量子逻辑、量子信号处理第三十二页，本课件共有83页深层意义
14、量子信息处理第三十三页，本课件共有83页深层意义 量子计算第三十四页，本课件共有83页深层意义 量子通信量子通信 Quantum Communication第三十五页，本课件共有83页深层意义 量子力学与信息论第三十六页，本课件共有83页深层意义 新型量子器件已初露端倪纳米尺度的量子效应器件的成果：共振隧穿器件微观粒子的量子隧穿效应为工作原理单电子器件利用载流子的粒子性为工作原理自旋电子学与器件利用载流子的自旋属性处理信息第三十七页，本课件共有83页深层意义 量子效应器件（续1）量子点器件量子点之间的隧穿效应及耦合效应分子电子器件有机基片上用可以电激活的分子制造的电子器件第三十八页，本课件共有
15、83页深层意义 量子效应器件（续2）半导体量子点实现的原胞自动机这些内容将在“纳米电子学”课程中介绍第三十九页，本课件共有83页深层意义 纳米电子学北京大学2003西安电子科技大学2004上海交通大学2006纳米电子学 Nanoelectronics第四十页，本课件共有83页深层意义 国家中长期科技发展纲要重大科学研究计划：量子调控研究 以微电子为基础的信息技术将达到物理极限，对信息科技发展提出了严峻的挑战，人类必须寻求新出路，而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪，并正在成为发达国家激烈竞争的焦点。量子调控就是探索新的量子现象，发展量子信息学、关联电子学、量子通信、受限小量子体系及人工带隙
16、系统，构建未来信息技术理论基础，具有明显的前瞻性，有可能在2030年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响。第四十一页，本课件共有83页二.如何学好量子力学？1.为什么量子理论难以接受？2.从经典物理学的“囚笼”中挣脱出来3.量子力学作为工具4.把握学习侧重点第四十二页，本课件共有83页1.为什么量子理论难以接受？量子理论自从出现以后，一直被概念和哲学问题所困扰，难以被人们理解和接受。主要是人们长期生活在宏观世界，描述宏观世界的经典力学，如牛顿力学，电动力学，很容易接受，因为它与人们直接的经验一致。一旦接受了经典物理学的概念，这些概念就会形成无形的“牢笼”，束缚和钝化人们的创造性思维。第四十三
17、页，本课件共有83页量子理论难以接受 量子态量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量子态）的概念量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态关于量子理论的长期激烈争论的焦点也是这个量子态第四十四页，本课件共有83页量子理论难以接受 Einstein的困惑经典物理对人们的影响不仅反映在一般初学量子力学人身上那些创建量子论的科学家也为自己所做的事情所困扰甚至有时对自己的所作所为感到失望Einstein：“上帝是不玩掷骰（tou）子的”他总是用怀疑的眼光看待量子力学并且试图通过说明它不一致性来揭示量子力学
18、的不完备第四十五页，本课件共有83页量子理论难以接受 EPR佯谬设想有一对总自旋为零的粒子（称为 EPR对），两个粒子随后在空间上分开，假定粒子 A在地球上，而粒子 B在月球上。量子力学预言，若单独测量 A（或 B）的自旋，则自旋可能向上，也可能向下，各自概率为12。但若地球上已测得粒子 A的自旋向上，那么，月球上的粒子 B不管测量与否，必然会处在自旋向下的本征态上。第四十六页，本课件共有83页量子理论难以接受 Schrdingers Cat第四十七页，本课件共有83页量子理论难以接受 Schrdingers Cat第四十八页，本课件共有83页量子理论难以接受 Schrodingers cat
19、第四十九页，本课件共有83页量子理论难以接受 哥本哈根学派Bohr对量子力学的大部分看法得到大多数人的承认他的大部分工作是在哥本哈根完成的因此它的观点以及由这些观点而发展起来的思想被称为“哥本哈根学派”Bohr反驳Einstein：“人们能有什么根据去肯定上帝是不玩掷骰子的呢？就凭经典物理学和拉普拉斯决定论的巨大成就吗？”第五十页，本课件共有83页2.从经典物理学的“囚笼”中挣脱出来人们总是根据已有的知识和经验去思考新问题、理解新现象经典物理学影响是习惯性的，不自觉的，因而也是不易挣脱的。量子力学的初学者从经典物理学过渡到量子物理学时，必须善于剖析自己从宏观日常经验中积习起来的观念。第五十一页
20、，本课件共有83页3.量子力学作为工具量子力学的理论体系博大精深，对人类的认识论和哲学都有深刻影响，一些深层次的问题至今没有彻底搞清楚。要把它作为一门学问研究，确实需要下一番功夫。但是量子力学又是一把实用的工具，可以用于解决许多实际问题，特别是电子科学与技术和材料学中的实际问题。第五十二页，本课件共有83页作为工具 “量子力学量子力学”是什么？是什么？QuantumMechanicsThe Blind Men and the Quantum第五十三页，本课件共有83页作为工具 各取所需 各得其所不同专业的人学习量子力学目的不同：有人说：量子力学没有用处有人却以量子力学为终生研究对象有人说：量子
21、力学是数学框架和运算法则有人说：量子力学是钥匙，是工具有人说：量子力学是一堵墙，难以逾越第五十四页，本课件共有83页作为工具 Richard Feynman“I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics”The character of physical law 1965 1965 Nobel Laureate in Physics 第五十五页，本课件共有83页作为工具 费因曼其人 DR.RICHARD P.FEYNMAN(1918-1988)Nobelist Physicist,teacher,story
22、teller,bongo player 第五十六页，本课件共有83页作为工具 那些工具作为工科学生，主要把量子力学作为工具来掌握。解释微观结构中光学和电子学现象的工具计算微观粒子（电子、光子、空穴）在材料和器件中的状态和运动规律的工具发展新器件的理论依据第五十七页，本课件共有83页作为工具 教与学的层次要 求教 师学 生正确讲授（掌握）课程全部知识教书匠应试教育的好学生教会学生应用课程知识解决实际问题研究型教师 素质教育的好学生注重科学思维训练，掌握创新思想大师创新性人才第五十八页，本课件共有83页4.把握学习侧重点以掌握量子力学工具为主要的学习目的，就要重点掌握：量子力学最基本的概念、现象与
23、效应量子力学的基本计算方法量子力学基本模型及建模方法量子力学计算结果的实验对比与解释第五十九页，本课件共有83页三.正确对待量子力学 1.量子力学的辉煌成就2.正确认识量子力学3.新的理论突破有待第二个Planck、Einstein的出现第六十页，本课件共有83页1.量子力学的辉煌成就全面列举一下20世纪最有影响的科学进展应当包含广义相对论、量子力学、宇宙大爆炸、遗传密码的破译、生物进化理论和其他一些个人喜欢的课题。量子力学深层次的根本属性使得它处在一个最为独特的位置第六十一页，本课件共有83页辉煌成就 量子力学的影响量子力学迫使物理学家们改造他们已有的观念迫使他们重新审视事物最深层次的本性迫
24、使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的定义尽管量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象原子世界而创立的但它对我们日常生活的影响无比巨大第六十二页，本课件共有83页辉煌成就 对于量子力学的评价二十世纪是物理学革命性发展的世纪,量子理论和相对论的创立,不仅是物理学革命的标志,而且后者更广泛地影响了整个科学发展,如对化学键和各种物性的理解，对发现DNA 双螺旋结构的作用。以量子力学为核心的量子理论，代表了人类对微观世界基本认识的革命性进步，与相对论共同成为二十世纪人类科技文明的基石第六十三页，本课件共有83页辉煌成就 量子力学的成功或许下面的描述能帮助我们理解这个至关重要但又难以捉摸的理论的
25、独特地位：量子理论是科学史上能最精确地被实验检验的理论，是科学史上最成功的理论量子力学的基本预言与大量的实验的符合，已达到了令人吃惊的程度从应用的意义上讲，作为描述世界的工具，量子理论过去的成功意味着它是一个相当完善的科学理论第六十四页，本课件共有83页2.正确认识量子力学在量子理论辉煌成就面前要保持清醒的头脑量子力学还有许多问题没有彻底搞清楚，包括一些基本问题这些基本问题正在成为或有可能成为新的创造、发现、发明的契机（如量子计算机，量子密码、量子通信）第六十五页，本课件共有83页正确认识 量子力学中的问题量子力学不仅深深地困扰着它的创立者们，直到它本质上被表述成通用形式后的今天，一些科学界的
26、精英们尽管承认它强大的威力，却仍然对它的基础和基本阐释不满意。量子力学的完备性问题（隐变量问题）EPR佯谬量子力学中的测量问题薛定格猫态的实现第六十六页，本课件共有83页正确认识 争论并没有结束应该注意到对量子论创立有重要贡献的两位伟大科学家爱因斯坦与玻尔关于量子论的诠释长达几十年的争论时至今日并没有结束1982年巴黎大学的阿斯佩克特等人所做的实验已把这种思辨性的争论提高到实验辩证阶段。第六十七页，本课件共有83页正确认识 争论对科学技术的影响这一轮量子力学的新研究高潮不仅仅涉及量子力学基本概念的深化，而且有可能对当代电子学、光学、信息科学、材料科学等产生革命性的影响。中国科学院第一期创新工程
27、试点的重大前沿领域特别安排有量子物理与信息研究项目，就是顺应这个量子论的世纪性新发展的需要。第六十八页，本课件共有83页3.新的理论突破有待第二个Planck,Einstein的出现第六十九页，本课件共有83页 Paul Dirac1902-19841933年与Schodinger分享诺贝物理学奖第七十页，本课件共有83页量子理论不是终极的理论从量子力学诞生的时刻起，成功和困难就同时存在。Dirac在评论这些困难时说，人们企盼建立一个更基本的理论，而这需要我们基本观念上的某种巨大的变革。第七十一页，本课件共有83页国家和前辈的期望我希望我们的年轻科学家加入当代物理学这一非常活跃、非常有基础意义
28、、甚至会产生革命性跃迁的新领域。期望在21世纪从他们当中诞生在中国土地上成长起来的普朗克和爱因斯坦式的大科学家，产生出如同量子论、相对论一般伟大的、新的科学发现和科学理论。路甬祥第七十二页，本课件共有83页总结为什么要学习量子力学？创新素质教材重要的基础课程下一代IT创新点 如何学好量子力学？摆脱宏观世界观念束缚作为工具来掌握正确对待量子力学量子力学不是终极理论理论有待突破第七十三页，本课件共有83页谢谢大家！第七十四页，本课件共有83页附录二十世纪初科学年鉴薛定谔猫第七十五页，本课件共有83页二十世纪初科学年鉴1900年，Planck量子论1905年，Einstein狭义相对论1908年，盖
29、 革（H Geiger，18821945）发明计数管。卢瑟福等人从粒子测定电子电荷e值。1909年，盖革与马斯登（EMarsden）在卢瑟福的指导下，从实验发现粒子碰撞金属箔产生大角度散射。第七十六页，本课件共有83页二十世纪初科学年鉴（续一）1911年，Rutherford发现原子的结构1912年，劳厄（Laue）实现X射线的晶体衍射1913年，Bohr提出量子轨道并解释了氢原子光谱1915年，Einstein提出广义相对论19061917年，密立根（RAMillikan，18681953）测单个电子电荷值，前后历经11年，实验方法做过三次改革，做了上千次数据。第七十七页，本课件共有83页二
30、十世纪初科学年鉴（续二）1916年，密立根用实验证实了爱因斯坦光电方程。1916年，爱因斯坦根据量子跃迁概念推出普朗克辐射公式，同时提出了受激辐射理论，后发展为激光技术的理论基础。1917年，Rutherford首次实现人工核反应。1919年，阿斯顿（FWAston，18771945）发明质谱仪，为同位素的研究提供重要手段。第七十八页，本课件共有83页二十世纪初科学年鉴（续三）1922年，Bohr解释元素周期表。1923年，康普顿（AHCompton，18921962）用光子和电子相互碰撞解释X射线散射中波长变长的实验结果，称康普顿效应。1924年，德布罗意（Lde Broglie，18921
31、987）提出微观粒子具有波粒二象性的假设。1924年，玻色（SBose，18941974）发表光子所服从的统计规律，后经爱因斯坦补充建立了玻色一爱因斯坦 统计。第七十九页，本课件共有83页二十世纪初科学年鉴（续四）1925年，泡利（WPauli，19001958）发表不相容原理。1925年，海森伯（WKHeisenberg，19011976）创立矩阵力学。1925年，乌伦贝克（GEUhlenbeck，1900-）和高斯密特（SAGoudsmit，19021979）提出电子自旋假设。第八十页，本课件共有83页二十世纪初科学年鉴（续五）1926年，薛 定 愕（E Schrodinger，18871
32、961）发表波动力学，证明矩阵力学和波动力学的等价性。1926年，费 米（E Fermi，19011954）与狄拉克（PAMDirac，19021984）独立提出费米狄拉克统计。1926年，玻 恩（M Born，18821970）发表波函数的统计诠释。第八十一页，本课件共有83页二十世纪初科学年鉴（续六）1927年，海特勒和伦敦发表化学键理论1927年，海森伯发表不确定原理。1927年，玻尔提出量子力学的互补原理。1927年，戴维森（CJDavisson，18811958）与革末（LHGermer）用低速电子进行电子散射实验，证实了电子衍射。1928年，Dirac提出相对论量子力学。19281930年，布 洛 赫（F BIoch，19051983）等人为固体的能带理论奠定了基础。第八十二页，本课件共有83页薛定谔猫“一只猫关在一个钢盒内，盒中有下述极残忍的装置（必须保证此装置不受猫的直接干扰）：在盖革计数器中有一小块辐射物质，它非常小，或许在1 小时内只有一个原子衰变。在相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变，计数管便放电，并通过继电器释放一锤，击碎一个小的氢氰酸瓶。如果人们使这整个系统自己存在1 个小时，那么人们会说，如果在期间没有原子衰变，这猫就是活的。而第一次原子衰变必定会毒杀了猫”。第八十三页，本课件共有83页