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第5章(第1页)

抛开这些不谈,波动理论并不够完善。尽管这个公式成功了,但是波动的意义还是不清楚。薛定谔认为在空间内波动的强度的一个点上,代表了电子在那个点上的总量。那么,只要释放了电子,就无法集中在一点了。然而,这个理论很快被发现是不成立的,因为,如果一个粒子最开始集中在一点,大多数例子表明粒子会迅速传递到递增的更大区域,这就与观察到的粒子的行为相矛盾。

对波动正确的解释是由马克思•伯恩(axborn)提出的。当他在研究如何用量子力学来描述粒子间的碰撞时,意识到德布洛意-薛定谔波动有一种测量的可能性,找到空间中粒子两点之间的距离。换句话说,即度量衡常常聚焦的是一整个粒子,而不是其中一部分。但是在一些强度小的区域,粒子不常被发现,然而在强度大的区域,粒子经常被发现。

海森堡的不确定原理

1927年,海森堡对量子力学的进步做出了重要的贡献。他分析了很多&ldo;思维实验&rdo;,这些实验是为了提供一些关于粒子位置和速率而设计的。这需要显微镜来呈现电子的图像。众所周知,因为光的波动性质,一个精确的电子图像需要波段长而且频率高的光。然而,普朗克-爱因斯坦关系暗示了这样的光需要光子有巨大的能量和动力。在这样的光子和电子间的碰撞,电子动量会从碰撞时开始不受控制地变化。结果是,随着电子理论的普及,精确度的增长是不可避免的,但是在其动量领域则是精确度的损失。在这个理论和相关分析的基础上,海森堡建立了他的不确定准则,这个准则以它最简单的形式表达了未知δx和未知δp之间的相互关系,δx是物体的位置,δp是我们所知道的它的能量。根据(δx)(δp)给出的不确定关系,其结果小于h4π。对于物体每天的大小,相较于普通实验的不确定性来说,同时测量的限制就无足轻重了。因为这个原因,对于那些物体来说,牛顿定理和量子力学之间几乎没有显著的区别。然而,对于一个原子中的电子,它的不确定性限制是十分明显的,以至于他们能基本确定其大小和原子能量的最小值。

根据伯恩的波动强度的可能性描述和海森堡的测不准原则,量子力学的标准元素非决定性阐释早在1930以前就已经形成了。通常被人知晓的是哥本哈根阐释,因为尼尔斯•波尔(neilsbohr),这位使现象公式化的伟人,那段时期,在哥本哈根建立了非常有影响力的物理机构。然后,许多科学家对哥本哈根阐释表示不满并加以批判,其中包括爱因斯坦和薛定谔,他们接受的只是量子力学的数学公式。正确阐释数学公式被认为是一个普遍难题。

发现定理以后,接着就开始用量子力学解释了很多原子物理学和化学领域的问题,如许多电子原子的结构和分子的结构。根据以前的观察和预测,这些应用大部分是成功的。后期成功预测的例子是,依靠相对定向的核角动力,氢分子可以以两种形态存在。1928年,由于这些成功的例子,保罗•狄拉克称量子力学是&ldo;涵盖一切化学及大部分物理学&rdo;的领域。虽然,陈述的第二半部分还没有得到证实,但是量子力学的延伸成功解释了许多物理现象。比如,19世纪30年代和40年代,乔治•伽莫夫(egaow)运用量子力学解释了放射性原子核的α衰变。

为了一些原子核的应用和原子物理学计算的准确性,延伸量子力学的原始公式,使其与爱因斯坦的特殊相对论保持一致,已经变得越来越重要了。1927年,狄拉克是第一个着手实施的人,并以他的名字作为方程式名。狄拉克方程很快成功证实了其在计算电子的性质方面的巨大作用,如自旋。自旋是轴通过电子角动力自转的,有点像地球围绕着自己的轴转动。早先我们知道的是,所有电子的自旋都是h4π,但是原因并不清楚。狄拉克方程解释了这个原因,并且正确推算出一些自旋电子的磁力,并且做出了一个新的预测,在有相反电荷的情况下,有一种自旋的粒子存在。后来被称为正电子的这些粒子,是1932年被卡尔•安德森(carlandern)发现的。它们是第一个反粒子案例,它们的存在被许多理论预测到了,量子力学和特殊相对论都能对其进行解释。

量子场论

对反粒子的研究,了解它们的性质,展示出相对量子理论的新方面,即事物的产生和消亡。狄拉克预测到并且很快观察到,当高能量的光子穿过物体时,电子和正电荷可以成对一起产生。并且,一个正电荷靠近一个电子后,两者会同时迅速消失,随即转化为几个光子。为了阐述粒子变化的数量上的转化,应用量子力学新理论,即场论是非常必要的。

在牛顿物理学中,一个领域代表了一个物理数量,如电场力,根据精确的数学方程式,电场力在时间和空间里从一个点到另一个点变化。这种经典领域可以在不同的点上有不同的数值。普通的量子理论最先被狄拉克运用到电磁领域。这种自动结合暗示了普朗克和爱因斯坦提出的有属性的粒子存在。而且,他能运用量子场论的形式来描述光子如何被带电粒子放射和吸收,如原子中的电子辐射,后来被称为qed,或者量子电动力学。19世纪50年代后期,qed一个重要的实际应用是激光。

许多物理学家都认为,早先的未知领域都涉及各种类型的粒子变化的过程。比如,1933年,恩里科•费米(enriferi)利用量子场论解释了电子从核子的发射,这个过程后来被称作β衰变。从普遍的经验中能得出,量子场论能够适应量子力学的规律,而且符合相对论,自然解释粒子的产生和消亡的过程。

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