量子力學上有哪些著名的實驗?

2021-03-01 鄭州德優量子科技

通過實驗學習量子力學是個不錯的主意。下面我就按照時間的線索大致捋捋有哪些著名實驗。我這裡入選的範圍比較寬泛,以期給出更廣的歷史視角。

量子力學誕生前,19世紀最大的物理學成就是電磁學,電磁學統一了電、磁、光三種現象。並隨之伴隨著電燈、電報等技術發明進入人們的日常生活。

在這個領域的著名實驗有:

1814-1825年,夫琅禾費嚮慕尼黑科學院展示自己編繪的太陽光譜,光譜學是後來發展原子物理學的基礎。

夫琅禾費在演示他的光譜儀。

1884年,巴爾末發現了氫光譜公式,這個公式及更一般的裡德堡公式可以由著名的玻爾模型推出來。

1879年,麥可遜利用旋轉鏡法精確地測量了光速,得到的數值是299910公裡每秒,隨之在1887年,麥可遜和莫雷完成了著名的「麥可遜-莫雷」實驗。

根據傳統的機械波的概念,波動需要介質,那麼對光波(電磁波)而言,這個介質就是所謂以太,但「麥可遜-莫雷」實驗並沒有找到以太。這個實驗可以被後來愛因斯坦提出的狹義相對論所解釋。

除了電磁學和光學,熱力學在19世紀也有很大的發展。

當時科學家研究的一個課題是「熱輻射譜」,熱輻射就是不同頻率的電磁波的集合,當溫度為T的物體處於熱平衡狀態的時候,它輻射出來的電磁波的強度和頻率存在一個關係,當時的德國科學家(維恩)和英國科學家(瑞利和金斯)分別基於不同的假設得到了兩個分布公式,但這兩個公式對實驗曲線(魯本斯)吻合的都不是很好。

與魯本斯有密切合作關係的普朗克於1900年10月19日向德國物理學會匯報了自己的新公式——普朗克公式,同一天魯本斯的最新測量結果也在會議上公布。

1900年底,普朗克提出了量子假說,並通過量子假說推導出了普朗克公式。從此量子力學的發展正式拉開了歷史的序幕。

克魯克斯管(陰極射線管)示意。

在19世紀真空技術也有了重要進展,基於真空技術,人們可以做出燈泡,燈泡是必須抽真空的,否則燈絲會很快燒斷。如果在燈泡裡再插入一個電極作為陽極,燈泡就會成為陰極射線管。從燈絲(陰極)跑出的電子加速撞在陽極上,陽極會發出X射線(1895,倫琴)。而如果高頻的光照射到陰極上,則可以從陰極中激發出光電子(光電效應:1887,赫茲)。如果我們讓陰極跑出的電子加速,跑的很快很快的話,就是加速器。

1897年,湯姆遜測量了陰極射線(電子)的荷質比(e/m),發現比質子(氫離子)的荷質比大很多,說明電子的質量比氫離子的質量小上千倍。1899年,湯姆遜還證明光電子就是電子。

在湯姆遜工作之前的1895年,塞曼研究了光譜線在磁場中的分裂,洛倫茲假設物體裡存在著自由運動的電子(金屬電子論)解釋了塞曼分裂,並估算出了e/m的取值,這個工作和湯姆遜的工作一起使得人們相信在物質中普遍存在電子。

原子是物質結構中的一個基本層次,1869年,門捷列夫提出了元素周期律,並發布了一張元素周期表。發現新元素並確定元素的性質是化學家的一項重要工作。

一張現代的元素周期表。

1896年,貝克勒爾發現鈾鹽具有放射性。所謂放射性就是物質會放出和X射線類似的具有穿透能力的射線。隨後居裡夫婦發現了釙和鐳等具有放射性的新元素。

根據放射性穿透能力的不同,可以分為α,β和γ三種射線。

1909年,盧瑟福等用α射線(高能He核)照射到金屬箔上,發現部分高能α粒子會被金屬箔以大角度反射回來。盧瑟福實驗說明原子中的正電荷集中分布在原子的極小區域,這就是原子的有核模型。

盧瑟福的工作是打開微觀物理世界的重要一步,人們發現根據經典物理學很難解釋原子有核模型的穩定性問題。

1913年,玻爾提出了原子結構的玻爾模型。通過定態(原子中存在確定的量子化的能級),量子躍遷,量子化等概念,玻爾解釋了氫原子光譜,X射線特徵譜線等不同物理現象。

並且定態概念,很快就被「弗蘭克-赫茲」實驗(1913)所證實。這本身是個歪打正著的實驗,因為弗蘭克和赫茲在做這個實驗的時候並不知道玻爾模型。

「斯特恩-蓋拉赫實驗」示意,從教學的角度,講這個實驗可以直接介紹矩陣力學,因此是個更現代的教學法。

斯特恩-蓋拉赫實驗(1921)也是為了驗證玻爾模型做的,發現銀原子磁矩的取值確實也是量子化的。這個實驗也比斯特恩和蓋拉赫當初設想的要意義深遠,因為它說明電子存在一個新的內稟性質——自旋,其取值只有向上和向下兩種可能。

1925年,烏倫貝克和古德施米特提出了自旋概念,並解釋了反常塞曼效應。但要完全理解自旋的意義,還要等狄拉克出場才行。

玻爾模型雖然取得了很大的成功,但它還不是一個系統化的理論,並且很難推廣到多電子的情形。1923年,德布羅意提出了量子力學中的核心概念——物質波,德布羅意認為電子必須被描述為一種波動,並用駐波來解釋量子力學中的定態。

物質波,或波粒二象性是量子力學中的核心概念,與之相關的物理實驗,可分為兩個系列。一個系列是光的粒子性,包括:黑體輻射(普朗克分布),光電效應,康普頓散射等。另一個系列是電子(或粒子)的波動性,包括:原子光譜,戴維遜-革末實驗,中子衍射實驗等。

戴維遜和革末,費曼的雙縫實驗也可以看做是戴維遜-革末實驗的變種。區別是雙縫實驗是費曼出於教學和研究目的提出的一個理想實驗,而革末實驗是歷史上真的被做過的實驗。

既然電子是個波,那麼就需要寫出電子滿足的波動方程。這個任務是薛丁格首先完成的,1926年薛丁格寫出了著名的薛丁格方程,薛丁格方程就是一個偏微分方程,但薛丁格的這個方程並沒有考慮狹義相對論。

在薛丁格之前的1925年,海森堡及其合作者,玻恩和約旦就已經完成了量子力學的第一個版本——矩陣力學,海森堡的思路是不從位置、軌道等經典物理概念出發,直接對實驗觀測到的各種躍遷機率幅寫出方程,海森堡的工作最初是很晦澀的,但在玻恩等加入之後,物理意義變得逐漸清晰起來。

波動力學比較容易被初學者理解,矩陣力學適合做研究,應用的也更廣。現在很多人說,玻恩是量子力學發展史中被低估的一個大師是有一定道理的。

1928年,狄拉克完成了相對論性量子力學(狄拉克方程),解釋了自旋,並預言了反粒子(正電子)。狄拉克是量子力學的最終完成者。除了狄拉克方程,狄拉克δ函數,表象理論,正則量子化等都是量子力學中的核心概念。並且狄拉克的工作也是通向量子場論和費曼路勁積分的關鍵一步。

狄拉克是一個特別謙遜的物理學家,比如他曾盛讚一旦有了薛丁格方程,所有的材料和化學問題「原則上」都解決了,其實這句話用在他自己的狄拉克方程上才更貼切。

1932年,安德森在宇宙射線中發現了正電子,這是對狄拉克方程的直接驗證。

在量子力學基本完成之後,物理學家又開始從「哲學」的意義上對量子力學進行反思。這裡面最有價值的就是愛因斯坦的工作,愛因斯坦通過構造一個量子糾纏態,說明量子力學是一個不具有「局域實在性」的理論。

愛因斯坦本人是不喜歡這個結論的,後來玻姆等試圖發展量子力學的隱變量理論,但這些替代性理論如何在實驗上與正統的量子力學區分是個問題。1964年,貝爾提出了一個不等式,使得區分隱變量理論和正統理論成為可能。

1982年,Aspect通過實驗檢驗了貝爾不等式,實驗表明量子力學確實是非局域的,即愛因斯坦關於量子力學的個人偏好是錯誤的。

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