波的观点解释波粒二象性实验

通过上述讨论，我们就不难明白为何光和电子都具备波粒二象性。由于光的传播必须满足“整或零原理”，反射后的光波又会重新组成一个单独的光子的波包。这时候如果使用一个侦测器来侦测反射光的运动状态，实验者就会发现反射光还是以一个一个光子的形式来传播的。图6.9光的双缝干涉实验结果是因为“整或零原理”当光在通过双缝时，它是以波的形式通过的。同样的原理也可以解释电子的双缝实验。

理论教育 2023-11-18

从何而来？经典物理理论困扰微观世界

在第一章里，我们已经把量子的物理世界和直观的物理世界的尺度用一个图来表示了。此外，在微观世界里，在对物体的观察上，也有一些奇怪的地方。对于这个测不准原理的物理基础，传统的粒子物理学无法给出适当的解释。英国杂志《物理世界》在1999年对全球100多位顶尖物理学家的民意调查中，费曼被评为有史以来最伟大的10位物理学家之一。不过，虽然量子力学在计算上获得极大的成功，可是对于它的物理基础，物理学家一直难以解释。

理论教育 2023-11-18

宇宙的热历史和早期星系形成

“忆往昔峥嵘岁月稠。”或许是宇宙往事的最好概括。怎么能用稠来概括呢？是不是不识“稠”滋味？所以，早期宇宙确实稠密而峥嵘。这为早期宇宙的研究提供了丰富的物理内容。这就是宇宙的“热历史”。图2.9宇宙的热历史图中1eV相当于1万摄氏度，1MeV为100万电子伏特，1GeV为10亿电子伏特。这是因为，我们目前对基础物理的认识是不完备的。在宇宙诞生后几十皮秒的时候，基本粒子开始获得内禀的质量。数亿年的时候，宇宙中的星系开始形成。

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中子星碰撞:重金属元素生成的新理论

2016年，有证据显示产生重金属元素的主要机制，并非超新星爆炸。这星系内恒星的化学成分，充分支持中子星融合才是宇宙产生金、铂等元素的机制。对网罟座-2这个星系而言，现时可以探测到的r-过程元素需要数以百计甚至千计的超新星爆炸才能完全制造，但在小星系中不可能有那么多次的超新星爆炸发生。计算显示，一次中子星融合制造的r-过程重元素跟网罟座-2星系中的元素比例吻合。

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波与粒子观点解读自然世界

如果我们用“波”的观点来看世界的话，很多困惑也许就可以解释了。在宏观世界里，我们所见到的物质是以一个个具体的“粒子”的状态出现的。这种想法与牛顿的经典力学的观点一致。图6.1两种观点来看粒子在直观世界中，粒子被视为一个质点。

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薛定谔方程的提出及其意义

后来，德国物理学家索末菲对玻尔的量子条件做了稍微的改动，即把上式改变为一个积分方程。他最重要的工作是1926年提出的“薛定谔方程”。索末菲的这个工作给了当时的物理学家一个启示：也许应该发展一套波动力学来解释原子里电子的运动规律，而不是用粒子的运动方程来做解释。他在1926年发表了一系列的文章把电子的波动力学的方程式推导了出来。

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物理学中的尺度闭环-我们的物质世界从何而来？

在近现代，衔尾蛇曾出现在苯环发现的传说中、对数学无穷大的想象中以及物理学中。图2.11衔尾蛇的想象图物理学的一个本质特征是，在不同的尺度下，不同的物理现象涌现出来。这个婴儿宇宙的能量，高于我们地面上任何物理实验能达到的能量。从尺度标度上蜿蜒的长蛇，最终在基本粒子与宇宙两端上首尾相接，成为一个闭环。图2.12物理学是个像衔尾蛇一样的闭环

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粒子质量变化与经典力学规则不符

在20世纪初的另一个有趣的发现就是粒子的质量并非固定不变的，它的质量会随着运动速度的变化而变更。在经典的牛顿力学里面，一个物体的质量被认为是恒定不变的。洛伦兹应用了这套理论来计算电子在运动速度改变的时候其质量的变化。他的结果与洛伦兹的预测非常接近。现在人们已经清楚地观察到，粒子的质量变化与公式（5.1）给出的完全一样。因此，不但光子的运动不符合经典力学的规则，电子的运动定律也并不符合牛顿力学的描述。

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光双缝干涉实验原理解析

在这个光的双缝干涉实验中，光可以通过两个不同的窄缝投射到探测屏幕上。其结果显示了干涉图像，符合费曼对于电子干涉实验结果的预测。不过，这个实验使用的是双棱镜来模拟双缝干涉的效果，并不完全符合费曼的双缝干涉实验的设计。费曼提出的电子双缝干涉实验在道理上虽然非常简单，但是对于当时人们所掌握的技术来说，还是难以实现的。

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量子力学：氢原子模型与轨道

为了说明这个薛定谔方程对于人们了解原子结构的贡献，我们可以以氢原子为例。表3.1量子参数的取值规律对于这些电子波函数ψ的不同的解，物理学家认为这代表着电子在氢原子里的不同“轨道”。综上所述，具有不同量子参数的波函数，代表着原子里不同能级的电子轨道。他在量子力学里做了大量的工作，最知名的贡献就是发现了“泡利不相容原理”，并因此获得了1945年的诺贝尔物理学奖。

理论教育 2023-11-18

粒子物理学：揭示自然界的奥秘

总结而言，根据现有的标准模型，我们的物质世界是一个粒子的世界。另外，截至目前，人们也不能依靠实验来观察到一个单独的夸克的存在。质子的质量主要来自它的结合能。目前，标准模型还不能解释自然界所有的作用力。从标准模型的粒子观点来看，每一种作用力都是靠交换玻色子来传递作用力的。

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量子力学与广义相对论：物质世界的根源？

在今天的宇宙学研究里，有很多理论模型都是依靠广义相对论作为基础的。事实上，在20世纪，科学家已经清楚地认识到广义相对论与量子力学有一些重要的冲突。所以长期以来，广义相对论与量子力学都只能应用在不同的领域之中。因此，约在半个世纪以前，有人建议创立“弦理论”，声称其可以同时满足量子力学与广义相对论的要求。对于弦理论的研究目前有几种批评意见。

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太阳系形成于金牛T型星HLTau的星云区

图8.1金牛T型星HL Tau与原行星盘天文学家认为，太阳系最初是由一个类似于金牛T型星的结构形成的。形成太阳系的高密度星云区估计原有3光年大小，所形成的原行星盘直径达200天文单位，太阳系由此产生。目前很多探测太阳系外围的航天计划，都把这问题列为主要研究目标。在木星外的土星由于行星核形成较迟而使其气体积聚与总质量减少。图8.2太阳系原行星盘与冰线太阳系的行星诞生于其原行星盘中。

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物质世界的起源之谜：物理学家对量子理论的困惑

事实上，目前的主流量子理论还是有很多没有解决的问题。即使人们接受了哥本哈根学派对于波函数的诠释，量子力学还有许多无法解释的地方。另外，对于量子力学方程的物理基础，哥本哈根诠释也不能提供一些确切的解释。在爱因斯坦与玻尔辩论以后的几十年里，许多顶尖的物理学家还是觉得微观的量子世界难以理解。因此有些时候，他们也会不讳言地表达自己对于量子力学理论的困惑。

理论教育 2023-11-18

物质世界的起源与波包的粒子特性

从这个意义上说，波包已经被赋予了粒子的一些属性。在最近的一项研究中，发现波包的有效质量可以产生与牛顿力学中的惯性质量相同的引力效应。[4]因此，这样的“有效质量”完全可以表现得像真实的质量一样。由于波包可以具有明显的“能量”“动量”“速度”和“质量”，因此这个波包看起来就像直观世界里的粒子一样。

理论教育 2023-11-18

地球形成之谜-我们的物质世界从何而来？

地球形成需时约0.3亿～1亿年，较外行星长。由于地球形成在冰线以内，而且经过高温的岩浆洋状态，因此起初几乎没有挥发性物质，尤其是氢和水。反之，从小行星陨石中含水成分小球测出的［氘/氢］比例却与地球的相当接近，所以目前流行的说法变成了小行星。阿波罗计划从月球取回了岩石样品，分析发现其中的［氘/氢］比例与地球的相同，成为大碰撞假说的一个重要证据，同时也显示地月系统的水在撞击前已送抵地球。

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