的泡利不相容原理：原子中的任意两个电子不能处在相同的量子态上。这是有划时代意义的，在此原理基础上，立刻就可以得到元素周期律。
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日志
【科普知识系列】
之一：万物同源
20世纪是一个灾难深重的世纪，两次世界大战，几十亿人被卷入战乱，20世纪同时又是一个辉煌的世纪，一个灿烂无比的世纪，它所创造的物质财富远远超出了此前人类文明成果的总和。回首这一令人神往的世纪可以发现，这一切都可以归结为四个字：科技革命。科技革命使人们的认知领域飞速的扩展，同时也使得科学几乎成了少数人享有的专利，而我们不得不承认很大一部分人的知识还停留在20世纪之前的牛顿伽利略时代，因此科普工作任重而道远，这部分人，尤其是青年人很有必要接受现代自然科学的洗礼。由于本连载定位为科普，因此对科技前沿仅作介绍，不深入讨论。重点初步定在与日常生活联系较密切的一些事物与现象上。
古希腊哲学家德莫克里特利用一些日常经验推测世界是由一些不可分割的原子组成的，道尔顿继承并发展了这一学说，提出了原子论，阿伏伽德罗进一步提出分子论，后由门捷列夫提出了化学元素周期表，19世纪末，物理学家相继发现了电子、α粒子、放射性、X射线等，使得物理学进入了一个新的比元素更深的层次，经过不懈努力，建立起了目前的标准模型：电弱统一理论、量子色动力学和广义相对论。标准模型使人们认识到，我们这个充满了无限生机和活力的大自然中，只存在有限种类和数目的“基本粒子”：六种夸克、六种轻子、和“六种”媒介子（八种胶子当作一种，未发现的引力子也当作一种）而与我们的生活息息相关的只有四种粒子：质子、中子、电子、光子。
如果基本粒子遵从的不是量子理论而是经典力学，电子会在极短的时间内落入原子核，质子中子也不会形成稳定的元素，即使勉强认为它们有稳定的轨道，两个原子也不可能构成分子，当然也就更不可能构成现有的物质世界了。质子与中子形成了种类繁多的核素，外面填充上电子就形成了周期表中的元素。这些不同种类的原子以及由它们构成的分子就是构成物质世界的基本材料（分子是保持物质化学性质的最小单位）。不同的分子可以表现出不同的化学性质，都可以通过量子力学的计算来预言。碱金属放入水中可以剧烈反应并燃烧或爆炸，而惰性气体（尤其是氦）却几乎不与任何物质反应，氢气与氧气混合放几十年也产生不了一滴水，一经点燃却可以爆炸，铁可以被磁铁吸引，而在周期表中与之邻近的锰却没有这种性质，碳原子可以成链、环、双健、三健而与之同族的硅却成链相当困难。而这些性质都可以通过它们的结构：核与电子中找到答案。同样，任何一个宏观物体的物理的、化学的性质都应该可以从它们的组成中找到答案。这就是化学中常说的一句话：结构决定性质。结构化学的任务就是用量子力学来求解分子结构。
从以上分析可以看出，如果我们知道了组成原子（或分子）的核与电子的性质以及它们服从的规律，就可以得到原子或分子的性质，同样，如果我们知道了一种物质的组成，以及它们的单元间的相互作用规律就可以预言它的宏观性质。通过分子间作用力的强弱程度，我们可以知道常温下水是液体而氧气是气体，通过统计热力学理论（基础是量子力学）可以算出很多有用的东西，比如对一块金属升温它会吸多少热（热容），一升水的总能量是多少（内能），一立方米气体的混乱度多大（熵），两种物质可不可以反应，在什么条件下反应，反应的速率如何……二极管、三极管、集成电路中的电子和空穴遵从的是量子规律，因此如果没有量子力学也就没有了电子计算机。
因此，我觉得我们应该确立一种信念，自然界的一切，风雨雷电云雾霜雪、山水花草虫鱼鸟兽……都是可以解释的，而且它们一定服从高度统一的规律。总之，自然界是可以理解的。
然而，面对着这样一个复杂而又简单的自然界，你可曾有过这样的想法：为什么周期表中的元素在自然界中分布这么不均？为什么我们放眼望去，到处都是氧硅铝铁钙钠钾镁……而不是遍地黄金呢？再往地球深处看一看：为什么地心深处有这么大的一个铁球？这么多铁到底是从哪里来的呢？
无论哪个民族的的古人都喜欢仰望星空，他们相信那里一定隐藏着无尽的秘密，然而他们也许不会料到，上述问题的答案的确就隐藏在茫茫星空之中……
预知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:41 回复此发言
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之二：仰望星空
当你在散步时踢着一块小石头时，有没有想到过它有过一段“刻骨铭心”的经历，有没有想到过它曾经是一团氢气？
通过求解爱因斯坦的场方程可得到大爆炸解，宇宙已经存在了大约137亿年，极早期的宇宙已经在大爆炸标准模型中介绍过，因此不详细讨论了。结合粒子物理理论可得到宇宙大爆炸后的产物是约75%的氢和约25%的氦，还有极少数的重氢、锂等轻元素。与观测精确相符，但大爆炸并没有产生重元素，地球的这些物质从何处而来呢？这还要从星系的起源说起。
关于太阳系的起源问题，目前公认的说法是康德-拉普拉斯星云假说，即太阳系起源于星云。而这些星云中的重元素来源于几十亿年前的一次超新星爆发。最原始的星云中几乎只有大爆炸遗留的氢和氦，在万有引力和热运动的作用下平衡，但这种平衡并不稳定，微小的扰动可以产生不均匀的密度分布，而在密度较大的区域通过引力作用逐渐收缩并吸引周围的物质，同时引力势能转化为热能使天体升温，当中心温度升至一千万度时，点燃热核聚变反应，开始了氢聚变为氦的核反应，天体开始发光，形成一颗恒星，产生的光压与引力相平衡。大约燃烧几十亿到几百亿年之后，反应逐渐停止，引力大于光压，恒星开始收缩，引力势能进一步转化为热能，使温度上升。当中心温度上升到约一亿度时，点燃氦聚变为碳的反应（氦闪）。氦大约燃烧几百到几千万年，反应逐渐停止，引力再一次大于光压，使恒星继续收缩，此后的热核聚变逐一进行，碳聚变为氮，氮聚变为氧……直到聚变为硅，此时中心温度大约是20亿度，硅开始聚变，并引发成百上千种核反应，最终转化为铁。而铁是所有的元素中最稳定的，它若转化为其它元素就必须要吸热了。此时的元素家族已经是人丁兴旺了，但大都还留在恒星的内部。恒星的归宿有三种：（1）质量不大于太阳1.4倍的恒星最终演化为白矮星，直径只有几千公里（比如天狼星的伴星）；（2）核心质量在1.4-3倍太阳质量的恒星将演化为中子星（如蟹状星云的中心）；（3）核心质量大于3倍太阳质量的恒星最终收缩为黑洞。在形成中子星的过程中，会同时猛烈的向外抛出大量的物质，形成新的星云，这就是超新星爆发。而太阳系中的重元素正是来自超新星爆发后残留的星云。由以上叙述，我们可以看到，恒星是锻造元素的“坩埚”，夜空中的点点繁星中，正在进行着这些激烈的反应，正在一炉一炉的锻造着在生命看来比黄金贵重的多的元素：碳氢氧氮磷硫钾钙镁……原来，大自然在几十亿年前甚至上百亿年前就已经掌握了炼金术。
那么为什么不同的元素转化起来竟这样难，甚至需要几千万度到几十亿度的高温呢？粗略估算一下就可以知道，氦原子核中的两个质子间的排斥力大约是90牛顿。这么大的一个力竟加在两个质子上，可以说是难以想象的。好在核子间存在一种更强的核力将它们束缚起来不至散架。但核力是短程力，只在fm(10^(-15)m)数量级范围内才表现出来，因此要想创造新的较重元素就需要克服核子间的强大的排斥力使原子核接近到fm范围。一种方法就是提供高温使原子核高速运动，在碰撞中使它们结合。这就是古代的炼金术士都是骗子的原因。
遥远的的星空蕴藏着无穷无尽的奥秘，双星、聚星、变星、新星、超新星、白矮星、脉冲星、星团、星系、星云、类星体、星际物质、黑洞……它们大都进行着异常激烈的甚至是难以想象的各种变化，与之相比，地球乃至太阳系都不过是茫茫宇宙中的一粒微尘，而且似乎也显得太温和了。这些巨大的星体乃至整个宇宙都遵从着比较简单的，至少是我们可以理解的演化规律，甚至从大尺度上看，宇宙似乎像一个准确的钟表在不紧不慢的走着，我们甚至可以了解到从它诞生后的10^(-36)s直到137亿年后的整个演化规律，而且可以做出较高精度的预言。这不能不说是人类历史上一个巨大的胜利，同时也在鼓舞人们建立这样的信念：世界是可以理解的，宇宙服从简单的，至少是可以理解的、可以预言的规律。
然而，大自然似乎并不愿这么快将它的内涵全部表露出来，近30年来对非线性的研究又给了机械决定论沉重一击。它表明，既是对一个非常简单的系统，长时期的精确预言也是几乎不可能的，同时也给我们对概率的理解平添了一些神秘色彩，并且成为科技前沿，展现出了复杂世界的美。这又给自然界蒙上了一层神秘面纱。而这些成果却是源于一只蝴蝶……
预知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:41 回复此发言
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之三：蝴蝶效应
1961年，美国气象学家洛仑兹在进行长期天气预报的数值运算时，将初始数据舍去了一个很小的尾数，结果发现，运行结果仅在开始时的一小段与原始结果偏差很小，之后偏差越来越大，直到最后得出了完全相反的结果。造成这一偏差的原因自然是稍微改动了一下初值。因此洛仑兹认定这组方程对初始值有高度的敏感性，他形象的比喻为“蝴蝶效应”。意思是说：一只蝴蝶煽动翅膀所引起的气流扰动可能会发展成一场“巨大风暴”，也可能会将一次原本应该产生的风暴消灭与无形之中。真可谓失之毫厘，差之千里。洛仑兹实际上证明了混沌的一个基本特征。
拉普拉斯的决定论观点在物理学中影响极为深远，即使出现了量子力学，出现了关于概率的自恰的诠释，仍有很多人没有放弃决定论的尝试。对于统计的解释长期以来就存在两种对立的说法，一种是把统计的必要性归结为自由度和方程数目太多，不可能列举出全部的初始条件，模型中存在一些次要的未考虑的因素（这些因素统称隐变量），（拉普拉斯非常推崇概率论，他认为未来人类的知识结构中一定是概率占了绝大部分，他本人也对概率论做出了突出贡献，他对概率的理解应该是属于这一类。）另一种观点强调，统计规律性是复杂系统规律性的后果，决不能将它还原为力学规律，物质运动和结构由低级到高级的发展是统计规律性的结果，决不应该来自力学描述中没有计入的次要因素（隐变量）。
近年来对非线性的研究，科学家们越来越倾向于第二种说法，尽管隐变量可能也起到了一些作用。在牛顿力学体系中，对系统大都进行线性化处理，忽略掉一些次要因素，线性处理对人们观念产生的一个重要影响就是，认为在很长时间内，未来都是可以预测的。近三十年来，随着各种观测手段的完善和计算技术的发展，许多非线性问题正在逐步解决，也展现出一些直接冲击传统观点的结果。
非线性科学有六个重要的研究领域：混沌、分形、模式形成、孤立子、元胞自动机和复杂系统，其中混沌和分形是前沿。从数学上，非线性系统不满足叠加原理，因此无法利用数学的傅里叶分析，至今非线性仍是数学谜题，绝大多数非线性问题无法有效解决。现实世界里，小至单摆，大至天体的天地万物都是非线性的，只是牛顿力学中进行了线性化处理（比如单摆，认为摆角很小）。叠加原理的失效直接导致了系统复杂性的产生。非线性的实质是事物之间的相互作用，若把一个系统分成N个子系统，若子系统间没有相互作用，则叠加原理有效，我们可以比较容易的描述（比如理想气体）。非线性的基本特点是产生多样性与多尺度性，混沌和分形只能在非线性系统中产生。现以混沌为例简要介绍。
混沌是非线性系统的最典型行为，它起源于非线性系统对初始条件的敏感依赖性（蝴蝶效应）。早在20世纪初，庞加莱就已在著名的三体问题中仔细研究过，他发现三体运动极为复杂，轨道的复杂性令人震惊，甚至都不想画出来。混沌现象的发现有两个重要意义，（1）：人们发现一个决定论系统的行为处于混沌状态时，似乎是完全随机的。仅这一点就迫使所有的实验科学家重新考察他们的数据，去研究数据的随机形究竟是隐变量引起的还是决定论的混沌现象。（2）：人们发现即使看上去很简单的系统（比如单摆、三体运动）也能产生混沌而表现得相当复杂。这一点启发我们，许多真实系统观察到的复杂行为，很可能只有一个简单的起源。混沌的出现导致了真实系统行为的不可预测性。这是因为，（1）：系统对初始条件有相当敏感的依赖性（2）：实际测量中我们只能得到存在误差的近似结果作为初始条件。但是一个决定论混沌系统，尽管看起来相当复杂，似乎完全随机，但是却蕴藏着规律与秩序，因此短期预报是可行的。复杂系统行为的短期预测已经成为混沌的一个重要应用。混沌的另一个重要应用是可以用微小的扰动对混沌系统进行控制，这一技术已成功应用于各种机械的、电子的、激光的、化学的系统和心脏组织的控制上。
混沌理论的成功开启了复杂性科学研究之门，它突破了人们的一个心理障碍：没有一个复杂系统会因为太复杂而不可触摸，人类已经到了直面复杂系统，攻克复杂性难题的时代。复杂性科学的研究论题极为广泛，包括人类语言、生命起源、计算机、演化生物学、经济学、心理学、生态学、免疫学、自旋玻璃、DNA、蜂群、地震、自组织等等。它使我们有理由相信，客观世界是非线性的，而产生现实世界迷人的复杂性的根本原因就是系统的非线性。有序与无序的相互影响，简单与复杂的重叠交错，构成了复杂的现实世界。同时我们更有理由相信，世界是统一的，服从简单的完美的统一的规律，甚至会有一个简单的起源。而在由简单到复杂构成复杂世界的过程中扮演重要角色的一定会有这位成员：非线性。
自从热力学第二定律建立起来后，就一直伴随着争论，一是热寂说，已经在大爆炸模型前破产了，一是与生物进化论的冲突。科学家们都很清楚，如果无法从物理的角度解释进化论，无法解释生命现象，就无法摆脱宗教与玄学的干扰与纠缠。现在，我们终于可以自豪的说，热力学与进化论并不矛盾，无序到有序的进化过程符合物理学的标准。这一切要感谢普里高京学派的工作……
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作者： 四维升天 2007-3-21 09:42 回复此发言
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之四：耗散结构
比利时布鲁塞尔学派领导人普里高京于1967年在第一届理论物理与生物学国际会议上发表了名为《结构、耗散和生命》的论文，正式提出了耗散结构理论。普里高京因此获得了诺贝尔奖。
耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经济的系统）处在远离平衡态的非线性区域，当系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡相变，其状态可能从原来的混乱无序的状态转变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新状态，这种新的有序结构（耗散结构）需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。
耗散结构有四个条件：（1）系统必须是开放的，（2）系统必须处于远离平衡态，（3）系统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落导致有序。
自然界的生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽多彩的生物世界。同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。孤立系统不能产生有序结构，因为根据热力学第二定律，孤立系统的熵是永不减少的。因此耗散结构一定产生于开放系统，必须存在由环境流向系统的负熵流，而且能够抵消掉系统自身的熵增，才能使系统的熵减小，有序度增加。玻尔兹曼原理虽对解释平衡结构是成功的，却无法用来说明非平衡的有序结构，对于平衡态系统各个微观组态是等概率出现的，对于生物体，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体按各种要求与层次组成的，在各层次上都表现出有序性，因此自组织现象（尤其是生命现象）只能在远离平衡态的条件下生存。因此普里高京认为，非平衡是有序之源。从系统内部组织的相互作用和动力学行为来看，能形成耗散结构的系统以及其演化过程所服从的动力学方程都是非线性的。在一些自组织现象如贝纳德流、激光、化学振荡的出现都是伴随着对称性破缺的突变现象，这些系统经历对称性破缺形成时空有序结构是自发进行的。涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的状态或轨道。对稳定系统来说，涨落是一种干扰，它引起系统的无序，这时系统有抗干扰能力，迫使涨落衰减，如果系统处在不稳定的临界状态，小的涨落不仅不会衰减，反而会被放大，驱动系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是耗散结构强调的“涨落导致有序”。
普里高京学派认为，自组织是这样形成的：首先是系统内部的功能（即系统内部所包含的非线性、自催化、反馈机制等），由于这种功能，当系统离开平衡时，其无序状态会失去稳定性，另一方面是时空或功能结构，当无序状态失稳时，系统的功能所容许的有序结构是稳定的，最后一方面是涨落，当无序状态失稳后，涨落扮演了扰动的角色，促使系统从无序状态跃迁到有序状态。
总之，所谓自组织过程是指系统内部具有一定功能的开放系统在远离平衡态时，因其无序状态的失稳，在系统内部涨落的驱动下转变为宏观尺度上稳定的时间、空间或功能结构的过程。形成的结构称作耗散结构，它必须在系统不断与外界交流物质、能量的条件下才能维持。自组织必定是由系统内部的功能而自发形成的，外界之提供一定的条件而不进行直接的干预与安排。
自然界的美、自然界的结构与和谐性不是上帝创造的，而是自组织的结果。在研究结构起源时有两种趋势，一是着眼个体，将万物分解为基本的单元，如将晶体分解为分子、原子、原子核、电子、中子、质子、夸克等，或将生物体分解为器官、组织、细胞、细胞膜、细胞核、分子、原子等，这种方法取得了巨大的成功。另一种趋势是强调事物的整体性，即亚里士多德强调的整体大于部分的总和，即研究系统各部分的联系与相互作用对整体的影响，这种方法正在迅速发展。
谈到这里，也许许多人会对世界的复杂性有了一定程度的认识，也似乎在告诉我们，任何宏观物质都是极为复杂的，那种在数学上的理想化方程与物理上的理想化模型一定会或多或少的与事实存在偏差。然而，实验再一次证明，理想化模型在现实世界里的确是存在的，而且一度成为科学前沿，经久不衰，并有几位研究者获得了诺贝尔奖……
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作者： 四维升天 2007-3-21 09:42 回复此发言
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之五：广义超流
1995年，在爱因斯坦理论预言玻色-爱因斯坦凝聚70年后，终于在有限空间关于铷、钠等中性原子气体实验中观察到气体的这种“凝聚现象”，这是轰动物理学界的一件大事，三位发现者获得了诺贝尔奖。玻色-爱因斯坦凝聚与广义超流存在密切的关系，截止2003年，因对广义超流（超导、液氦的超流等）的研究而获诺贝尔奖的物理学家竟有18位之多。
三维空间中的粒子分为两类：玻色子与费米子（美籍华人崔奇因发现二维电子气的分数量子霍尔效应获得了诺贝尔奖，这种电子既不是费米子也不是玻色子，目前称为任意子）。它们的本质不同是：费米子（电子、质子、中子、夸克等）受泡利不相容原理的制约，而玻色子（光子、氢原子、氦原子等）不受限制。偶数个费米子组成的系统是玻色子（比如氢、氦等），奇数个费米子组成的系统仍是费米子（比如氦的同位素氦3、氦电离掉一个电子后的氦离子等），周期表中约有四分之三的稳定同位素是玻色子。然而一般温度下（室温附近）热运动掩盖了它们的区别（两种粒子都近似表现为经典的波尔兹曼统计），要想得到玻色-爱因斯坦凝聚（几乎所有的粒子都分布在基态上）就必须降低温度。而就是这一“简单”的降温过程，却让所有的物理学家大吃一惊，它揭开了很久以来（或者说人类有史以来）自然界不为人知的一面，超导、超流等现象的出现，成了20世纪后半叶的热点之一。
荷兰科学家昂内斯将最后一种元素氦液化了，从而达到了人类从未达到过的低温，在研究低温下汞的电阻时发现，在4.2K附近，电阻突然消失了，这就是超导现象，昂内斯因为实现了氦的液化和发现超导体而获得了诺贝尔奖。直到目前为止，所有的精密仪器也没有测出超导体的电阻率，仅仅给出了一个上限：即使存在，也不大于10^(-25)Ω*m（比纯铜小一万万亿倍），有人将一个超导铅环感应出电流后，电流不需要电源，持续流动了三年多仍没有测出电流的变化。早期认为超导体仅仅是没有电阻的理想导体，并根据经典电磁理论得出了冻结磁通的概念，这种错误观点在没有实验验证下竟存在了22年，可以说阻碍了超导体的理论研究。直到1933年迈斯纳发现了超导体的另一个更基本的性质：完全抗磁性（是磁悬浮列车的理论依据），才对超导体的重要性有了更深刻的认识（迈斯纳因此获得了诺贝尔奖）。1957巴丁、库伯和施里弗给出了超导BCS理论（共同获得了诺贝尔奖，其中巴丁是唯一一位两次获诺贝尔物理学奖的科学家。），超导体载流子不是普通的电子，而是两个电子由于交换声子（量子化的晶格振动，属玻色子）形成了束缚电子对（库伯对），碰撞库伯对中的一个电子，它会将动量传递给另一个电子，从而保证整个体系动量守恒，能量没有损失。电子是费米子，但库伯电子对（因包含两个电子）是玻色子，因此降温导致的玻色子集体效应产生了正常态到超导态的相变过程。实验还发现了第二类超导体，存在部分量子化的冻结磁通，临界温度也高得多，BCS理论难以解释，目前存在很多其他理论来解释第二类超导体，但据我所知还很不系统。
由于超导体的无电阻性和完全抗磁性，使得它有广阔的应用前景。（1）：超到储能，一次储能可长期无损耗的保存，又可瞬间放出，可储能量高，体积小。（2）：超导磁体可提供人类从未达到过的强磁场，目前已有很多重要应用。（3）：在受控热核聚变反应中，可产生束缚等离子体的强磁场。（4）：磁流体发电机。（5）超导旋转电机。（6）：超导磁悬浮列车。（7）：超导电网。（8）：超导量子干涉仪（磁强计，可监测人体产生的心脑磁场等极为微弱的磁场）。（9）：超导重力仪。（10）：磁心脏仪。（11）：超导检流计。（12）：高频电磁辐射发生器。（13）：微波监测器和接受机。（14）：超导计算机（计划中）等。
与超导类似，人们又发现了液氦的超流动性，实验也无法测出它的粘滞系数，而仅仅给出了一个上限：不大于10^(-11)Pa*s，在2.17K时，氦可以不受任何阻碍的流动。朗道由于对物质凝聚、超流和超导的研究特别是液氦的研究获得了诺贝尔奖，较深入的分析要用到量子统计理论。氦的同位素氦3是费米子，它的化学性质与氦完全相同，但在超流方面却有巨大差异。氦3也有超流动性（发现者获得了诺贝尔奖）与超导电子类似，由于氦3间的各种相互作用导致费米原子配对，从而形成玻色子系统，低温下产生玻色-爱因斯坦凝聚，从而表现出不寻常的一些性质。天文上的中子星内部也是超流的，在其内壳区与外核区存在超流中子和超导质子。有人猜测星体内可能存在超子超流体，也有人认为人体和动物体内的条件下很细的毛细管内血液流动也是超流的（否则正常血液流不进去），也有人设想人体内的电流是超流的，虽然没有实验上确切的证明，却拓宽了科学家们的思路与研究范围。
一般气体降温都会凝结为液体和固体（氦没有固态），但在强磁场中，自旋极化的氢原子气体等，在分子数密度不大时，一直降温到接近0K仍保持气态。可以观察到分子间相互作用可忽略的气体的玻色-爱因斯坦凝聚，1996年，观察到凝聚了约五百万个钠原子的凝聚态。由于周期表中大部分是玻色子，若能在温度不太低时就能实现玻色-爱因斯坦凝聚，可能会发现尚不知晓的新的的物理现象，甚至可能会制造出室温超导体，其应用前景不可估量。
量子力学子建立以来，经受了最严格的考验，逐渐为物理学家所接受，并迅速渗透到经典物理的各个领域，体现出了强大的生命力，甚至在相当多的经典领域内起到了化腐朽为神奇的功效。古老的光学也在量子力学的感召下焕发出了新的活力，它使人们对光的认识更深了一步的同时，也给人类带来了一项改变世界的发明……
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作者： 四维升天 2007-3-21 09:43 回复此发言
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6 回复：【科普知识系列】
之六：激光原理
波尔早在研究氢原子的时侯就已经关于光与物质的相互作用提出了两个非常重要的概念：受激吸收与自发辐射。受激吸收即粒子吸收一个光子由低能级跃迁到高能级，自发辐射即高能级粒子不稳定，会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子。爱因斯坦于1917年提出了光与物质相互作用的第三种方式：受激辐射。即高能级粒子在一个外来光子的诱导下会跃迁到低能级，同时释放一个与诱导光子完全相同的光子，也就是实现了光放大。受激辐射理论为激光的出现奠定了理论基础（爱因斯坦由此导出了普朗克的黑体辐射公式）。
受激辐射的发现表明，当一束光射向介质时，有可能存在这样一种情况：它非但不会衰减，反而能诱导引发出新的光子，而且新的光子的频率、相位、偏振状态、传播方向等均与如射光束完全相同，也就是说光通过某种介质可以实现受激辐射的光放大。
由吸收与受激辐射的关系可得到粒子数反转、增益等概念。在一般的热平衡介质中，低能级上分布的粒子数占据了绝对优势，故一般情况下，光通过介质不会被放大，要想实现光放大，就必须设法使粒子大部分跃迁到高能级上，并能在高能级上滞留足够长的时间。也就是说，受激辐射必须大于受激吸收。当处于高能级的粒子多于低能级粒子时，称为粒子数反转（或粒子数布居反转），这是一种非平衡态，若仍用经典的玻尔兹曼平衡分布表达式，这种介质就必须用“负绝对温度”来描述了（因此有人通俗的将负温度说成比无穷大更高的温度）。
实现了粒子数反转的介质称为激活介质，光子在激活介质中传播，光强会随距离的增加指数增长。为了产生并维持介质的激活状态，就需要外界通过适当方式不断将低能级原子抽运到高能级（称为泵浦），比如：气体放电、闪光灯、化学反应、核能等（依靠加热是不可能的，可通俗的认为加热不可能将温度升高到比无穷大还高的温度）。
仅仅有了激活介质还不够，因为它会对所有方向的光都有放大作用，产生杂乱无章的输出。这就需要一个新的部件：光学谐振腔。一般它由一个全反射凹面镜和一个99%反射、1%透射的凹面镜组成，光在两面镜子间来回反射，并不断放大，只要谐振腔满足一定条件，就可以产生稳定的激光。也就是说，激活介质与光学谐振腔是产生激光的必要条件。
自从1960年梅曼演示了第一台红宝石激光器以来，激光器件得到了前所未有的发展。各种各样的激光器层出不穷。从与微波接壤的远红外激光一直延续到软X射线激光，以介质来分可分为：气体、液体、固体、等离子体、半导体、染料、自由电子、准分子等，从泵浦方式分可分为：电激励、化学反应激励、核能激励、光激励等，功率方面小到微瓦（用于光互联、光计算等）大到太瓦（用于激光核聚变），有连续输出，也有4fs的超短脉冲……
目前应用最广泛的气体激光器是He-Ne激光器，激光是Ne原子受激辐射产生的。可以产生632.8nm的激光，功率只有几个毫瓦到几十毫瓦，但它有很好的光谱特性，在精密测量方面具有重要应用。目前应用最广泛的激光器是半导体激光器，它是1962年由四个小组的科学家同时研制成功的，由于具有体积小、耗电少、电压低、效率高等优点而获得了广泛应用。又由于近年来半导体材料科学与技术、微电子科学与技术的成就，半导体激光器产量占了各类激光器的99%以上，又因为它具有寿命长、功率高、易调制、响应快等优点，在光通信、光存储、光计算等信息科学领域有广泛应用，一个新兴的光子学正在兴起并快速发展。
人们对电磁波的研究不仅加深了对物质运动规律的认识，也不断开发出一些改变世界的技术：对无线电的研究导致了广播、电视、远程通信的发展；对微波的开发导致了雷达、导航、射频加速器、波谱学、和物力、航天技术的发展；对X射线的研究使之很快应用到透视、探伤、晶体结构、集成电路光刻等方面，而激光的发明开发了一种由远红外到软X射线的强电磁波源，由此而发展的激光加工、激光通信等得到了广泛应用，毫不夸张的说，光是我们认识世界的最好工具。
量子力学为光学注入了新鲜血液，相对论自然也不示弱。相对论与光学的结合：又一个化腐朽为神奇的故事……
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作者： 四维升天 2007-3-21 09:43 回复此发言
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之七：同步辐射
一位天文学家在无意中发现了一个特殊的脉冲信号，这一信号以极为精确的时间间隔出现在记录仪器上，大约每隔几毫秒就会出现一个完全相同的信号。这令他兴奋不已，以为发现了外星人发出的信息。然而事实并不这么浪漫，据考证，这是一个射电脉冲星发出的同步辐射。脉冲星就是高速旋转的中子星，由于角动量守恒，恒星坍缩形成的中子星一般会高速旋转。因为表面存在极强的磁场，旋转会产生沿着切线方向的同步辐射，每转一周，会扫过地球一次，因此观测到的几毫秒的时间间隔就是脉冲星的自转周期。脉冲星也因此被誉为宇宙灯塔。
根据经典电磁理论，带电粒子有加速度就会辐射电磁波，电磁波的分布在与加速度垂直的方向上最多，且对称分布。美国劳伦斯发明了回旋加速器（因此获得了诺贝尔奖）不久，这种加速器的缺点就暴露无遗。由相对论可知，粒子质量会随速度增大而增大，接近光速时趋向无穷。因此回旋加速器只能将质子加速到几十MeV，有人因此发明了同步回旋加速器（同步辐射因此而得名），依据质量的增大规律设计电路使得频率与质量增大同步进行，保证粒子有稳定的轨道。应用这种方法将质子加速到了100GeV，似乎理论上可以将质子加速到任意高的能量，然而问题出现了。经典电磁理论认为在圆轨道上的带电粒子会在速度正向和反向对称的辐射电磁波，然而相对论表明，这只是低速近似，在接近光速时，粒子向正向辐射电磁波的能量趋向无穷大，而反向则侧趋向零。也就是说加速的粒子向前发射光子，由于反冲作用使之难以进一步加速。这种辐射就是同步辐射。粒子物理学家们为此伤透了脑筋，想尽了各种办法也没有解决这种他们眼中的“废能”，终于放弃了各种尝试而改建几十公里长的直线加速器。然而光学家们却忽然意识到，同步辐射是一种比激光还要好的新型光源。
与激光的显著不同是：它的发光原理是单纯依靠带电粒子的“拐弯”即加速来实现的，而且绝大部分辐射向着粒子运动的前方辐射。而激光的原理则是粒子在两能级间的受激辐射。由于同步加速其中的电子能量很高，它辐射的光子能量也很高，其频谱分布很宽，可以从红外到X光波段。过去的强光源都不能提供连续的光谱，而同步辐射在很宽的范围内都能提供各种波长的强光，其频率可以连续调节，使用非常方便。可在同步辐射光源上装上单色仪，进行连续扫描。
同步辐射主要沿轨道切向发射，光束很窄，可得到很高的光强。同时可以具有极高的功率与亮度，而且几乎100%是线偏振光，偏振方向在轨道平面内。由于同步辐射加速器的技术已经比较成熟，其稳定性非常好，做光学实验精度高、重复性好。
1970年以后，第一代同步辐射光源与高能物理实验共用（北京正负电子对撞机，一机两用）。1974年进入了第二代：专门为产生同步辐射而设计（合肥中科大）。20世纪80年代末，发展了第三代同步辐射光源，在环形管道内加一些扭摆磁铁，使其波段光强大大提高（上海，具体地点不清楚）。同步辐射光源在生物学中可进行生物大分子结构分析、活细胞三维成像等，在地学、材料学、医学、集成电路光刻、光学元件等方面的开发有重要应用。
近年来兴起了一种自由电子激光，具有激光的光学谐振腔，基本原理却与同步辐射相同，即利用扭摆磁铁使电子偏转，单纯利用电子“拐弯”来辐射光子。具有激光器与同步辐射的双重优点，因此被一些人称为第四代同步辐射（中科院高能所北京自由电子激光装置：BFEL），在国防、医学、固体物理、材料科学、生命科学、能源等领域有广泛应用。
我国在同步辐射方面的投入和成果，不会落后于世界上任何一个国家，相信这一领域前途是无限光明的。提到相对论，人们最先想到的应该就是那个改变世界的方程：E=Mc^2。在战争年代，我们的前辈见证了它可怕的力量：瞬间摧毁一座城市，死亡率50%。在倡导和平与发展的今天，它又会带给我们什么……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:44 回复此发言
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之八：应用核能
自从进入20世纪，能源的消耗量激增，特别是70年代爆发的“石油危机”更体现出人类对能源需求的这种日益紧迫的现状。我国也已由原油出口国变成了进口国，而且是目前唯一一个以原煤作为主要能源的国家。将煤、石油、天然气这些宝贵的不可再生的化工原料当作燃料燃烧掉，这本身就是一种潜在的巨大的资源浪费。因此，调整能源结构、寻找开发利用新能源迫在眉睫。
由质能方程可知，物质蕴含着巨大的静止能，通过核裂变与核聚变可以获得其中的一部分（一般小于1%），这部分能量是相应化学能的大约一百万倍。若能找到或制造出大量反物质，利用正反物质湮灭可得到几乎100%的静止能，然而寻找反物质前途渺茫，制造反物质又难以批量生产，因此对核能的利用目前比较现实的就是核裂变与核聚变。
最初实现的核反应是用加速器加速质子轰击原子核，由于库仑排斥，根本得不偿失，因此1937年，核物理之父卢瑟福逝世前曾说过，核物理只是纯粹的基础研究，很难有实际应用。但1939年发现用中子轰击铀核可引发裂变，并能放出2到3个中子，从而产生连锁反应。这开辟了释放核能的途径。1945年，爆炸了第一颗原子弹，1954年苏联建成了第一座核电站，到1995年底，全世界已有33个国家有核电站432座，总发电能力34.0347万MW，目前核电已占世界耗电量的17%左右，而立陶宛占76.37%，法国占75.29%，比利时占55.77%。由此可见，核能的发展是相当迅速的。核能之所以能有如此迅速的发展，除能量巨大外，还有运输方便、地区适应性强、储量丰富等优点。1千克铀=3000吨煤，而且其污染远远小于火电站。
天然铀有两种同位素：U238(占99.3%)和U235(占0.7%)。当中子能量很高时，U238只有很少一部分裂变，低能中子不能使U238裂变，而是被大量吸收。因此U238不能产生连锁反应。采用慢化剂使中子减速到热中子以使大量U235裂变的反应堆称热中子反应堆，简称热堆。我国自行设计建造的第一座核电站---秦山核电站已于1991年建成，发电功率30万kW，1993年从法国引进的两座90万kW的核电站（建于广东大亚湾）也开始运行。U238不能直接作为核燃料，中子能量减少时会被U238强烈吸收后变成U239，U239经过两次β-衰变变成Pu239,而Pu239是裂变物质，可以做核燃料，这就是目前比较热门的增值反应堆，顾名思义就是核燃料会越烧越多。我国是一个缺铀国家，因此很有必要发展增值反应堆。U235裂变一次约产生2.5个中子，维持裂变反应只需要一个，其余可让U238吸收，可使核燃料增值。
快中子反应堆是用快中子来产生裂变，需要高浓缩的铀，但可以使燃料增值，而且最重要的是，它可以使天然铀的利用率从1%到2%提高到60%到70%，因此快堆被誉为“明天的核电站锅炉”，即第二代反应堆。1989年11月，清华大学核能技术研究院设计建造了一座5MW低温核供热反应堆，是世界上第一座安全性能好的压力壳式低温核供热堆，另一座20万KW的低温核供热堆已由清华大学设计完成，并将在大庆油田兴建。
1升水=300升汽油，这就是核聚变的威力，而且核聚变是一种绿色能源，几乎没有任何污染。若能找到一种可控核聚变装置，可以说，能源将是取之不尽用之不竭的。目前世界各国都在核聚变方面有很多投入。
实现可控核聚变比较先进的方式目前有两种：超导托卡马克装置和激光惯性约束。超导托卡马克即用超导体产生强磁场，用来约束等离子体，使之不能与器壁碰撞。同时产生环形电流将等离子体加热到1亿度，并维持足够长的时间，即可释放出聚变能。激光惯性约束即将一个装有氘、氚的靶丸用功率密度很高（10^14到10^16W/cm^2）的激光束或离子从四面八方照射靶丸，表面迅速气化形成反冲力使靶丸中心物质被压缩到很高的密度，同时产生很高的温度，导致微型热核爆炸，释放聚变能。我国核物理学家王淦昌于1964年提出依靠激光实现惯性约束的思想，但当时激光器刚刚诞生，还没有实用价值。经过多年努力，现已取得了重大进展。目前世界各国都在可控核聚变方面展开了激烈的竞争，我国也已将惯性约束引入863高科技项目中进行研究，相信聚变能走进我们的生活已为期不远了。
将一头大象放大一倍，结果会怎样呢？我们来分析一下。假设密度不变，体积显然变成了原来的三次方，因此体重变成了原来的三次方，但腿的截面积却仅变成原来的平方，这样，大象的腿就不能支撑身体的重量，被引力“压扁了”。同样，身体的其它部位由于无法适应这种变化，会导致大象无法正常生存。在这个例子里我们似乎看到，物体的尺度似乎并不简单，将物体简单的放大或缩小，它不会“适应新的环境”，或者说可能就会表现出一些未知的性质而不会遵从我们的日常经验了。我们可以想象，将物体的尺度减小到几个纳米到几百纳米，也就是说组成物体的颗粒中包含数目不是很惊人的原子时，这时物体会有什么新的性质呢？又会有什么应用呢？了解它们对我们的生活又能产生什么影响呢……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:44 回复此发言
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之九：纳米科技
纳米材料即几何学尺寸为纳米（1nm=10^(-9)m）量级的微粒，或由这些微粒在一定条件下加压形成的固体材料，由于处于宏观与微观的交界处，量子效应导致纳米材料具有奇特的物理性质，因此成为20世纪80年代的研究热点，并成为21世纪材料科学研究与应用的一个新领域。纳米科技将是生命科学与信息科学等技术革命的的关键，由纳米电子学和纳米生物学结合产生的生物分子机器可在1秒钟内完成几十亿个动作，纳米级晶体管和存储芯片将成百万倍的提高计算机的速度和效率。纳米材料也已逐步渗透到生产生活的各个领域，可以说，纳米时代正在向我们走来。
由量子力学的波函数概率诠释，波函数的模与t时刻某点处找到粒子的概率成正比，这使得人们仅关心波函数的模，而长期忽略了它的相位。1959年，阿哈罗诺夫与玻姆提出了被称为A-B效应的理论，证明了电磁学中的磁矢势A也具有物理实在性，尽管A不出现在洛仑兹力公式中，不会改变电子的受力，却可以引起电子波函数的变化，公式中多了一项干涉项。从此以后，宏观量子效应被逐步发现，1981年，前苏联沙尔文父子在微米级尺度上观察到了电子的A-B效应。而克利青发现的量子霍尔效应与崔奇（美籍华人）等人发现的分数量子霍尔效应均获得了诺贝尔奖。量子力学与固体物理学的结合，形成了介观物理学，为纳米科技与纳米材料奠定了理论基础。
纳米微粒尺度很小，只有100到10000个原子左右，其中50%左右分布在表面，正是这一特殊结构，导致了它的一些特殊物理效应。（1）：小尺寸效应：由于纳米微粒比可见光波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质与普通材料不同，其吸光能力特别强，一般呈黑色。利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出有一定频宽的微波吸收纳米材料。（2）：界面效应：由于表面原子比例很大，因此有很大的比表面积，具有很高的活性，一些金属纳米粒子在空气中极易氧化，甚至会燃烧。（3）：量子尺寸效应：指粒子尺寸下降到极低值时，会产生明显的量子效应，导致纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏观材料明显不同。（4）：“库仑阻塞”：纳米金属颗粒或半导体量子点常被称为“库仑岛”。若一个库仑岛尺寸足够小，电容低于10^(-6)F时，一个库仑岛只能容纳一个电子，可以用来研制单电子器件。
纳米固体材料可利用激光等离子体技术进行高温气相合成，或用化学沉积法制得粉料，然后压制烧结成型。目前制备纳米晶体的方法是惰性气体沉积加上原位加压法，即将初始材料在1kPa的惰性气体中蒸发，原子与惰性气体碰撞后沉积在低温冷阱上形成粉末，在真空下压制成纳米晶体材料。1991年11月，日本科学家发现了一种不同于碳60的碳的新结构：纳米碳管。碳管直径约1到30纳米，长度可达一微米，可看成是由石墨片卷成圆筒状。纳米碳管有一些特殊的性质，且具有惊人的强度，其韧性比其他纤维高200倍以上，填充其他物质后的碳纳米管可能会用于制造超导精细电子线路，具有广泛的应用前景。
工程技术专家和科学家意识到一个重要问题：微电子器件尺寸能否可以不断缩小下去。现在我们知道，当器件尺寸小到纳米量级时，电子的波动性及能量的不连续性等量子效应凸显，器件就自然失去了它的设计功能，于是人们开始设计、开发和研制新型纳米器件，如量子干涉晶体管、单电子晶体管、单电子存储器、弹道传输器件、纳米光学器件等。纳米材料在微电子器件、磁记录、传感器等方面也有重要应用，有人尝试用纳米硅材料制作单电子隧道二极管（隧道二极管发明者日本科学家江奇获得了诺贝尔奖，这里指的是单电子隧道二极管），也有人尝试制作纳料硅基超晶格。信息时代要求记录材料有高的性能与高的记录密度，每条信息要记录在几个平方微米甚至更小的面积上，纳米微粒为这种高密度记录提供了有利条件。由于纳米微粒对环境如温度、光、湿度等十分敏感，因此可以制作灵敏度很高的传感器件。
纳米科技尽管发展了很多年，已经获得了巨大成功，但它仍是一门前沿学科，其前景依然诱人，我们完全有理由相信，21世纪的纳米科技会有更辉煌的成就。
一块普通的石头会不会发光呢（不包括反射光）？会。而且我们完全可以用仪器监测到，只是它发出的光我们看不到而已。也就是说，即使在伸手不见五指的深夜，我们依然生活在一个光的海洋里。而这种看不见的光又会有什么应用价值呢？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:45 回复此发言
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之十：红外光谱
1865年，麦克斯韦由电磁场理论预测到电磁波的存在，并且提出了光的电磁波说，这是人类认识论上的一次巨大飞跃，也为电磁波的应用奠定了理论基础，同时，对电磁波本性的深入研究最终导致了20世纪的两大支柱：量子论与相对论的诞生。1887年，赫兹首次用实验验证了电磁波的存在，以及证实了麦克斯韦的推测：光是一种电磁波。即电磁波与光波性质完全相同。此后，人们又进行了许多试验，不仅进一步证实了光的电磁波说，而且证明了陆续发现的X射线、γ射线等也是电磁波。所有电磁波本性完全相同，只是波长（或频率）有所差异。按波长（或频率）将电磁波排列成谱，组成了一个庞大的电磁波谱。大量实验表明，电磁波谱没有上限和下限，从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线到X射线、γ射线等都是电磁波。电磁波在各波段上都有极为广泛的应用，可见光只占电磁波谱中极为狭小的一段。原因是这一段是太阳辐射功率最大的一部分，生物选择这一小段作为可见光有利于进化，不同生物的可见光范围不同，对人来说是400nm到760nm。
红外线处于电磁波谱的0.76μm到600μm波段处，由黑体辐射定律可知，常温下所有物体都会辐射红外线。红外线可用于红外雷达、红外照相和夜视仪等，有显著的热效应。红外技术作为光电子技术的一部分，对研究计算机扫描与应用具有重要作用。根据红外辐射在地球大气层中的传输特性，通常分为近红外（0.75μm到3μm）、中红外（3μm到30μm）、远红外（30μm到1000μm）在全部电磁波谱中，红外辐射是最容易产生的：一切常温下的物体都是红外源。
当红外辐射照射物体时，若物体中存在两个间隔与红外光子能量相当的能级时，光子可能会被吸收，物质分子跃迁到高能级。若分子又跃迁回低能级，并放出光子，称此过程为散射。但在此之前有可能存在某种机制使它“退激”，即分子将能量以热能的形式转移出去，这就是红外吸收。宏观上就表现为红外辐射很强的热效应。大气中氮气、氧气等主要成分几乎不吸收红外线，而二氧化碳、水蒸气、臭氧、一氧化碳、氢氟酸等都有红外吸收带，使红外辐射在传播中衰减。实验表明，大气对0.3μm到2.5μm，3.2μm到4.8μm，8μm到73μm范围内对红外线几乎是透明的，通常称为大气窗口。大气中的二氧化碳对红外线的吸收会造成温室效应，导致全球变暖，海平面上升，淹没沿海城市，影响全球气候，已引起普遍关注。红外光具有与可见光一样的直线传播性质，还具有干涉、衍射、偏振、波粒二象性等一切电磁波都具有的性质。
根据红外辐射与物体的相互作用表现出的各种物理效应，可将看不见的红外线转化为可见光或其他可测量物理量，这就是红外探测。红外探测具有极为广泛的应用，可以利用红外技术制造各种类型的红外探测器、红外成像器件。红外技术最重要的应用之一实际上是在军事上，但由于本人对军事没兴趣，因此只提一句，有兴趣者可参考一些相关资料来了解。
20世纪60年代，在现代物理学、计算机技术、空间技术等的支持下，发展了一门综合性的探测技术：遥感技术。现代遥感技术在农业、地质、测绘、海洋、水文、气象、环境科学、资源调查（当然，还有军事）等方面有广泛应用。他是利用飞机、卫星等运载工具将传感器带到空中以至太空去接受和记录各种物体发射和反射的电磁波辐射，并对这些写信号进行图像处理、分析、识别和检测，自然，红外技术必不可少。为了掌握各种地球资源的光谱特性，美国曾于1969年对600多种岩石和矿物，1000多种土壤，大约3000多种植物和60多种水样进行和电磁波反射、吸收、辐射等特征的系统测定和分析，为地球资源的遥感探测建立了基础资料。红外光谱还是仪器分析中的重要分析手段之一，是测定分子结构，尤其测定有机物分子结构中更是大显身手，红外光谱、紫外光谱、核磁共振、质谱等被称为测定分子结构的四大谱。
在电磁波谱早期，研究热点是无线电波。现在无线电已走进了千家万户，我们每天都在接受广播、收看电视。近代物理主要研究对象之一是核物理，那么无线电与原子核又会有什么联系呢？它们的结合又会带给人类怎样的成果呢？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:45 回复此发言
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之十一：核磁共振
1946年，美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布，他们发现了核磁共振NMR。两人因此获得了1952年诺贝尔奖。核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场（处在无线电波波段）同时作用下，当满足一定条件时，会产生共振吸收现象。核磁共振很快成为一种探索、研究物质微观结构和性质的高新技术。目前，核磁共振已在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域中得到了广泛应用。
原子核由质子和中子组成，它们均存在固有磁矩。可通俗的理解为它们在磁场中的行为就像一根根小磁针。原子核在外加磁场作用下，核磁矩与磁场相互作用导致能级分裂，能级差与外加磁场强度成正比。如果再同时加一个与能级间隔相应的交变电磁场，就可以引起原子核的能级跃迁，产生核磁共振。可见，它的基本原理与原子的共振吸收现象类似。
早期核磁共振主要用于对核结构和性质的研究，如测量核磁矩、电四极距、及核自旋等，后来广泛应用于分子组成和结构分析，生物组织与活体组织分析，病理分析、医疗诊断、产品无损监测等方面。对于孤立的氢原子核（也就是质子），当磁场为1.4T时，共振频率为59.6MHz，相应的电磁波为波长5米的无线电波。但在化合物分子中，这个共振频率还与氢核所处的化学环境有关，处在不同化学环境中的氢核有不同的共振频率，称为化学位移。这是由核外电子云对磁场的屏蔽作用、诱导效应、共厄效应等原因引起的。同时由于分子间各原子的相互作用，还会产生自旋-耦合裂分。利用化学位移与裂分数目，就可以推测化合物尤其是有机物的分子结构。这就是核磁共振的波谱分析。20世纪70年代，脉冲傅里叶变换核磁共振仪出现了，它使C13谱的应用也日益增多。用核磁共振法进行材料成分和结构分析有精度高、对样品限制少、不破坏样品等优点。
最早的核磁共振成像实验是由1973年劳特伯发表的，并立刻引起了广泛重视，短短10年间就进入了临床应用阶段。作用在样品上有一稳定磁场和一个交变电磁场，去掉电磁场后，处在激发态的核可以跃迁到低能级，辐射出电磁波，同时可以在线圈中感应出电压信号，称为核磁共振信号。人体组织中由于存在大量水和碳氢化合物而含有大量的氢核，一般用氢核得到的信号比其他核大1000倍以上。正常组织与病变组织的电压信号不同，结合CT技术，即电子计算机断层扫描技术，可以得到人体组织的任意断面图像，尤其对软组织的病变诊断，更显示了它的优点，而且对病变部位非常敏感，图像也很清晰。
核磁共振成像研究中，一个前沿课题是对人脑的功能和高级思维活动进行研究的功能性核磁共振成像。人们对大脑组织已经很了解，但对大脑如何工作以及为何有如此高级的功能却知之甚少。美国贝尔实验室于1988年开始了这方面的研究，美国政府还将20世纪90年代确定为“脑的十年”。用核磁共振技术可以直接对生物活体进行观测，而且被测对象意识清醒，还具有无辐射损伤、成像速度快、时空分辨率高（可分别达到100μm和几十ms）、可检测多种核素、化学位移有选择性等优点。美国威斯康星医院已拍摄了数千张人脑工作时的实况图像，有望在不久的将来揭开人脑工作的奥秘。
若将核磁共振的频率变数增加到两个或多个，可以实现二维或多维核磁共振，从而获得比一维核磁共振更多的信息。目前核磁共振成像应用仅限于氢核，但从实际应用的需要，还要求可以对其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等进行核磁共振成像。C13已经进入实用阶段，但仍需要进一步扩大和深入。核磁共振与其他物理效应如穆斯堡尔效应（γ射线的无反冲共振吸收效应）、电子自旋共振等的结合可以获得更多有价值的信息，无论在理论上还是在实际应用中都有重要意义。核磁共振拥有广泛的应用前景，伴随着脉冲傅里叶技术已经取得了一次突破，使C13谱进入应用阶段，有理由相信，其它核的谱图进入应用阶段应为期不远。
自然界如果缺少了颜色，蔚蓝的天、洁白的云、火红的霞……那该是何等的憾事。因为有了颜色，所以世界如此美丽。那么颜色是什么？为什么物质会有不同的颜色？或者更确切的说，为什么我们能感受到不同的颜色？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:46 回复此发言
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十二：颜色之谜
牛顿用三棱镜把太阳光分成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫这七条光带，应该是人们对光的认识的最早的突破。后来的实验表明，可见光是庞大的电磁波谱中极为狭小的一段（400nm到760nm）。实际上，波长最长的红光与波长最短的紫光在人的感觉上又连接起来了，这就是通常所说的“红得发紫”。而且各种颜色间没有明显的界限，是连续变化的。研究表明，任何一种颜色都可以由三种颜色的光合称，这就是三原色理论。通常将光的三原色选择为红、绿、蓝三色，原因是它们差不多等量混合得到的是白光，而且合成其它常见颜色时，其系数在绝大多数情况下都是正值。理论上可以选择任意三种颜色作为原色。
色视觉与人眼的结构密切相关，可见光通过眼角膜进入眼睛后，经晶状体折射后在视网膜上成像。视网膜由杆状细胞和圆锥细胞组成，且分布不均。视网膜中心有一凹斑，称为黄斑，此处全是圆锥细胞，离黄斑越远，圆锥细胞比例越小。杆状细胞主要用来感光，其灵敏度约是圆锥细胞的500倍，而圆锥细胞主要产生色视觉，观察物体的颜色主要靠黄斑和其附近的圆锥细胞。有一种色视觉理论认为，圆锥细胞有三种类型，每种类型含一种色素，分别对应三种原色，对光进行选择吸收，通过神经将信息送到大脑，大脑将这些信息综合处理，得出对颜色的判断。据统计，约有5%的男性与0.8%的女性是各种不同程度的“色盲”（如红绿色盲、全色盲），他们很可能是缺少相应的一种或几种色素。
当然，仅有人眼和大脑的精致结构还不够，还要有外界刺激，也就是要考虑为什么不同的物体会有不同的颜色。这就需要光与原子相互作用的模型。绝大多数物体本身并不发光，它呈现的颜色是由投射到它上面的外来光被反射、透射、散射、吸收的结果。从量子观点看，散射是光子先被吸收，后被发射的两步过程。但是由于量子力学数学结构比较复杂，而且更关键的是对于一般的现象，经典的电磁理论，也就是洛仑兹的电子论就可以给出很好的近似。电子论认为，原子中的电子在外加电磁场的驱动下做受迫振动，当光的频率与原子固有频率接近时，就会产生共振现象，这就是共振吸收。显然，共振吸收频率与物质结构与组成有关。也就是说，不同的物质会对外来光的频率有选择的吸收，这样，共振吸收改变了散射光的频率组成，吸收较少的光就可以更多的进入人眼，从而产生色视觉。
再来考虑一个问题：为什么很多物体如石头、金属等都不透明，而有些如钻石、玻璃等物质是透明的？这也可以由洛仑兹电子论解释。电磁波谱中不同频率的电磁波没有本质的区别，计算表明，任何物体在电磁波谱中都有透明区，只不过玻璃等的透明区恰好落在可见光区罢了。对于绝缘体或半导体，有两个透明区：电磁波谱的低频区和高频区。玻璃对红外线是不透明的（塑料或玻璃大棚的温室效应原理），而橡皮在红外线下却是透明的，而在可见光区不透明。对于导体一般只有一个透明区：高频区。比如在X射线的照射下，金属通常都是透明的（X射线探伤原理）。这些性质除了取决于外加入射光的性质（频率、组成）外，只取决于介质自身的性质：折射率、消光系数和电导率（对于铁磁体一般还要考虑磁导率）。
1871年，英国科学家瑞利从经典电动力学证明，振荡偶极子散射电磁波的辐射强度与入射光的频率四次方成正比。蓝紫光频率约是红光的两倍，散射强度就是红光的16倍左右。瑞利据此解释了天空为什么是蓝色的这个问题。而海水为何是蓝色的这个问题是由印度的拉曼解决的，它并不是从前认为的天空的反射色，而是水分子固有电偶极距在红外线作用下极易振动，这一振动一直延伸到可见光的红橙光区，因此对红橙光也有一定的吸收，每15m深的水就使红光衰减1/4，因此海水也显蓝色。瑞利和拉曼均获得了诺贝尔奖。
色光是越拼越白的，但为什么颜料却越涂越黑呢？颜料的三原色等量混合为什么得到的是黑色呢？这个问题还是作为思考题留给读者吧。
100多年前的那场量子革命至今令人神往不已，因为那是属于年轻人的充满挑战的时代。它将我们从宏观世界带进了精彩的微观领域。那么我们又是如何一步步走进微观世界的呢？那么请记住19世纪末的三个年头：1895年、1896年、1897年。这三年的三个大发现揭开了微观世界的序幕，可以说，这是近代物理的真正源头……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:46 回复此发言
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十三：三大发现
原子论最终确立之后，人们自然会提出一个问题：尺度在0.1nm数量级范围的原子是否真的不可再分。直到19世纪末，才有了突破性进展：1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线；1896年，法国贝克勒尔发现了放射性；1897年，英国物理学家J.J汤姆孙发现了电子。
早在1858年，实验室中就已经出现了一种叫做阴极射线管的东西，在两端加上高压，就会在阴极上产生一种当时未知的射线，被称为是阴极射线。阴极射线管在实验室里默默的为人们工作了近40年，其间有许多物理学家让真理从鼻尖下溜走了，其中有位物理学家发现自己的阴极射线管旁边的胶片无故曝光了，于是认为胶片质量有问题，将厂家告上了法庭，他因此获得了大笔赔款，却与诺贝尔奖失之交臂。1895年11月8日的傍晚，伦琴用黑纸将放电管包起来，在暗室里进行实验，却发现远处的荧光屏有荧光放出。伦琴认为这绝不是阴极射线导致的，应该是一种未知的射线，由于当时对这种射线一无所知，因此他命名为X射线。接着他针对X射线作了一系列实验，于当年的12月28日发表论文，并公布了他妻子的手指骨的X光片。X射线立即引起了轰动，仅1896年一年内就有1000多篇相关论文发表，伦琴因此也获得了1900年第一届诺贝尔奖。
德国物理学家劳厄证明了X射线是波长比紫外线还短的电磁波，并作了晶体衍射实验，因此获得了诺贝尔奖，布拉格父子也因对X射线的研究获得了诺贝尔奖（小布拉格为最年轻的物理奖得主），此后沃森和克里克利用X射线晶体衍射技术确定了DNA分子的双螺旋结构，获得了诺贝尔生理学医学奖。但在当时，X射线的起源却成了一个谜，只有了解了原子内部结构和微观世界粒子的运动规律才能够解释X射线的起源，它促使人们去探索原子的内部结构。
X射线发现不久，法国的贝克勒尔很快想到，若荧光物质在强光照射下，是否在发出荧光的同时会发出X射线。于是他将一种荧光物质：钾铀酰硫酸盐晶体放在用黑纸包住的底片上，若能放出X射线则底片会感光。结果果然底片感光了。事隔一周，他想继续实验，但一连两天不见太阳，他认为未经强光照射的荧光物质经底片感光后最多只是微弱的影像，但恰恰相反，底片上出现了很深的感光黑影。他进一步作了一系列实验，发现这种射线并不是X射线，而是荧光物质中的铀特有的一种放出射线的性质，其他含铀化合物也有这种性质。他将这种性质称为放射性。
放射性的的发现立即引起了玛丽.居里的注意，1896年夏，她开始致力于放射性研究，很快她就于1898年发现了与铀的放射性强度相近的元素：钍。钍发现后，玛丽的丈夫皮埃尔.居里也参加进来，他们很快于1898年7月发现了放射性比铀强得多的元素：钋。1898年12月，居里夫妇宣布发现了放射性比铀强100万倍的元素：镭。镭的发现立即震惊了全世界，人们发现镭毫不疲倦的无休止的放射着惊人的能量，它的性质无法用任何当时已有的化学知识来解释，能量起源也成了放射性的一大谜团（直到1905年才由爱因斯坦找到答案），当时很多人不相信镭的存在，按照当时的传统观点，要证明镭是一种化学物质就必须测出镭的原子量，并在周期表中找到它相应的位置。居里夫妇又经过了4年之久的艰苦工作，终于从几吨矿渣中提炼出了0.12克氯化镭，测出了镭的原子量。1903年，居里夫妇和贝克勒尔获得了第三届诺贝尔奖。卢瑟福后来发现，各种放射性元素放出的射线可归结为三类：α射线、β射线、γ射线。放射性与X射线一样，有广泛的实际应用，目前美国医院中的药物有一半左右为放射性药物，放射性在医学、生命科学、工业生产、材料科学等领域中有不可替代的作用。
1897年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的J.J汤姆孙终于揭开了困扰物理学家近40年的阴极射线之谜。他的实验表明，阴极射线并不像一些人猜测的那样是电磁波，而是一种带电的粒子流，这种粒子的质量小于当时已知的最轻的氢原子的千分之一，汤姆孙将这种粒子命名为电子。他进一步证明了，电子是一切材料的组成成分。电子是第一个被发现的基本粒子，它的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。J.J汤姆孙培养了一大批优秀的研究生如：卢瑟福、威尔逊、巴克拉、G.P汤姆孙等，成为20世纪初的骨干力量之一，英国剑桥、德国歌廷根和丹麦的哥本哈根最终成为当时物理学家神往的三大圣地。值得一提的是：他证明了电子是粒子，而他的儿子G.P汤姆孙证明了电子是波，并且均获得了诺贝尔奖。
在前面的十几篇文章中，零零碎碎有意无意的穿插了一点量子力学的内容，但不太系统，因此我觉得有必要了解一下量子力学的基本公设，在下一篇文章中你也许会在量子力学公设中体会到量子的独特魅力和诡异的行为。
作者： 四维升天 2007-3-21 09:47 回复此发言
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14 回复：【科普知识系列】
十四：量子公设
第一公设--波函数公设：微观粒子的运动状态是由波函数（又名物质波）描述的，波函数的模方为粒子的概率密度函数。
1900年，普朗克首先由黑体辐射理论引入了谐振子的能级差公式：E=hν。1905年，爱因斯坦将此公式推广到电磁波，提出了光量子理论。1917年，爱因斯坦再次提出公式：p=h/λ，认为光子有动量。因此这两个公式称为普朗克-爱因斯坦关系。1923年，德布罗意提出了物质波假设，将这两个关系推广到任意粒子，揭示了微观世界的普遍规律：波粒二象性，第一次引入了物质波（也就是波函数）的概念。波恩进一步指出波函数的物理意义：波函数本身没有物理意义，而它的模方是粒子的概率密度函数，提出了波函数的概率诠释。
第二公设--算符公设：经典力学中的力学量对应量子力学中相应的算符，算符的本征值为力学量的测量值，量子化过程就是力学量的算符化过程，量子力学中的所有力学量算符的本征函数都有完备性。
1925年，海森伯、波恩和约当建立了矩阵力学形式的量子力学，海森伯建立了经典力学量与算符的对应关系，并建立了算符间的对易关系，提出了著名的海森伯不确定关系。即坐标算符与动量算符不对易。量子力学中有条定理：只有互相对易的算符才有共同的完备的本征函数系，它们才能被同时测量。
第三公设--测量公设：若系统波函数处在本征态（即系统的某个本征波函数），则测量的结果为系统的本征值，若系统波函数不处在本征态，则测量将导致波函数坍缩，即测量过程为了提取系统信息一定会对孤立系统产生某种影响，使系统的波函数以一定的概率向某个本征态跃迁。此过程是随机的、不可逆的、斩断相干的和非定域的。
1913年，波尔提出氢原子理论时，引入了定态、能级、跃迁等重要概念，矩阵力学与波动力学殊途同归后，由冯.诺伊曼将量子力学统一表达出来，发现波函数有两种行为方式：一种是未测量时的孤立系统遵从严格的因果律，俨然就是经典力学的波动方程；一种是为了提取系统信息而进行的测量过程，也就是波函数的坍缩过程，也就是量子跃迁过程。测量原理经过哥本哈根学派的讨论，融入哥派的正统诠释。可以通俗的理解为，未经测量的电子它表现得象波，但每次测量结果得到的总是一个电子，从没有发现半个的情况。波函数坍缩有大量的实验支持，尤其是90年代做的一系列关于原子双缝干涉的which way实验，以及证实量子芝诺效应的实验表明，波函数坍缩的确是真实的过程，测量决不是简单的信息提取过程，更是信息的制造过程，是一种真正的变革过程，测量方式的不同会得到系统不同的“未来”。
第四公设--演化公设：孤立系统在未经测量的过程中，波函数的演化规律遵从与经典力学能量动量关系相应的波动方程。
若了解了经典力学的能量动量关系，再加上普朗克-爱因斯坦关系就可以写出类似于光学中的波的色散关系，由色散关系立刻就能得到系统满足的波动方程，再加上定解条件就可以得到系统的波函数，而目前为止系统的一切信息都包含在波函数中。1925年，薛定鄂导出了与牛顿力学能量动量关系相应的波动方程，提供了一个应用极为广泛的近似方程。后来克莱茵和高登导出了与相对论能量动量关系相应的波动方程：KG方程，解决了自旋为0的粒子高速状态时的演化，狄拉克利用他超凡的数学才能引入了旋量结构，导出了另一个与相对论能量动量关系相应的波动方程：狄拉克方程，解决了自旋为1/2的粒子的演化。
第五公设--全同公设：全同粒子不可区分。（或者说：全同粒子体系的波函数对于玻色子是交换对称的，对于费米子是交换反对称的）
全同公设的处境类似于历史上几何学的第五公设，没有人怀疑它的正确性，因为有相当多的实验证实，但是它作为公设的独立性却有些人表示怀疑，但至少目前为止，它还是个公设。泡利在研究氦原子光谱时提出了著名的泡利不相容原理：原子中的任意两个电子不能处在相同的量子态上。这是有划时代意义的，在此原理基础上，立刻就可以得到元素周期律。而且揭示了一个普遍规律：全同粒子不可区分。由于微观粒子没有轨道的概念，由系统波函数无法区分系统中的全同粒子。泡利又根据全同粒子不可区分性、相对论和量子因果律导出了著名的泡利定理：全同玻色子体系的波函数是交换对称的，满足玻色-爱因斯坦统计；全同费米子体系的波函数是交换反对称的，服从费米-狄拉克统计（或泡利不相容原理）。第一次揭示了自旋与统计之间的深刻联系。
下面我们回到发现电子的时代，也就是1897年。在此之前，化学与物理彼此独立，作为整个化学基础的元素周期表就如同一个空中楼阁一般，化学家们担心这座大厦可能会随着某个实验的诞生而轰然倒塌，化学家们辛苦了几个世纪的劳动成果很可能如热质说一般不堪一击。门捷列夫刚提出周期表时，甚至有著名的化学家嘲讽他说，将元素按照英文首字母排列也可能会出现某种规律性。电子的发现指引人们，原子是有内部结构的，周期律之谜很可能与原子结构有关，也就是说，揭开了原子结构之谜，也就有可能揭开元素周期律之谜，整个化学就有了坚实的物理基础，与物理风雨同舟，再也不怕风吹雨打了。J.J汤姆孙和他的学生们以及学生的学生们还有学生的学生的学生们抢得了先机，而且一路领先，争先恐后的在物理学这一舞台上展示才华与激情，20世纪前半叶的诺贝尔奖似乎是专为这支人马设立的……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:48 回复此发言
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之十五：原子结构
众所周知，电子是带负电的，显然，原子中应该存在带正电的物质，汤姆孙提出了一种“葡萄干布丁模型”，他假设原子的正电荷均匀分布在整个原子球体内，而电子是镶嵌在其中的，为了能够解释元素周期表，他进一步假定电子分布在一些同心圆上，每个环上存在有限个电子。这一模型不久就被他的学生卢瑟福推翻了。在当时，X射线与放射性刚发现不久，是当时研究的热点。卢瑟福在X射线与放射性方面做出过许多突出贡献，尤其是他发现了放射性射线的三种成分：α射线，β射线，γ射线，而且证明了α射线就是氦离子。
卢瑟福利用镭放射出的高能α粒子作炮弹轰击各种原子，通过测量出射的α粒子的角分布来研究α粒子与物质的相互作用。1909年，他的学生盖革和马斯顿等在实验中发现有约八千分之一的粒子被反射回来。这一实验直接否定了汤姆孙的葡萄干模型，通过严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的有核模型。他认为原子几乎所有的质量和全部电荷都集中在一个非常小的体积内，称作原子核，电子在核外绕核运动。为了证明这一理论，他们又经过了无数的反复实验，最后以严格的、确凿的实验结果证实了散射理论与有核模型。
卢瑟福的学生中有十几位诺贝尔奖获得者，著名的有玻尔、查德威克、科克罗夫特、卡皮察、哈恩等，原子核发现后，卢瑟福于1919年利用α射线轰击氮原子核，在人类历史上首次实现了“炼金术”，第一次实现了核反应。从此元素在也不是永恒不变的东西了。卢瑟福通过一系列核反应发现了质子也就是氢离子是一切原子核的组成成分，并预言了中子，中子后来由他的学生查德威克发现，并且最终确立了以质子和中子为基础的原子核结构模型。泡利不相容原理建立之后，元素周期律也得到了解释。卢瑟福后来被称为核物理之父。当然，就在英国轰轰烈烈的时候，不要忘记法国的居里夫妇，因为卢瑟福一系列发现所需要的原子炮弹就是放射性元素（尤其是镭）放出的α粒子。此时的法国成立了居里实验室，居里因车祸丧生，玛丽因在放射性方面的成就再获诺贝尔化学奖，有名著《放射性通论》传世，居里实验室后由小居里夫妇：约里奥.居里和伊莱娜.居里主持，同样人才济济，与三大圣地相比也毫不逊色。小居里夫妇运气差了一点，发现中子被查德威克抢了先，发现正电子被安德森抢了先，发现核裂变被哈恩抢了先，机遇稍纵即逝。不过最后终于因为人工放射性的发现而获得了诺贝尔奖。如今放射性同位素已经达到了几千种，绝大多数都是人工产生的，这要归功于小居里夫妇。
有核模型在实验上取得了成功，但与当时的基础理论存在严重的冲突。按经典电动力学，由于电子作圆周运动，一定会辐射电磁波，由于损失了能量，会在1ns时间内落入原子核，同时发射连续光谱。也就是说，理论上根本就不可能存在原子这种东西。但是原子的确存在，而且是稳定的，发射线状光谱，有大量的实验事实和整个化学的支持。1911年，一个26岁的丹麦年轻人来到剑桥，随后转到曼彻斯特的卢瑟福实验室，从而了解到了原子核这一惊人发现。最终，他找到了有核模型的一个根本性的修正方法，既能说明原子的稳定性，又可以计算原子的半径。他就是与爱因斯坦齐名的尼尔斯.玻尔。
1885年，瑞士的一位数学教师巴尔末发现了氢原子可见光谱的一个经验公式，后由瑞典物理学家里德伯推广为里德伯公式。1900年，德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念，解释了黑体辐射谱。1905年，爱因斯坦提出了光量子概念。这些结论给玻尔很大的启发。在这些启示下，玻尔于1913年将量子化的概念用到原子模型中，提出了玻尔的氢原子模型。这一模型的关键是玻尔引入的三个假设。定态假设：电子只能在一些分立的轨道上运动，而且不会辐射电磁波。频率条件假设：能级差与原子吸收（或放出）的光子能量相同。角动量量子化假设：电子的角动量是约花普朗克常数的整数倍。通过一系列推导，氢光谱之谜逐渐浮出水面，取得了巨大成功。玻尔因此荣获1922年诺贝尔奖。尽管玻尔模型现在看来是比较粗糙的，但它的意义并不在于模型本身，而在于建立模型时引入的概念：定态、能级、跃迁等。玻尔引入了对应原理，协调了氢原子模型与经典力学间的冲突。玻尔成功后，拒绝了导师卢瑟福的邀请，回到祖国，并在哥本哈根成立了研究所（后改名为玻尔研究所），玻尔研究所吸引了一大批来自世界各地的优秀青年物理学家，其中就包括量子论的创始人海森伯、泡利和狄拉克，形成了浓郁的学术气氛，此时的哥本哈根开始了对基本物理规律的探索。
直到现在，物理学仍然大体可以分为两派，一派是以爱因斯坦为代表的经典物理学派，成员大致有普朗克、德布罗意、薛定鄂等；一派是以玻尔为首的哥本哈根学派，成员大致有波恩、海森伯、泡利、狄拉克等。自然，这场争论还没有结果。那么即玻尔氢原子之后，物理学又发生了什么变化？两位科学巨人争论的焦点又是什么？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:48 回复此发言
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16 回复：【科普知识系列】
十六：殊途同归
许多人都觉得1900年普朗克发现能量量子化是量子力学的开端，实际上，这只是个起点，量子力学真正创立于1925年，比广义相对论晚了整整10年。1925年，海森伯和泡利依据原子的离散能级，通过改造经典力学建立了一种全新的矩阵力学，其中最著名的莫过于海森伯的不确定关系，粒子的坐标和动量不能被同时测量准确。几乎与此同时，奥地利的薛定鄂找到了德布罗意提到的波函数所服从的一个波动方程，建立了波动力学。表面看来，它们毫无关系，甚至风牛马不相及，但是他们通过计算得到的所有结论居然完全一致，并且与实验结果也非常符合。不久，海森伯、薛定鄂、泡利等人相继证明了两种理论居然是完全等价的，只不过是同一个物理规律的两种数学描述。狄拉克和冯.诺伊曼又对量子力学的数学结构作了许多调整，使得量子力学两种描述完全统一起来。因此有人感叹，殊途同归。
量子力学最深刻的最基础的内容是什么？哥派会说不确定原理（或由此引申出的互补原理）；经典学派会说波粒二象性。实际上，它们也是等价的。德布罗意不愧是学历史出身，通过科学史居然挖出了一个最大的宝藏：物质的波粒二象性。当时（1924年）爱因斯坦的光量子理论已经诞生了19年，尽管有光电效应等实验作为理论基础，但是光的波粒二象性仍然让许多人将信将疑。而德布罗意却做得干净彻底：既然光有波粒二象性，电子为什么不能有？如果电子有波粒二象性，一切物质是否都有？能量量子化以及原子的轨道角动量量子化都引入了整数，而当时整个物理学界其他领域中引入整数的只有波的简正振动。通过类比，他推广了普朗克-爱因斯坦关系，提出了波函数假设。戴维森、革末和G.P汤姆孙分别用实验完全证实了电子的普朗克-爱因斯坦关系。由波粒二象性可知，粒子确定的动量对应一种单色波。然而世上有单色波吗？完全可以肯定的说：没有。在已知的任何领域，即使原子光谱中也没有发现过绝对的单色光，总有一定的频率宽度。与之相对应的是，自然界中的粒子在有限空间中永远没有确定的动量，总有一定的动量不确定度。通过数学中的史瓦兹不等式利用波粒二象性可以导出海森伯的不确定关系。又一个殊途同归。
值得一提的是，虽然波函数现在可以描述系统的全部信息，但是能够用来提供系统所有信息的数学工具却并非波函数一种。格林函数也是可以包含系统全部信息的一种工具。费曼提出了第三种量子化方案，即路径积分方案。费曼路径积分中的传播函数就与格林函数只差一个常数。费曼曾夸口，没有人提出的量子化方案会比他的路径积分还要简洁明了。在此之前，量子力学在求解有电磁场的问题时，用的是正则量子化方案，即将公式中的机械动量替换为正则动量，然后将力学量算符化。在量子电动力学中曾经遇到过发散困难，哈佛大学的施温格发明了重整化理论，消除了无穷的困扰，但他的论文据说有上百页。费曼将路径积分应用到量子电动力学中，代替了正则量子化。当时费曼还不懂重整化，施温格也不懂路径积分，但是他们对照各自的笔记，发现相应的运算结果居然完全相同。量子论中真是有太多的殊途同归了。
求解波动方程，对大多数物理学家来说基本都是小菜。这样，氢原子解出来了，谐振子解出来了，各式各样的量子效应都解出来了，大量的验证实验都证实了它的正确性，大量改变世界的新技术因此而诞生……似乎物理学的天又晴了，然而似乎还有一个问题。加上似乎两个字是因为这个问题对哥本哈根学派来说已经不是问题了，而对经典物理学派尤其是爱因斯坦来说，这个问题当然不能让人用两个字给糊弄过去。这个问题就是：波函数是什么？
哥派认为，波函数本身没有意义，它的模方是粒子出现的概率密度函数。尤其诡异的是，在未测量时，波函数服从严格的因果律；而测量时，仪器将不可避免的对系统产生作用才能提取（甚至是制造）信息。系统与仪器发生相互作用导致波函数坍缩，即以一定的概率向某个本征态跃迁过去。
经典学派不否认波函数坍缩，他们或认为粒子是波场中的奇性点，波场才是真正的物理实在；或是寻找可能遗漏的隐变量；或是试图将量子力学建立在热力学的系综原理基础上；总之，他们的目的是寻找波函数坍缩的细节。他们认为，没有关于波函数坍缩细节描述的量子论至少是不完备的。他们试图通过找到这种过程的细节描述来从理论上彻底消除概率，还回一个因果律支配的世界。
哥派认为经典学派完全是白费力气，他们的方向走错了。测量过程中，仪器与系统的作用根本无法截然分开，即使是最微弱的测量，想要得到系统信息也一定会改变系统的状态，而正是这一点导致了不确定关系，因此这种相互作用是无法描述的，世界的本源就是概率，量子跃迁没有细节，是一个最基本的过程。
许多人接受了哥派这一解释，因为至少它与实验精确相符，而且不用花大力气去探讨波函数坍缩，更重要的是，直到目前为止，至少从实验方面，量子力学是完备的，还没有发现量子力学无法解释的实验现象。但是显然，爱因斯坦没有理会玻尔那一套，他那句经典名言：上帝不会掷骰子成为经典学派的精神支柱。玻尔的反驳同样成为经典名言：不用你告诉上帝该做什么。
波函数坍缩，两种截然不同的观点。决定论与概率论似乎不可逾越的峡谷之间，是否会在云雾深处存在一座桥梁？是否又是一次历史性的殊途同归？
薛定鄂方程唯一不尽如人意的地方是它不满足相对论的要求。美国的劳伦斯发明回旋加速器后，经过不断改进，使人类进入了粒子的高能领域。空前绝后，种类繁多的“基本粒子”的出现让物理学家们眼花缭乱。薛定鄂方程对新粒子的产生却根本无法解释。这时候，人们想到了相对论……
欲知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:49 回复此发言
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17 回复：【科普知识系列】
十七：演化规律
薛定鄂方程解释了原子发射光谱相当多的谱线，而且能够预言谱线宽度等实验事实，因此远比玻尔氢原子模型要精巧的多。而且以薛定谔方程为基础连里的量子力学在物理学的各个领域都大显神通，每一项以量子为基础的新技术的提出几乎都会改变世界的面貌。然而还有很多谱线薛定谔方程无法解释。比如钠黄光的谱线应该是一条波长为589.3nm的谱线，但实验给出的却是589.0nm和589.6nm的两条靠得很近的双线。为了说明这种双线结构，乌愣贝克和古德史密斯特于1925年提出电子自旋的概念，电子在磁场中的行为就像一根小磁针。自旋概念作为一个相当重要的概念被保留下来，但是认为它起源于电子自转的假设立即被否定了，因为要使电子产生实验观测到的磁矩，电子自转速度将远远超过光速。自旋作为一个外来的东西结合薛定鄂方程即可解释几乎所有的光谱。当时狭义相对论已经提出20多年，为当时研究的热点，可惜的是薛定谔方程不满足相对性原理。
薛定谔早年提出过一个后来被称为KG（克莱因和高登）方程的波动方程，它是满足相对性原理的，只可惜由于没有考虑电子自旋，无法得到与实验相符的结果。KG方程还有其它的一些困难，比如负能量困难、负概率困难等。后来泡利发现，只有把KG方程解释为场方程，将波函数再一次算符化（二次量子化）才能避免负概率困难，但负能困难仍然存在。后来发现反粒子之后被认为是沿着时间轴反方向运动的粒子，这样负能困难也得到了解决。KG方程后来成为描述自旋为0的粒子演化规律的有效工具。而且与相对论类似，在速度远小于光速时，KG方程近似的等价于薛定谔方程。然而对于电子为什么有自旋这一额外的自由度，KG方程仍无法了解。狄拉克给电子找到了一个波动方程——狄拉克方程。它同样满足相对性原理，只是这个方程是一个“数学怪物”，它是一个四分量的旋量方程。通过数学推导和角动量守恒这一普遍规律，很自然的得到了电子自旋的概念。相对论量子力学终于摆脱了人为引入自旋的尴尬境地，电子自旋原来是一种总角动量守恒下的相对论效应。四分量旋量方程中，有两个分量是描述电子的，余下的两个量似乎毫无意义。狄拉克敏感的意识到，另外两个似乎没有意义的分量描述的是带正电荷的电子，也就是电子的反粒子。正电子预言不久后就被安德森发现。狄拉克利用这个方程得到了氢原子的严格解，与实验惊人的相符，并证明了电子自旋g因子是2。狄拉克方程是自旋为1/2的粒子的波动方程，并不是只有电子才适用。狄拉克方程没有负概率困难，但仍然存在负能困难。负能困难是相对论量子力学的普遍性质。为了避免这一困难，狄拉克起初提出了真空负能电子海的概念，在泡利原理的协调下避免了这一困难，但是对于KG方程同样存在负能困难，而且由于KG方程描述的是玻色子，无法引入负能海的概念。因此，有一些科学家人为狄拉克的负能海已经完成了它的历史使命，狄拉克方程的负能困难还是应该像KG方程那样用沿着时间轴反向运动的粒子来解释。
20多年后，实验物理学家终于找到了狄拉克方程无法解释的实验：电子反常磁矩和兰姆移位。这并不是说相对论的基础——相对性原理错了，而是我们将库仑场想象的太简单了。在这两个实验的基础上建立了更精确的（也可以说是目前为止最精确的）理论：量子电动力学。该理论指出，电子与核的库仑力是由于电子与核交换虚光子实现的。虚光子在传播过程中产生虚的正负电子对，电子对再湮灭为虚光子，此过程称为真空极化。真空极化的屏蔽作用导致了兰姆移位。电子运动中会发出虚光子，然后再吸收它，表现为电子与它自身的电磁场发生相互作用，从而改变电子的固有磁矩。实验观测到的g因此并不是狄拉克方程预言的2，而是2.002319304376（8），与2的相对偏差为0.001159652188（4）。量子电动力学预言的相对偏差为：0.001159652133（29）。物理学家们以此为基础又建立了相对论量子场论。
人们在宇宙线、加速器、对撞机中发现了种类繁多的“基本粒子”，尤其是对撞机中，新粒子总是在高能对撞中产生。这是薛定谔方程无法解释的。在粒子数表象中，有两个很重要的算符：产生算符和湮灭算符。在薛定谔方程中这两个量总是成对出现的，即粒子在一个能级上湮灭后在另一个能级上产生，粒子数是守恒的，不会产生新的粒子。而通过求解狄拉克方程或KG方程可知，若有足够的能量，可以形成正负粒子对。比如，能量大于两倍电子静止能的光子可能会在重原子核附近形成正负电子对（之所以要在重原子核附近是要保证整个体系的能量动量守恒，因为按守恒律的要求，孤立的光子即使能量再高也不会转化为其它粒子）。早在安德森发现正电子之前，我国物理学家赵忠尧就已经通过高能γ射线与铅的相互作用观测到这一过程，但是由于当时的一些混乱和几个干扰实验，赵忠尧错失了发现正电子的机会，也与诺贝尔奖失之交臂。按量子场论的观点，真空是一切粒子的基态。若在小范围内存在足够的能量，则可能会激发出各种各样可能存在的粒子。
本节我们提到在对撞机中发现了种类繁多的“基本粒子”，我们自然会问，这些粒子真的是基本的吗？当我们发现了越来越多的元素，并发现了元素周期律后，会很自然的问一句：原子真的不可再分吗？同样，我们完全有理由追问一句：“基本粒子”真的不可再分了吗……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:49 回复此发言
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18 回复：【科普知识系列】
十八：粒子分类
电子、质子和中子相继被发现后，物理学家们又发现了许多“基本粒子”，这其中包括中微子、正电子、μ子、π介子、Κ介子、∧超子等。比较稳定的（寿命长于10^(-16)s）“基本粒子”共有30多种，再加上寿命很短的（小于10^(-20)s）共振态粒子,“基本粒子”家族已经有400多位成员了。为便于分析，将“基本粒子”分为强子、轻子、媒介子三大类。
轻子共有6种，加上各自的反粒子共12种。它们都是费米子，不参与强相互作用，包括电子、μ子、τ子和各自对应的中微子（电子型中微子、μ子型中微子、τ子型中微子）。目前的理论和实验都表明，轻子没有内部结构，是基本粒子。电子是原子的组成部分，是第一个被发现的基本粒子，μ子又叫重电子，它的质量是电子的207倍，会很快的衰变（2.2*10^(-6)s）为电子和中微子，最早由安德森和内德梅厄从宇宙线中发现。τ子又称超重电子，其质量比质子还大，这三种轻子在参与弱相互作用时会伴随着中微子。中微子在自然界中只有左旋形式，反中微子只有右旋形式，因此在有中微子参与的任何弱相互作用中，宇称守恒定律都会被破坏。李政道和杨振宁因此而获得了诺贝尔物理学奖。1998年的实验以99.99%的统计置信度证明了中微子有静止质量。
强子又分为介子和重子两类，是一个相当庞大的家族。介子是强子中的玻色子，1935年，汤川秀树理论预言了一种传递核力的粒子，于1947年被发现，并命名为π介子。π介子与原子核有强烈的相互作用，π0介子质量是电子质量的264倍，π±介子是电子质量的273倍。π介子一般衰变为光子。Κ介子有两种衰变方式，一种是衰变为π±介子两个粒子，一种是衰变为π±介子和π0介子三个粒子，由这两种衰变方式可知，Κ介子的衰变过程宇称是不守恒的。重子是强子中的费米子，包括两种我们最熟悉的粒子：质子、中子，它们统称核子。此外还有∑超子、∧超子、Ξ超子、Ω超子等。除了质子和核内的中子外，其他粒子都会很快衰变（自由中子平均寿命为930s）。
媒介子都是玻色子。其中，传递电磁相互作用的是光子，传递弱相互作用的是Ζ粒子和W±粒子。传递强相互作用的是8种胶子，理论预言的传递引力相互作用的是引力子（引力子尚未在实验中被发现）。
大量资料和实验表明，强子是有内部结构的。盖尔曼提出了强子的夸克模型。他认为强子都是由带分数电荷的三种夸克（和相应的反夸克）组成的，为使其符合泡利原理，引进了一个新的自由度，称为“色”。每种夸克都有红、绿、蓝三色。夸克模型成功的解释了大量强子的结构。但是1974年，丁肇中等人发现的J粒子（文献上称之为J/ψ粒子），它不是由已知的三种夸克组成的，因此引入了第四种夸克：粲夸克。丁肇中因此而获得了诺贝尔物理学奖。夸克理论又进一步预言，夸克应该有6种（上、下、奇、粲、低、顶），低夸克和顶夸克后来均被实验证实。夸克模型将庞大的强子家族收归自己旗下，随着越来越多的实验证实夸克的存在，强子不再被认为是基本粒子了。同时人们开始更多的关心夸克的行为。实验方面发现了夸克的两个重要性质，一个是夸克禁闭，一个是渐近自由。夸克禁闭是指在目前所有的实验中都没有观测到自由夸克，夸克似乎永远被关在强子内部；渐近自由是夸克的另一重要性质，即夸克间距离非常接近时，它们之间就几乎没有相互作用了。杨振宁和米尔斯提出规范场论后，杨振宁就一直试图用规范场来描述强相互作用。在此之前，夸克理论还一直是唯象理论，物理学间们提出了各种各样的“口袋”模型用来理解夸克行为。规范场描述的夸克是禁闭的，名不见经传的特.胡夫证明了规范场描述的夸克是渐进自由的。温伯格、萨拉姆、格拉肖曾用规范场统一了电磁相互作用和弱相互作用，如今强相互作用也可用规范场来描述。相信用规范场来统一电、弱、强相互作用已为期不远。如今越来越多的科学家开始相信，引力场很可能也是一种规范场。
现在我们来清点一下本文提到的基本粒子名单：6种轻子加上各自的反粒子共12种轻子；6种夸克每种有三色，再加上各自的反粒子共36种夸克；已证实的媒介子为光子、Ζ粒子、W±粒子、8种胶子共12种媒介子；也就是说已经被实验证实的基本粒子共有60种。如果未发现的引力子也算一种则总共是61种。
是不是理论预言的基本粒子（除引力子外）都被发现了呢？没有。目前最新的理论共预言了62种基本粒子。那么这个本文从未提到过的幽灵粒子究竟是什么呢？它有什么性质？它在整个基础理论中又处在什么位置？是主角还是配角？抑或只是一个没有多少作用的可有可无的过客？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:49 回复此发言
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19 回复：【科普知识系列】
十九：幽灵粒子
牛顿应用他的定律为物质定义了一个基本属性：质量。然而，质量是什么？质量的起源又是什么？如今大多数的粒子物理学家的观点是：根据粒子物理的标准模型， 是一种叫做“希格斯玻色子”的粒 子导致了质量的产生。这种神秘的粒子又被冠称为“上帝的粒子”，科学家 给希格斯粒子冠以如此神圣的 名字，原因很简单，只是为了衬托它的重要性。假如希格斯玻色子存在， 那么科学家就可以回答为什么物体会有质量 的问题。此外，希格斯玻色子的发现也可能会动摇整个物理学的根基。有很多科学家认为，“新物理”时代可能即将来临，而西格斯粒子就是它的突破口。一旦验证了西格斯粒子的存在，物质质量起源之谜就会被彻底揭开，有了西格斯粒子的加入，标准模型就取得了相当大的成功。如今的粒子物理学家们梦寐以求的就是验证西格斯粒子的存在。
1995 年 3 月 2 日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，粒子物理学标准模型所预言的 61 个基本粒子中的 60 个都已经得到了实验数据的支持与验证。但是仍然有一个粒子，仍然游离在实验之外，它就是希格斯粒子，而且正是这个粒子有可能会击毁整座基础物理学大厦。基本粒子可以分为两大类：费米子和玻色子费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理的粒子；玻色子则不遵从泡利原理。基本粒子的标准模型是一套描述电、弱、强相互作用的基本粒子的理论，它是基于杨振宁-米尔斯的非阿贝尔规范场论构造出来的，属于量子场论的范畴。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合二为一。这些理论都基于规范场论，把费米子跟玻色子配对起来，费米子负责构成物质的骨架，而玻色子负责传递相互作用。标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的 W 及 Z 玻色子；负责传递强核力的 8 种胶子。
希格斯子也是一种玻色子，然而它与传递相互作用的规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。在西格斯粒子未提出之前，杨 - 米尔斯规范场论无法应用到强、弱相互作用中，其主要障碍就是质量问题，规范场不允许玻色子带有任何质量，然而这一点却与实验不符，如果不能解决质量问题，将使得整个理论失去意义。
人们希望利用自发对称破缺来解决质量问题。1962 年，有人证明每一个自发对称性破缺都必定伴随着一个无质量无自旋粒子，1964年，英国物理学家希格斯解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被引入标准模型，标准模型通过引入希格斯场来实现希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。这样一来希格斯粒子就显得极为重要，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，玻色子就不是通过西格斯机制获得的质量，整个标准模型就会毁于一旦。
然而被实验物理学家们称之为“上帝粒子”的希格斯粒子却始终没有被发现。2000年9月，欧洲核子研究中心的科学家利用世界上最大的正负电子对撞机发现了一些西格斯粒子存在的迹象，但是该中心期望找到更确切的证据时，得到的却是相反的结果。科学家预计希格斯粒子存在的可能只有30%。我们的粒子物理大厦是建立在30%的概率基础上的。一旦希格斯粒子被证实不存在，那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动，我们不得不再次目睹终极理想离我们远去。一旦证明希格斯机制、希格斯粒子理论都是错误的，那就意味着大量的人力、物力、财力的巨大浪费。几十亿美元的巨额资金投入和无数科学家们的辛劳都将付诸东流。值得一提的是，标准模型并不是唯一的理论。早在数十年前就有人针对标准模型的缺陷提出了新的理论，即超对称理论。还有人提出了条件更为宽泛的弦理论，这些理论有希望一举统一四种相互作用，而不是像规范场论那样各个击破。而且即使实验观测到希格斯粒子，标准模型虽然无疑是巨大的胜利，但仍然面临将引力归入体系的难题，标准模型仍然任重而道远。英国科学家霍金曾下注100美元打赌希格斯粒子不存在，霍金是比较狡猾的：赢的概率是70%，为什么不赌？为避免倾家荡产只下注100美元。然而我们不必担心，参考他以前的“赌场”经历，他是逢赌必输的，因此考虑到这一因素，希格斯粒子存在的概率会大于30%。
标准模型的基础是规范场论，而规范场论作为三足鼎立（超引力、超弦、规范场）中的一足，又是目前为止最为活跃的领域，已经有多位物理学家因此而获得诺贝尔奖。而超引力和弦论虽然喊得很响，但是却没有得到多少实验验证，与之相比，规范场论优势明显多了。你是否有兴趣笼统的了解一下规范场论的内涵呢？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:50 回复此发言
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20 回复：【科普知识系列】
二十：规范场论
1999年瑞典皇家科学院宣布,该年度的诺贝尔物理学奖授予荷兰的特.胡夫与维尔特曼。理由是两位获奖者给粒子物理理论提供了坚实的数学基础，尤其是,他们证明,该理论可以用于物理量的精确计算。欧洲和美国的加速器实验器的实验证实了许多理论计算结果。皇家科学院还着重赞扬了他们的工作对于阐明在物理学中弱电相互作用的量子结构的巨大功绩。
这一宣布,引起巨大轰动。他们的贡献具体地说,就是解决了当前量子论发展的最高阶段——量子化的杨—米尔斯规范场的重整化问题。早在20世纪初，人们就认识到了麦克斯韦的电磁场理论中隐藏着一种对称性，后来称为规范对称不变性。也就是说四维电磁势在规范变换下保持麦克斯韦方程组的不变性。通俗的说就是，可以用不同的电磁势来描述同一个电磁场，而且得到的结论是完全相同的，在A-B效应发现之前，这一现象没有得到足够的重视，因为人们通常认为描述电磁场的量应该是电场E和磁场B，势只是一种辅助的数学工具，没有物理意义。但量子力学表明，势也存在可以观测的物理效应，这就使得电磁势的理论意义空前的重要起来。规范不变性实际上应该叫做相位不变性，分析表明，这一对称性直接导致电荷守恒定律。费曼证明，局域规范对称性加上洛仑兹变换可以导出麦克斯韦方程组。
杨振宁曾经试图将局域规范对称性纳入到强相互作用理论，但一直没有成功。1954年他与同事米尔斯提出了非阿贝尔规范对称性的概念，通俗的将就是在规范变换中相位因子不是一般的实数，而是矩阵，因此一般不满足乘法交换律（不满足交换律的群叫非阿贝尔群）。他们当初是想构造一个解释强相互作用的理论，虽然当时没有成功，却发现了非阿贝尔规范对称性。杨振宁-米尔斯的理论将人们的视野从阿贝尔规范对称性转移到了非阿贝尔规范对称性，后来的历史表明，这是量子论发展史上的一个里程碑。强相互作用理论没有成功的原因是，量子化的规范场论要求，规范粒子的质量必须是零，它的用途是传递相互作用，既然规范粒子质量是零，规范场就应该像电磁场一样有无限大的作用力程，也就是说，强相互作用力应该是长程力。但所有的实验都表明，强力是一种力程只有10^(-15)m的只在相邻核子之间起作用的典型的短程力，当时汤川预言传递核力的粒子是π介子，质量是电子的200多倍。也就是说，实验和当时的理论都要求，规范粒子的质量必须是一个不为零的数。后来的夸克理论和实验表明，核力是夸克之间的“剩余力”，强相互作用应该是夸克通过胶子产生的作用力，而胶子的质量的确是零，核力的短程性与分子间作用力类似，是一种长程力的剩余力。强相互作用的这一理论叫做量子色动力学，它是以八种无质量的色胶子作规范粒子，由它传递夸克之间的强相互作用，每种夸克又具有三种可能的颜色态，对比量子电动力学，将它称为量子色动力学，它是杨-米尔斯理论的重要组成部分。自然界中存在一种典型的短程相互作用，就是弱相互作用。既然是短程力，传递相互作用的粒子就应该有质量，似乎不能用杨-米尔斯理论来解释，但是在60年代，日本物理学家南部阳一郎将超导理论中的对称性自发破缺机制介绍到杨-米尔斯理论中，爱丁堡大学的希格斯表明，规范场论中对称性自发破缺效应会使某些原来没有质量的粒子获得质量，后来人们称这一机制为希格斯机制。或者通俗的讲，规范对称性并没有在弱相互作用中被破坏，而是被希格斯场隐藏起来了规范粒子依靠“吃”希格斯粒子获得质量。在强相互作用中自然不需要这种机制，但在弱相互作用中却是必须的。1966-1967年，温伯格、萨拉姆与格拉肖成功的应用希格斯机制建立了将弱相互作用和电磁相互作用统一起来的杨-米尔斯理论——电弱统一理论，并预言了传递弱作用的三种中间玻色子，1983年三种玻色子均被发现，从此自然界中存在四种相互作用的说法只能留在历史博物馆里了，三人也因此获得了诺贝尔奖。
在量子电动力学中，存在一个类似于20世纪初紫外灾难一样的困难，就是量子论的发散困难。由量子电动力学计算出的很多物理量如自能、质量、电荷等都是无穷大。后来日本的朝永振一郎、美国的施温格和费曼各自发展了一套数学方案，叫重整化，可以消除理论中存在的无穷大，并且可以将结果计算到相当高的精度，三人因此获得了诺贝尔奖。同样的问题出现在了杨-米尔斯理论中，人们很自然的会问，规范场论的发散困难是不是可以重整的？如果不可重整，一切都是毫无意义的。杨-米尔斯理论比量子电动力学复杂的多，是一个高度非线性的方程组，因此它的重整化当时谁也不能保证。60年代，许多著名的物理学家为此耗尽心血，仍没有成功。但这一难题却在1971年被荷兰年轻的博士（24岁）特.胡夫解决了。这一发现震惊了整个物理界，他的重整化方法非常巧妙，与施温格的重整化思路完全不同。后来的所有理论包括量子色动力学、电弱统一理论都是在有了重整化方案之后才有应用价值的。因此特.胡夫获得诺贝尔奖是当之无愧的。
下面我们从遥远的理论空间回到现实世界中来，一杯水的一半是半杯水，然后这样一直分下去会怎样呢？当然，一般就只剩下一个水分子了。学化学的人总喜欢说，分子是保持物质化学性质的最小单位。原因很简单，水分子再往下分就不叫水分子了（这里所说的分子包括单原子分子）。我们这个形形色色的世界就是由周期表中的100多种原子结合成分子组成的，事实上，周期表中的原子也不是平等的，它们也分主角和配角。比如6号元素碳，它形成的分子种类占总数的一半以上；而组成人体的元素除了C、H、O、N、P、S等比重较大外，其它几十种微量元素只占极少的一部分。我们知道，分子比原子复杂的多，那么原子又是凭借什么方式组成了如此种类繁多的分子的呢？比如说最简单的氢气分子，两个电中性的原子之间顶多会有一丁点儿类似于分子间作用力般的剩余电磁力，怎么可能会有强烈的吸引作用呢？为什么氢分子是由两个原子组成的而不是三个或更多呢？学化学的人更喜欢另一句话：结构决定性质。只有了解了原子组成分子的方式，了解了分子结构，才有可能了解我们身边的东西。然而，我们如何了解分子结构呢……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:51 回复此发言
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21 回复：【科普知识系列】
二十一：价键理论
19世纪下半叶，热力学的理论已经基本确立起来了，科学界存在两种截然不同的观点，一派以马赫和奥斯特瓦尔德为代表，坚持实证论，只承认从宏观现象总结出的热力学四定律和它的推论，反对原子论，对任何从微观机制探讨宏观现象的企图都嗤之以鼻，提出了唯能论的观点，并认为分子和原子不能直接观测（实际上现在我们已经可以很轻易的用扫描隧道显微镜看到原子了），因此研究分子运动是不切实际的空想。另一派以玻尔兹曼为代表，致力于探讨热力学背后的微观机制，从而创立了统计力学这一物理分支，当时对统计力学做出突出贡献的还有麦克斯韦和吉布斯。两派陷入了长期的争论之中，结局令人惋惜，玻尔兹曼最终于1906年自杀。更令人惋惜的是，就在1905年，爱因斯坦已经发表了关于布朗运动的划时代论文，佩林后来依据这一理论利用实验第一次得到了阿伏伽德罗常数（佩林也因此获得了诺贝尔奖），原子不可观测的神话终于被打破了。原子论最坚决的反对者奥斯特瓦尔德也因此于1908年放弃了唯能论，并承认原子论。1913年，玻尔发表了他的氢原子三部曲，物理学从此开始了对原子结构的探索。经过科学家门的努力，化学的基础：元素周期表得到了合理的解释。那么下一个摆在科学家面前的问题就是：原子如何结合成分子。
化学家将分子中原子间的强烈的吸引作用称作化学键，然而要认真的回答化学键的本质是什么，还真不是那么容易。最早的化学键学说是静电学说，即原子依靠电荷的库仑引力而结合成物质。这一理论可以解释像食盐那样的离子型化合物的结构，因此这类化学键叫做离子键。然而像氢气、氧气、氯化氢这样的简单分子，静电理论却无法解释，也就是说，静电学说无法解释共价键。路易斯依据旧量子理论提出了“电子对”理论，他认为共价键是依靠共用电子对来实现的。实际上，“共用电子对”这一概念也仅仅是一个形象的，用来帮助理解的概念。要理解共价键最简单的方法是从能的角度而不是从力的角度来考虑。分子服从一个基本原理，即能量最小原理，也就是说，能量越低，分子越稳定，自然也越容易生成。30年代，鲍林提出了共振论，解释了大量有机、无机分子的结构及稳定性等问题，对共价键本质的研究也做出了重要贡献，因此获得了诺贝尔化学奖（他还是和平奖得主）。
我们来看一看氢原子究竟如何结合成氢分子：两个原子彼此靠近时，他们各自的波函数在空间中会有重叠的区域，由于波函数的模方是电子出现的概率密度，也可以理解为两个原子的电子云有重叠的区域。由全同公设可知，处在重叠区域的电子无法区分它属于哪个原子。量子力学的计算表明，重叠区域存在一种特殊的能量，名为交换能。若两个电子自旋方向相同，则交换能为正；自旋相反，则交换能为负。可以通俗的理解为，若电子是同自旋的，两原子间会出现一种等效的排斥作用；若电子反自旋，则会出现等效的吸引作用。而这种作用完全来自全同粒子的不可区分性，是一种纯量子效应，没有经典对应。反自旋电子的等效吸引作用的结果就是导致两个原子结合成一个氢分子。共价键的本质就是全同电子在电子云的重叠区域的交换效应，与自旋紧密相关。由以上分析可知，自然界氢分子中的两个电子一定是反自旋的，因为如果同自旋，它们之间就不是吸引作用，而是排斥作用了。由物质的磁性分析可以证明，氢分子中的电子的确是反自旋的。
为什么我们要用能，而不是用力去分析共价键呢？原来在分子的各原子间存在着各种类型的相互作用，有静电力、交换力、电子转移等，而且力是矢量，分析起来是极为复杂的，远不如用能量分析来的简单，但是用力去分析共价键也并不是不可能的事情。
30年代中期，费曼和海尔曼同时独立的建立了多原子体系中作用于核上的力的一般规则，就是后来的费曼-海尔曼定理。在此基础上，可以用力的观点来讨论双原子分子中化学键的形成条件，给出化学键更直观的物理模型。后来推广应用于多原子分子中键力的分析，并对分子间作用力和化学反应等问题做出了统一的处理。
价键理论在解释分子结构中获得了巨大的成功，然而如同许多现象用经典理论无法解释一样，价键理论也有无法解释的现象，这并不是它的基础：量子力学错了，而是为了避免天文数字的计算量，而引入了一些假设或近似，从而使理论与实验有一些偏离。比如氧气分子，按价键理论它应该是抗磁性的，但实验表明，氧气是一种典型的顺磁气体。还有，两个质子和一个电子能否组成稳定离子这个问题，由于系统只有一个电子，价键理论根本无从分析，然而实验表明这种离子的确是稳定存在的。
1932年，莫里根和洪特提出了分子轨道理论，将分子看作一个整体，电子并不是属于某个原子，而是所有电子属于整个分子，电子按照能级大小和泡利原理重新排布。这一理论解释了价键理论无法解释的许多现象，因此是一个更成功的理论。但价键理论以其简单的结构和直观的物理图像还大受欢迎，因此价键理论还是有很重要的价值的。
原子结合成分子之后，分子就可以组成万物了。然而分子又是如何组成万物的呢？这个问题自然涵盖太广了，万物的概念也太大了，因此我们自然还是要找比较简单的情况加以讨论，比如……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:51 回复此发言
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22 回复：【科普知识系列】
之二十二：晶体结构
在通常状态下，物质有气、液、固三态，而固态物质有一定的形状，因此固体内的粒子有可能具有特定的排列方式。一般将内部粒子具有整齐有规律排列的固体称为晶体。晶体可分为粒子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体四类。要了解晶体，首先要了解粒子间的相互作用。粒子间相互作用除化学键外，统称为分子间作用力，一般分为色散力、取向力、诱导力，对某些特殊分子如H2O、NH3、HF、DNA等还存在氢键，粒子的这些相互作用决定了它们存在的状态。例如，水分子间如果不存在氢键，常温下的水一定是气态的。氢键的作用强度介于化学键和分子力之间，对物质的性质有决定性影响。通常情况下，色散力比取向力和诱导力大，且随分子量增大而增大，因此大分子物质常温下一般是液态或固态的。在低温下，除液氦之外，自然界中的所有纯物质都有可能形成晶体。
晶体有整齐规则的外形，有些晶体表面看来并不规则，但是在显微镜下却仍有规则的外形（多晶）。因生长条件的不同，晶体可能会有不同的大小和形状，但是各晶面之间的夹角（面角）却总是一定的，这一规律叫做“面角守恒定律”，是晶体的固有特征之一。晶体一般存在各向异性，即晶体在不同方向上的传热、导电、光的折射等物理性质不同。例如，云母在不同方向上的强度很不相同，石墨在不同方向上的导电能力也大不一样。晶体在固定的压力下有固定的熔点，这些特征与晶体结构密切相关。
晶体粒子在空间中有规则的排列，这些点的总和叫做晶格，任何晶格都可以看作某个最小部分在三维空间中无限重复的产物，这一最小部分叫做晶胞。由晶胞的特征可以将晶体分为七个晶系：立方晶系、四方晶系、六方晶系、菱形晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系。
典型的粒子晶体是食盐NaCl，在食盐晶体中，根本不存在NaCl分子，它是由Na+和Cl-离子交替排列，通过静电引力（离子键）结合而成的。由于在所有相互作用中，化学键的强度最高，故离子晶体有较高的熔点和硬度，粒子只能在平衡点附近振动，因此不能导电，但是在熔融后可以存在自有离子，就可以有很好的导电性。原子晶体的典型代表是钻石（C）和水晶（SiO2），中性原子间以很强的共价键结合，因此硬度和熔点都很高，导电性即使在熔融时也很差。冰、固态的O2、CO2等都是分子晶体，它们通过较弱的氢键或分子力结合，因此熔点都比较低，硬度也较小，不易导电。在分子晶体中存在着一个个的小分子，分子内是化学键，分子间是分子力，可能还会有氢键。自然界中除离子键和共价键外，还存在第三种化学键：金属键。整块金属的晶格由带正电的离子组成，沉浸在自由电子的海洋里，自由电子属于整块晶体，它们不但抵消掉了正离子晶格间的库仑排斥，而且还有剩余。由于自由电子的存在，金属有很多非常独特的性质：良好的导电性、导热性、延展性等，由于自由电子和光子的相互作用，导致绝大部分金属表面都有一种特有的银白色光泽。又因为金属键属于化学键，其强度很高，因此金属硬度和熔点都很高。
我们知道，非晶体内部粒子的排列毫无规律，杂乱无章，因此它与晶体有很多重要区别，例如非晶体没有规则的外形，物理性质如导电、导热、光的传播等都是各向同性的，没有固定的熔点。但晶体和非晶体之间并没有明确的、不可逾越的界限。事实上，同一物质在不同条件下可以形成晶体，也可以形成非晶体。如SiO2（石英）可以形成非晶体石英玻璃、燧石等，也可以形成晶体水晶。即使是传统的非晶体如橡胶、玻璃等，在适当的条件下也可以晶体化。
晶体的热容问题是一个经典热力学无法解释的现象。应用经典理论可以得到晶体的比热为3R，符合在高温实验中总结出的杜隆-玻蒂定律，但是经典力学得到的热容是常数，与温度无关，而实验事实却是热容随温度降低而下降，当温度趋向绝对零度时，热容趋向零。爱因斯坦应用量子力学得到了一个与实验定性符合的公式，但由于引入的假设过于简单，理论与实验并不能严格的符合。德拜在此基础上将爱因斯坦假设的将晶体看作N个3维谐振子改为3N个1维谐振子，得到了固体热容的德拜理论，与实验符合的很好。
我们知道，20世纪的科技得以飞速发展，很大程度上依赖于电子计算机的应用。当然，我对计算机是外行，自然不敢弄斧，不过它的最基本的元件，应该还有得一说……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:52 回复此发言
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23 回复：【科普知识系列】
二十三：集成电路
20世纪的科技能够得以飞速发展，除了基础自然科学的创立外，还要归功于电子计算机的应用和发展。然而计算机基本元件的工作原理依然要依赖于在量子力学基础上建立起来的固体物理。计算机的大脑cpu就是一种典型的超大规模集成电路，现如今，集成电路的集成度（每块芯片上包含的元件数）已经在10万以上，集成电路的制备技术也已从常规的半导体平面工艺发展到了微细加工技术，图形线条已从几百微米缩小到微米级甚至亚微米级。从1970年直到现在，集成电路一直精确的按照摩尔定律（每隔18个月集成度增加一倍、速度提高一倍、价格降低一半）运行着。
按功能和性质的不同，集成电路可分为数字电路和模拟电路两部分。数字电路能够进行数字（0、1）运算，广泛应用于计算机、自动控制及通信等领域；模拟电路是对连续量比如电压、电流等进行运算的电路。集成电路的基本元件有二极管、三级管（晶体管）、电阻、电容等，它们都是在同一块硅片上应用特殊工艺制造的，即在半导体单晶基片上，通过外延、氧化、蒸发形成薄膜，经制版、光刻、刻蚀和扩散杂质（或离子注入）等步骤完成的。
晶体内部粒子有规律的周期性排列，因此存在周期性势场，根据量子力学中一条著名的定理：布洛赫定理可知，晶体的波函数是调幅平面波的形式。在这个周期性势场的作用下，通过引入一些简化假设可以求解薛定鄂方程，由于晶体中存在大量的粒子，使得它们相邻能级之间的间距极小，完全可以看作连成一片，因此叫做能带。不同的能带之间的间隙叫做禁带，禁带内是不允许填充电子的（或者说电子不能取这些能量值）。禁带的宽度大体决定了晶体的导电性质。若电子没有填满一个能带，或虽已填满但是却与其它能带重叠，使得能带上面有一部分没有填充电子，则电子可以很容易的在外加电场下跃迁，这种晶体就是导体。若低能带被电子填满了而禁带宽度又很大，则通常情况下的电场无法使电子获得足够的能量跨过禁带跃迁到高能带，因此这种晶体是绝缘体。若禁带宽度很窄，则热激发可以使得很小一部分低能带电子跨过禁带跃迁到高能带，同时在原来已经填满了的低能带“电子海”中留下了等量的空位，这种空位在电场中的行为就像是一个带正电的粒子在电场中运动一样，因此是一种“准粒子”，物理学家将这种空位命名为“空穴”，并认为它也是一种带正电的载流子。这种晶体就是半导体。半导体内部有电子和“空穴”两种导电粒子。在半导体内部掺入少量杂质会显著改变半导体的电导率比如，在硅中掺入百万分之一的磷，其导电能力会增大百万倍。原因是磷的能级恰好在半导体禁带顶端附近，此能级上的大量电子会在热激发下跃迁到空带上，显著提高电子浓度，称为N型半导体。同样，在硅中掺硼，可以显著提高空穴的浓度，称为P型半导体。但是如果我们在同一块硅片上一半掺磷，一半掺硼会怎么样呢？它们会因为存在电子和空穴的浓度梯度而产生扩散，最终导致交界处建立起一个内电场，形成一个只有单向导电能力的结，这就是大名鼎鼎的PN结。
晶体管（三级管）内部有两个PN结，但并不是任意两个PN结都可以形成晶体管，两个二极管串联还是两个二极管，不会变成三级管。要阐明晶体管的结构需要费一些笔墨，因此从略了。我们只要知道晶体管的作用是电流放大就可以了。在实际应用中，二极管和晶体管一般是用作分立元件使用，而不用作集成电路元件。集成电路中用的是一种特殊的元件：场效应管。其原理和结构讲起来又是一堆，因此也从略了，我们牢记知道一点：结构决定性质就可以了。
现在我们来看集成电路的具体制作：在一片抛光的材料（比如硅）上，用气相外延工艺生长出符合要求的外延层，然后用热氧化法生长出SiO2膜，接着进行光刻。在SiO2膜上涂感光胶，盖上预先制好的模版，在紫外光下曝光（对于线路尺度已经到微米级和亚微米级的电路，可见光、紫外线已经不能胜任了，原因是存在衍射效应，需要用波长更短的电子或X射线进行光刻）。未感光的部分容易溶解掉，露出SiO2膜，用腐蚀剂腐蚀，选择适当的元素进行扩散掺杂，再用光刻法开出引线孔，用真空镀铝工艺经刻蚀形成电极。以上只是大体步骤，实际过程中还有许多问题（比如元件隔离、无源元件的制备、电极引线的外引等）需要解决。
随着微细加工技术的发展，集成器件越做越小，但是这种过程不能无限的进行下去，它受到一些物理原理的限制。主要有本征极限、布线极限、功耗极限三个因素。即使出现了新的器件结构，有两个因素仍将最小尺度限制在10nm以上，即掺杂原子的间距和基本粒子的散射。
然而我们不必太担心，因为这是在传统工艺基础上的理论预言。事实上，利用现代制造工艺，我们可以制造出尺度在0.1nm到50nm的纳米功能器件，如单电子晶体管、巨磁阻层、纳米管和量子点激光器等。为了适应时代的潮流，美、英、日等国已经展开了对单电子器件的研究，而且已经制成了许多实验室器件，但还存在电接触、互连、可靠性等问题尚待解决。现代电子学结合纳米科技无疑可以创造出更大的奇迹。
除了纳米器件之外，还有什么东西有可能挑战现代电子学中半导体一统天下的局面呢？导体？绝缘体？显然不太可能。不过我们可以大胆的猜测，未来的电子学领域似乎又是个三足鼎立的局面：半导体器件、纳米器件还有……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:52 回复此发言
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24 回复：【科普知识系列】
之二十四：超导电子
1911年，昂内斯发现了超导电性并获诺贝尔奖；1933年，迈斯纳发现超导体的完全抗磁性获诺贝尔奖；1957年，巴丁、库柏、施里弗发表了超导电性的量子理论：BCS理论，获诺贝尔奖；1960年发现超导结的单电子隧道效应，1962年，剑桥年仅22岁的约瑟夫森理论预言在超导隧道结的绝缘层厚度接近1nm时，不仅存在单电子隧道效应，还存在超导电子对：库柏对隧穿的可能。这就是超导约瑟夫森效应。这一效应经实验验证后，迅速扩展到应用领域，形成了一门新兴的分支科学---超导电子学。约瑟夫森也因此荣获诺贝尔奖。
在超导BCS理论中，最著名的概念就是库柏对。即电子与声子相互作用，在特定条件下，两个电子通过声子产生的引力会大于库仑斥力，从而形成束缚电子对。电子对中两个电子反自旋，且总动量保持守恒，因此不会受到晶格散射阻力的影响。0K时，晶体中的电子在能量最低原理和泡利原理的约束下，依次填入能带，而最后填进去的那一层电子具有的能量叫费米能，这个面叫费米面。在温度T下，费米面附近kT范围内的电子会对晶体的宏观性质产生决定性影响，因此分析费米面是固体物理的重要任务。在超导理论中，由于库柏对中电子反自旋，因此作为一个整体，它是玻色子，不受泡利原理的限制。库柏对在较低温度下可以凝聚在同一个量子态上（玻色-爱因斯坦凝聚），故可以有比费米面更低的能量，从而形成一个能隙。能隙的形成是超导电性的重要标志。
所谓单电子隧道效应，就是在两块金属之间夹一层绝缘体，在外电压下，电子有一定的概率隧穿绝缘体的势垒（而经典理论认为电子是不可能穿过绝缘体的），形成隧道电流。而超导约瑟夫森效应是指库柏对的隧道效应。理论计算表明，在无电场和磁场的情况下，隧道结上可以存在电流，此即零电压电流效应。著名的A-B效应表明，磁矢势A也是物理实在，它能对波函数的相位进行调制，因此在隧道结上外加磁场可以改变波函数的相位。随着磁场强度的增加，电流强度出现了类似于光学单缝衍射那样的变化趋势，称为量子衍射效应。这两个效应统称直流约瑟夫森效应。在隧道结上加一直流电压V，会产生频率为2eV/h的相干电磁波，频率在微波和远红外段，其逆过程，也就是外加一个交变电磁场从而产生直流电流也是可以实现的。这种现象叫交流约瑟夫森效应。
应用约瑟夫森效应可以制造很多超导微电子器件，其优点是非常明显的：1：响应时间快，一般可以达到ps级，比半导体器件快1到2个量级；2：集成度高，目前可以在每平方微米上集成1000个约瑟夫森，比半导体集成度高4到5个量级；3：功耗极低，可以低至1微瓦，比半导体器件低3到4个量级；4：能耗极小，每个门只消耗10^(-15)J到10^(-17)J，比半导体低3个量级；5：工作电压低，可低至3到10毫伏，比半导体低3个量级；6：超导传输线有极低的功率色散和良好的匹配性能，任何导体都无法比拟；7：可靠性高，深低温避免了热噪声、扩散、电迁移、腐蚀等造成的失效。
超导微电子器件可分为二端超导器件、超导量子干涉器、三端超导器件三类。超导量子干涉器件的应用是很广的。由于磁场可以改变波函数的相位，故隧道结对磁场特别敏感，可以作为超高灵敏度微磁探测器和超高速开关。当附加一些线圈时，可以改装成检流计、伏特计、安培计、电流比较器、直流放大器、甚低频天线、磁场梯度计、磁化率测定仪、磁谐振频率仪等。量子干涉仪灵敏度高、频率相应好、测磁范围广、线性特性好、成本低、携带方便、稳定可靠、结构简单，可分为单结、双结、三结、四结型。单结量子干涉仪由具有一个约瑟夫森结的超导环和LC谐振回路组成，其结构简单，成本很低。双结型量子干涉仪由两个约瑟夫森结组成，电流通过超导环（含有对称的两个结），其载流子库柏电子对的波函数相位受环内磁通的调制，形成类似于双缝干涉那样的关系。三结量子干涉仪已作为基本器件广泛应用于逻辑集成电路中。而三端超导器件主要有超导结型三极管和超导场效应管。
1911年就已经发现的超导现象，直到1957年才了解到它的本质，而一直等到1962年约瑟夫森效应的发现，超导的魔力才整个爆发出来，向应用领域发出了冲击波。超导理论在现代物理学、电子学和电工学、化学、生物学、医学等领域内占有重要的地位，在受控核聚变、高能粒子加速器、超导电子计算机、超导接收机、超导磁强基、超导磁悬浮列车、磁流体发电机、人体核磁共振成像等方面，超导有着几乎不可替代的作用。
磁性是物质的一种普遍属性，从古至今，人们都一直在探索磁性的奥秘。安培的分子电流假说解释了顺磁性和抗磁性物质，现在我们已经知道，即使是最简单的顺磁和抗磁物质，经典力学也是无法解释的，安培分子电流的本质是量子的，只能用量子力学来分析。而自然界中还存在一类有广泛应用的磁性物质：铁磁质。那么你是否有兴趣了解铁磁性的起源呢？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:53 回复此发言
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25 回复：【科普知识系列】
二十五：磁性起源
奥斯特发现电流磁效应后，法国物理学家安培对电流间的相互作用进行了大量的研究，并在此基础上提出了物质磁性起源的分子电流假说。19世纪末，法国皮埃尔.居里做出了开创性工作，他不仅发现了铁磁性存在的临界温度（后被称为居里温度），确立了在临界温度以上顺磁磁化率与温度的关系，还在大量实验基础上指出了抗磁性和顺磁性的存在，并提出了居里抗磁和顺磁定律。之后，朗之万将经典统计理论应用到固体原子磁矩的系统，导出了居里定律。外斯在朗之万理论基础上提出了分子场假说和磁畴假说，这两个假说成为分子场理论的基础。然而问题是，朗之万理论中认为的原子存在的固有磁矩是无本之木，范列温证明，从经典力学出发的统计物理无法导出原子存在平均磁矩的结论。直到量子力学建立之后，人们才知道，原子固有磁矩的存在是一种量子效应。1928年，海森伯根据氢分子的结合能与电子自旋取向有关的量子力学计算结果提出了铁磁体的自发磁化来源于量子力学交换作用的海森伯模型。几乎同时，布洛赫提出了描述集体电子的能带模型……历史叙述就到此为止吧，以后的磁学发展就不很清楚了。
物质的磁性大体分为三类（实际上有7类），顺磁质、抗磁质、铁磁质。顺磁和抗磁的磁化作用很弱，其应用也较少，故我们只介绍铁磁质。最常见的铁磁质自然是铁了，其次还有钴、镍、以及它们的合金、锰铝合金、稀土元素的一些化合物等。它们有非常高的饱和磁化强度，故在外磁场下可以表现出很强的磁性。所有的铁磁性物质都存在使铁磁性消失的一个温度，称为居里温度。铁的居里温度为770度，即将铁加热到770度以上，它就会转化为普通的顺磁性物质，这就是顺磁-铁磁相变。顺磁-铁磁相变与气液相变有很多相似之处。在居里温度以下，铁磁物质存在磁滞现象，其磁化强度与磁化过程有关，在交流磁场中的磁化曲线是一条闭合的曲线，称为磁滞回线。此外，铁磁物质还存在磁致伸缩现象，即磁化过程伴随着磁化状态的变化会产生长度和体积的变化，可以用这一效应产生超声波。
外斯分子场假设认为，铁磁物质内部存在强大的“分子场”，因此即使无外加磁场，其内部各区域也已经自发磁化了。外磁场的作用仅仅是将各区域的磁矩方向调整到外磁场方向上。因此，在很弱的外磁场下，铁磁质即可达到饱和磁化状态。磁畴假说认为，铁磁体内部自发磁化分为若干区域（磁畴），每个区域都自发磁化致饱和，未加磁场时，各区域磁距方向杂乱无章，故磁性相互抵消，宏观上不显磁性。在这两个假说的基础上建立的理论称为分子场理论。分子场理论在解释铁磁性物质的磁性方面相当成功，它说明了铁磁物质的自发磁化，给出的磁化强度与温度的关系与实验也基本相符，并导出了居里温度和居里-外斯定律。
分子场理论的成功促使人们去寻找分子场的起源。但是这一问题在经典力学的框架内根本无法解决。分子场不可能由原子磁距产生，因为原子磁矩产生的磁场比分子场小了3个量级。β粒子通过铁磁体的偏转实验也证明，铁磁体内部并不存在磁性质的分子场。在量子力学建立之前，没有人能对分子场的起源做出过合理的解释。1928年，海森伯应用量子力学中电子的交换效应正确的解释了铁磁体内磁有序现象的产生，证明了分子场实际上就是电子之间交换作用的一种平均场近似。这一模型的建立，为铁磁性量子理论的发展奠定了基础。
交换效应来自于波函数的重叠区域。根据全同原理，此区域内的电子是全同粒子，不可区分。如果我们仍然按照经典的粒子处理方式，对它们进行标记区分，必然会出现一项附加的修正项，这一项被称为交换积分，相应的能量叫交换能。这一交换能我们曾在本连载中讨论共价键时提到过。氢分子中的两个电子如果自旋是相反的，交换能为负，故反自旋的两个氢原子可以结合成更稳定的氢分子。又因为这两个电子反自旋，磁性相互抵消，故氢气是一种典型的抗磁质。在铁磁理论中，我们遇到的情况刚好相反。我们需要电子自旋平行，这样磁场就不会互相抵消而是互相加强了。也就是说自旋平行时的交换能小于自旋反平行时的交换能是物质存在铁磁性的必要条件。通过计算交换积分，满足此条件的元素恰好就是铁、钴、镍等传统的铁磁质。
计算机中作为信息载体的电流尽管沿用已久，也有很多非常优越的性质。但是面对高速发展的科技，电子这个可爱的精灵似乎也有点不堪重负，想分担一点责任给别人了……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:53 回复此发言
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26 回复：【科普知识系列】
二十六：光子概述
这50年的沉思，并没有使我更接近“什么是光量子”这个问题的解决。今天每个乡巴佬都以为知道它的答案，但他是错了。——爱因斯坦
光究竟是什么呢？牛顿时代的人们坚信，光是由光源发射出的大量微粒。与他同时代的惠更斯明确提出了光的波动说，但没有竞争过微粒，因为他认为光波类似于声波，是一种流体介质中的纵波，这种流体就是后来的流体以太（流体中横波不能传播），我们知道，光实际上是一种横波，因此惠更斯推导出的结论与当时的实验符合得并不好。虽然微粒说对牛顿环的解释牵强附会，但它的确很好的解释了当时已知的各种光学现象，比如直线传播、反射、折射等（微粒说认为水中的光速大于真空中光速）。进入19世纪，著名的大科学家如拉普拉斯、泊松等人都是微粒说的支持者，然而托马斯.杨做成了双缝干涉实验，菲涅尔也提出了他的波动光学，牛顿的微粒说被推翻了。光的偏振的发现又表明，光是一种横波，于是学者们不得不抛弃流体以太，重新建立起一套弹性以太模型。为了解释各种光学及力学现象，科学家们为以太附加了许多奇特的性质，从而使以太学说成为19世纪科学理论的两大基础之一（另一个基础是原子论）。麦克斯韦电磁场理论问世后，光作为一个特殊波段的电磁波，使得光学成为电磁学的一个分支，也使得人们对光的认识有了质的飞跃。然而麦克斯韦却发现在他的方程组中没有以太的位置，光速是作为一个常数的身份出现的，在当时看来，在地面上和飞奔的火车上测量到相同的光速是不可理解的，因此麦克斯韦做出了一个非常遗憾的论断：他的方程组只在以太参考系内严格成立，在其他惯性系内需要用伽利略坐标变换，导出在新的惯性系内成立的方程组。结果在除以太系外其他惯性系内的方程组均其丑无比，方程组天然的美感被破坏的几乎荡然无存。这一状况直到相对论问世才被消除，不过在当时所有的人都认为，地面参考系内的麦克斯韦方程组只是近似。
然而麦氏方程组真的就完美的刻画了光（或者说电磁波）的本质了吗？光是什么这一悬案已经彻底告破了吗？可惜的是，麦氏方程组预言了电磁波，而电磁波的性质却超出了方程组的限制。1900年，普朗克发现能量量子化，最终量子化的概念横扫整个物理界。1905年，爱因斯坦发表了光量子理论，解释了光电效应，因此获得了1921年诺贝尔奖。现在让我们重温爱因斯坦的推理：能量现在有两个基本性质：一个是能量守恒，一个是能量量子化。如果一个振动电荷能量是量子化的，那么它的能量变化只能从一个允许的能量瞬间跃迁到另一个允许的能量，因为根本不允许它具有任何中间的能量值。而能量守恒就意味着电荷发射的辐射，必须是以一股瞬时的辐射迸发的形式从振动电荷产生出来，而不是麦克斯韦电磁理论预言的长时间的连续波。这样，辐射永远是以一个个小包的形式出现，它以光速运动，静止质量为零，由振动的带电粒子发出，这就是光量子。这似乎就是牛顿光微粒的翻版，光源中有大量的振动带电粒子，因此光源向空间发射出有限数目的光量子。然而怎样解释干涉呢？又如何解释麦氏方程组的成功呢？麦氏方程组在光量子理论中又是什么角色？爱因斯坦通过分析指出，麦克斯韦理论中场量的平方正比于光量子的粒子数密度（玻恩后来从这里得到启示，提出了波函数的概率诠释，并因此获得了诺贝尔奖），而统计力学中那个玻色-爱因斯坦统计应用于光量子时，就是光量子随频率分布的概率密度函数。这样自然就可以解释光量子的行为了，干涉和衍射是一种光量子的统计行为，只有大量光子才会在整体上表现出波的性质。可惜爱因斯坦却对这种统计解释非常不安，这样一来，麦氏理论似乎只能是统计意义上的理论了。而爱因斯坦眼中的统计，意味着不确定和理论的不完备。这也就能够理解他为什么要花费后半生30年光阴去寻找统一场论了（而他当时认为的统一场论中只包含引力和电磁力），因为他认为麦克斯韦理论不够完备，只有统一场论才能够真正理解光量子。
相信几乎所有的量子力学教科书中都会提到让人发疯的单电子干涉实验。将电子换成光子有同样的效果。一个粒子怎样才会有一个伴生的频率？单个粒子如何实现自身的干涉？光子如何知道前面的缝是双缝还是单缝？当然，这一切疑问对于哥本哈根学派来说易如反掌。然而，我根本无法理解玻尔的互补原理，我接受了费曼的忠告：在量子力学里永远不要去钻死胡同，因为在这里还没有人安全的出来过。
不过作为一篇完整的文章，互不原理是不能少的。我觉得，对于互补原理一千个人会有一千种解释。我的理解是：当没有观测者时，不存在光量子的概念，光量子在这里没有意义，而它对应的波函数以严格的因果律演化，并在空间中弥散，表现出波的性质；而一旦试图观测，波函数会立即坍缩，以一个光量子的形象出现在观察着面前，光量子出现的概率与波幅平方成正比。如果换作通俗的语言的话那就是：波和粒子是硬币的正反面，是光量子的两个不同的属性，你可以得到它的波的一面，也可以得到它的粒子的一面，但无法同时得到波和粒子。波和粒子是一对互斥互补的概念，互斥的概念可以同时存在于一个事物上，但不能同时被感知，光具体表现出什么性质与具体的实验操作有关。因此问光是波还是粒子没有意义，在干涉实验面前，光是波，在光电效应面前，光是粒子，离开了实验，光无所谓波或粒子。
一些读者可能会认为，相对论与量子论势同水火，其实我也这样认为，呵呵……但如果它们联手的话，肯定会有好戏看的……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:55 回复此发言
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27 回复：【科普知识系列】
二十七：量子场论
狭义相对论在宏观世界里无疑是一个成功的理论，它用简洁优美的公式统一了低速和高速世界，发现高速世界的景象并不是我们常识中的东西。量子论在微观世界也无疑是一个成功的理论，它发现了一个全新的微观世界，原子并不是我们想象中的那样是一个宏观物体的缩小，它会干涉、衍射，还会跃迁、坍缩。然而狭义相对论进入微观领域就有些力不从心了，虽然质能方程仍然普遍成立，虽然微观世界也不存在超光速信号，但微观粒子既然连轨道的概念都不存在，又怎么会受到相对论力学的束缚呢？同样，量子论中的薛定鄂方程也不满足相对性原理，所以在处理高速问题时肯定会有麻烦。即使是氢原子，它也无法解释精细结构，需要相对论修正，更何况还要引入一个看上去毫无道理的电子自旋概念。所以自然的想法就是找到一个新的理论，既满足相对性原理，又可以在低速近似下退化为薛定谔方程。通过探索，学者们找到了两条路。其中一条路上走着的是克莱茵和狄拉克，他们的思路是找到一个新的满足相对论的波动方程。于是分别建立了KG方程和狄拉克方程。狄拉克求出了氢原子的严格解，并且自然的预言了电子自旋。同时，相对论方程预言了反物质的存在。现在我们去第二条路上看看。
爱因斯坦认为，法拉第最大的贡献不是电磁感应定律，而是他的力线。法拉第为了理解磁现象，首先提出了场的概念。简单地说，场是弥散在空间中的一个区域，或者说是空间的一种紧张状态，它代表了一种施力的可能性，而且场可以独立的存在。麦克斯韦关于电磁场的场方程组一直是物理美的典范，爱因斯坦广义相对论也是一种经典场论。量子场论的核心是，万物都是由场构成的，而且仅仅由场构成。场具有能量，因此有质量。实物粒子都是场的状态，粒子是场的中心。
1926年，玻恩、海森伯、约当提出了电磁场的量子理论，量子场论从此诞生。在这个理论里，电磁场本身是一个同时满足量子力学原理和相对性原理的系统，从而建立起描述这个系统的场方程。它实际上就是描述电磁场本身运动的“薛定谔”方程，如同电子的Ψ场一样，描述了电磁场的Ψ场。更确切的说，它预言了在空间某点处发现电磁场有不同强度的概率。薛定谔方程预言粒子能量量子化，同样，电磁场的量子场论预言电磁场会量子化为各种频率的能量包，这些能包就是光子。新的理论解释了光子存在的理由，而爱因斯坦的光量子假说只是假设光子存在，并没有更基本的理由。
量子场论的思想是：从场论出发，然后将场量子化，从而导出与场相联系的粒子，这些粒子是场的量子，它以分立的能包形式（粒子）显示自身的存在。
1929年，海森伯和泡利将量子场论思想应用到实物粒子，对电子的Ψ场进行了量子化。这种电子场遵从量子论原理和相对性原理。他们发现，量子化后的电子场会以分立能包的形式显示自身，只是这个能包不再是光子，而是电子。或更确切的说，量子场论预言了电子的存在。推而广之，自然界中所有的粒子都有对应的场，都是这个场的量子，如质子场、中子场、中微子场、μ子场……因为自然界是由场构成的，而量子化后的场以粒子的形式显示自身，所以我们看到的自然界由粒子构成。
有了量子场，我们可以描述单个电子和单个光子的行为了，但自然界中一个最基本的过程：光电效应或康普敦散射我们如何理解呢？爱因斯坦光电效应方程和康普敦散射的推导只用到了能量（以及动量）守恒这一普遍原理，并没有揭示相互作用的细节。1947年，费曼和施温格分别以不同的方式建立了电子与光子相互作用的理论：量子电动力学。量子电动力学是目前为止最精确的理论，它精确预言了兰姆移位和电子反常磁矩。费曼发现，为了使量子场符合相对性原理，必须存在一个时间上逆行的电子。而这个在时间的反方向上运动的电子其可观测效应与另一个带正电的电子在时间正方向上完全相同。这就是正电子。早在1928年，狄拉克就利用他的相对论波动方程预言了正电子的存在。现在已经有很多学者改变了他们对反物质的看法，放弃了狄拉克的真空负能海，转而认为，反物质就是在时间上逆行的物质。
引用一位化学家的名言：世上没有废物，只有被放错地方的财富。
可是如果我们不了解光子，又怎么能指望会将它放对地方呢？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:55 回复此发言
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28 回复：【科普知识系列】
二十八：信息光学
宇宙中数量最多的粒子就是质子、中子、电子、光子和中微子。除去这些粒子，宇宙就基本上空无一物了，其它几百种粒子含量及其微小。这五种粒子中最“听话”的应该是电子，最“不听话”的非中微子莫属。现如今，我们可以利用设计的晶体管、集成电路、微处理器以及其它电子器件来方便快捷的控制电子的行为，让小小的电子为我们传递声音、图像，为我们预报天气，为我们证明四色猜想……然而电子计算机缺乏一种重要的处理信息的能力：并行运算。可是第二个候选者：光子却可以避开这个困难，具有电子不可比拟的优点。光子是玻色子，不带电荷，静止质量为0，以光速运动，不受电路时间常数的限制。光束可以相互交叉通过而不会相互影响，具有并行处理信息的能力。光子的这些特点为解决目前电子计算机的一些困难提供了途径。1990年，美国贝尔实验室报道了世界上第一台数字光学处理器，使我们由电子计算向光子计算迈出了重要的一步。近年来，光学逻辑元件、光存储器件、光学互连、算法和体系结构发展很快，光子计算机（光脑）也许会在不久的将来得以实现。
电子计算机中信息的载体是电子，逻辑门之间、芯片之间、芯片和插板之间的信息必须通过引线作为电子传输的媒质，因此会受到回路参数（时间常数RC）的限制。在一块大规模集成电路的芯片中，器件尺寸已缩小到微米量级，使得引线电阻值提高，延迟效应增大，使信息传输速度受到限制。突破瓶颈的最简单方法就是利用光子作为信息的载体。光子的载频约为10^(14)Hz，可利用的带宽达10^(13)Hz，其可能的传输速率比电子通信的最大速率大三个数量级。光互连可以在自由空间中实现，也可以在光纤或波导中实现。
自由空间互连即为利用光在通过光学元件使遵从的折射、反射、衍射等规律实现互连网络。利用计算全息图，可以完成任意结构的互连网络。计算全息图是一个束控元件，将多路输入光束按要求分成多束，并控制方向输出到不同接收位置。光束即使在空间中交叉也几乎没有干扰。计算全息图是可编程的，可以按照需要改变，从而改变联络关系。光纤广泛应用于远距离通信，可适用于计算机与外部设备之间、电路板之间、模块之间、芯片上和芯片之间等的互连。集成光波导器件将诸如透镜、棱镜、光栅、光调制器、光耦合器、光开关、双稳器件、模数转换器等基本元件集成到一起，构成集成光学的基本部件，具有体积小、重量轻、性能稳定、功能强等优点。
磁盘存储技术已经很成熟了，但存储容量很难进一步提高，故70年代发展了光存储技术。光存储主要有光盘存储和全息存储。光盘存储技术是用半导体激光器产生的单色相干激光光束经透镜会聚为直径一微米的光斑，照射到光存储介质上，使照射点上介质光学性质发生变化，此为信息读入过程；读出信息时，用连续激光束扫描光盘，解调从介质反射回的信号。光盘存储器可分为只读光盘和可擦式光盘。光盘存储容量很大，但要求记录介质与读写头之间有机械运动，使信息密度被限制在机械调节的精度范围内，且存储时间也受机械运动的限制。而全息存储没有这些这些缺点。全息存储分为二维存储和三维存储，信息记录在全息图上。三维存储即利用空间光调制器将信息调制为“0”“1”的明暗图像，与同步的参考光会聚，形成全息干涉条纹，并记录在介质的一个层面上。改变参考光入射角，干涉图样会记录在不同深度的介质层面上，如同书中的页片一样。可以在一块晶体中存储10000页全息图。故全息存储有极高的存储容量和数据存取速度，潜在的传输速率比磁盘快100到1000倍。
光子计算机可以充分发挥出光学并行处理的互连能力，而光电子混合处理可以结合光学的并行特征与电子学的灵活性，是目前比较可行的发展光子计算机的途径。发达国家现已投入大量的人力和经费在这方面进行深入研究，以期望实现光电混合处理计算机或全光学计算机。
计算机对于许多人来说应该是熟悉的，但若要去了解他的内部结构，学习它的运行机理，展望它的发展前景什么的，无疑是一件非常枯燥的事情，除非有极大的兴趣，否则是很难坚持下来的。我们每个人都知道自己的大脑在想什么，但如果要去探讨大脑的结构，寻找大脑工作的机理，应该很少有人愿意去做。所以我们还是从信息技术中解脱出来，换换脑子的好。现在，我们要从一个我们非常非常熟悉的人人都见过的连幼儿园小朋友都知道的日常现象入手，看看它包含着多少内涵，并探讨一下它会有多大的意义：
常压下的水加热到100度会有什么现象发生呢？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:56 回复此发言
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之一：万物同源
20世纪是一个灾难深重的世纪，两次世界大战，几十亿人被卷入战乱，20世纪同时又是一个辉煌的世纪，一个灿烂无比的世纪，它所创造的物质财富远远超出了此前人类文明成果的总和。回首这一令人神往的世纪可以发现，这一切都可以归结为四个字：科技革命。科技革命使人们的认知领域飞速的扩展，同时也使得科学几乎成了少数人享有的专利，而我们不得不承认很大一部分人的知识还停留在20世纪之前的牛顿伽利略时代，因此科普工作任重而道远，这部分人，尤其是青年人很有必要接受现代自然科学的洗礼。由于本连载定位为科普，因此对科技前沿仅作介绍，不深入讨论。重点初步定在与日常生活联系较密切的一些事物与现象上。
古希腊哲学家德莫克里特利用一些日常经验推测世界是由一些不可分割的原子组成的，道尔顿继承并发展了这一学说，提出了原子论，阿伏伽德罗进一步提出分子论，后由门捷列夫提出了化学元素周期表，19世纪末，物理学家相继发现了电子、α粒子、放射性、X射线等，使得物理学进入了一个新的比元素更深的层次，经过不懈努力，建立起了目前的标准模型：电弱统一理论、量子色动力学和广义相对论。标准模型使人们认识到，我们这个充满了无限生机和活力的大自然中，只存在有限种类和数目的“基本粒子”：六种夸克、六种轻子、和“六种”媒介子（八种胶子当作一种，未发现的引力子也当作一种）而与我们的生活息息相关的只有四种粒子：质子、中子、电子、光子。
如果基本粒子遵从的不是量子理论而是经典力学，电子会在极短的时间内落入原子核，质子中子也不会形成稳定的元素，即使勉强认为它们有稳定的轨道，两个原子也不可能构成分子，当然也就更不可能构成现有的物质世界了。质子与中子形成了种类繁多的核素，外面填充上电子就形成了周期表中的元素。这些不同种类的原子以及由它们构成的分子就是构成物质世界的基本材料（分子是保持物质化学性质的最小单位）。不同的分子可以表现出不同的化学性质，都可以通过量子力学的计算来预言。碱金属放入水中可以剧烈反应并燃烧或爆炸，而惰性气体（尤其是氦）却几乎不与任何物质反应，氢气与氧气混合放几十年也产生不了一滴水，一经点燃却可以爆炸，铁可以被磁铁吸引，而在周期表中与之邻近的锰却没有这种性质，碳原子可以成链、环、双健、三健而与之同族的硅却成链相当困难。而这些性质都可以通过它们的结构：核与电子中找到答案。同样，任何一个宏观物体的物理的、化学的性质都应该可以从它们的组成中找到答案。这就是化学中常说的一句话：结构决定性质。结构化学的任务就是用量子力学来求解分子结构。
从以上分析可以看出，如果我们知道了组成原子（或分子）的核与电子的性质以及它们服从的规律，就可以得到原子或分子的性质，同样，如果我们知道了一种物质的组成，以及它们的单元间的相互作用规律就可以预言它的宏观性质。通过分子间作用力的强弱程度，我们可以知道常温下水是液体而氧气是气体，通过统计热力学理论（基础是量子力学）可以算出很多有用的东西，比如对一块金属升温它会吸多少热（热容），一升水的总能量是多少（内能），一立方米气体的混乱度多大（熵），两种物质可不可以反应，在什么条件下反应，反应的速率如何……二极管、三极管、集成电路中的电子和空穴遵从的是量子规律，因此如果没有量子力学也就没有了电子计算机。
因此，我觉得我们应该确立一种信念，自然界的一切，风雨雷电云雾霜雪、山水花草虫鱼鸟兽……都是可以解释的，而且它们一定服从高度统一的规律。总之，自然界是可以理解的。
然而，面对着这样一个复杂而又简单的自然界，你可曾有过这样的想法：为什么周期表中的元素在自然界中分布这么不均？为什么我们放眼望去，到处都是氧硅铝铁钙钠钾镁……而不是遍地黄金呢？再往地球深处看一看：为什么地心深处有这么大的一个铁球？这么多铁到底是从哪里来的呢？
无论哪个民族的的古人都喜欢仰望星空，他们相信那里一定隐藏着无尽的秘密，然而他们也许不会料到，上述问题的答案的确就隐藏在茫茫星空之中……
预知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:41 回复此发言
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2 回复：【科普知识系列】
之二：仰望星空
当你在散步时踢着一块小石头时，有没有想到过它有过一段“刻骨铭心”的经历，有没有想到过它曾经是一团氢气？
通过求解爱因斯坦的场方程可得到大爆炸解，宇宙已经存在了大约137亿年，极早期的宇宙已经在大爆炸标准模型中介绍过，因此不详细讨论了。结合粒子物理理论可得到宇宙大爆炸后的产物是约75%的氢和约25%的氦，还有极少数的重氢、锂等轻元素。与观测精确相符，但大爆炸并没有产生重元素，地球的这些物质从何处而来呢？这还要从星系的起源说起。
关于太阳系的起源问题，目前公认的说法是康德-拉普拉斯星云假说，即太阳系起源于星云。而这些星云中的重元素来源于几十亿年前的一次超新星爆发。最原始的星云中几乎只有大爆炸遗留的氢和氦，在万有引力和热运动的作用下平衡，但这种平衡并不稳定，微小的扰动可以产生不均匀的密度分布，而在密度较大的区域通过引力作用逐渐收缩并吸引周围的物质，同时引力势能转化为热能使天体升温，当中心温度升至一千万度时，点燃热核聚变反应，开始了氢聚变为氦的核反应，天体开始发光，形成一颗恒星，产生的光压与引力相平衡。大约燃烧几十亿到几百亿年之后，反应逐渐停止，引力大于光压，恒星开始收缩，引力势能进一步转化为热能，使温度上升。当中心温度上升到约一亿度时，点燃氦聚变为碳的反应（氦闪）。氦大约燃烧几百到几千万年，反应逐渐停止，引力再一次大于光压，使恒星继续收缩，此后的热核聚变逐一进行，碳聚变为氮，氮聚变为氧……直到聚变为硅，此时中心温度大约是20亿度，硅开始聚变，并引发成百上千种核反应，最终转化为铁。而铁是所有的元素中最稳定的，它若转化为其它元素就必须要吸热了。此时的元素家族已经是人丁兴旺了，但大都还留在恒星的内部。恒星的归宿有三种：（1）质量不大于太阳1.4倍的恒星最终演化为白矮星，直径只有几千公里（比如天狼星的伴星）；（2）核心质量在1.4-3倍太阳质量的恒星将演化为中子星（如蟹状星云的中心）；（3）核心质量大于3倍太阳质量的恒星最终收缩为黑洞。在形成中子星的过程中，会同时猛烈的向外抛出大量的物质，形成新的星云，这就是超新星爆发。而太阳系中的重元素正是来自超新星爆发后残留的星云。由以上叙述，我们可以看到，恒星是锻造元素的“坩埚”，夜空中的点点繁星中，正在进行着这些激烈的反应，正在一炉一炉的锻造着在生命看来比黄金贵重的多的元素：碳氢氧氮磷硫钾钙镁……原来，大自然在几十亿年前甚至上百亿年前就已经掌握了炼金术。
那么为什么不同的元素转化起来竟这样难，甚至需要几千万度到几十亿度的高温呢？粗略估算一下就可以知道，氦原子核中的两个质子间的排斥力大约是90牛顿。这么大的一个力竟加在两个质子上，可以说是难以想象的。好在核子间存在一种更强的核力将它们束缚起来不至散架。但核力是短程力，只在fm(10^(-15)m)数量级范围内才表现出来，因此要想创造新的较重元素就需要克服核子间的强大的排斥力使原子核接近到fm范围。一种方法就是提供高温使原子核高速运动，在碰撞中使它们结合。这就是古代的炼金术士都是骗子的原因。
遥远的的星空蕴藏着无穷无尽的奥秘，双星、聚星、变星、新星、超新星、白矮星、脉冲星、星团、星系、星云、类星体、星际物质、黑洞……它们大都进行着异常激烈的甚至是难以想象的各种变化，与之相比，地球乃至太阳系都不过是茫茫宇宙中的一粒微尘，而且似乎也显得太温和了。这些巨大的星体乃至整个宇宙都遵从着比较简单的，至少是我们可以理解的演化规律，甚至从大尺度上看，宇宙似乎像一个准确的钟表在不紧不慢的走着，我们甚至可以了解到从它诞生后的10^(-36)s直到137亿年后的整个演化规律，而且可以做出较高精度的预言。这不能不说是人类历史上一个巨大的胜利，同时也在鼓舞人们建立这样的信念：世界是可以理解的，宇宙服从简单的，至少是可以理解的、可以预言的规律。
然而，大自然似乎并不愿这么快将它的内涵全部表露出来，近30年来对非线性的研究又给了机械决定论沉重一击。它表明，既是对一个非常简单的系统，长时期的精确预言也是几乎不可能的，同时也给我们对概率的理解平添了一些神秘色彩，并且成为科技前沿，展现出了复杂世界的美。这又给自然界蒙上了一层神秘面纱。而这些成果却是源于一只蝴蝶……
预知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:41 回复此发言
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3 回复：【科普知识系列】
之三：蝴蝶效应
1961年，美国气象学家洛仑兹在进行长期天气预报的数值运算时，将初始数据舍去了一个很小的尾数，结果发现，运行结果仅在开始时的一小段与原始结果偏差很小，之后偏差越来越大，直到最后得出了完全相反的结果。造成这一偏差的原因自然是稍微改动了一下初值。因此洛仑兹认定这组方程对初始值有高度的敏感性，他形象的比喻为“蝴蝶效应”。意思是说：一只蝴蝶煽动翅膀所引起的气流扰动可能会发展成一场“巨大风暴”，也可能会将一次原本应该产生的风暴消灭与无形之中。真可谓失之毫厘，差之千里。洛仑兹实际上证明了混沌的一个基本特征。
拉普拉斯的决定论观点在物理学中影响极为深远，即使出现了量子力学，出现了关于概率的自恰的诠释，仍有很多人没有放弃决定论的尝试。对于统计的解释长期以来就存在两种对立的说法，一种是把统计的必要性归结为自由度和方程数目太多，不可能列举出全部的初始条件，模型中存在一些次要的未考虑的因素（这些因素统称隐变量），（拉普拉斯非常推崇概率论，他认为未来人类的知识结构中一定是概率占了绝大部分，他本人也对概率论做出了突出贡献，他对概率的理解应该是属于这一类。）另一种观点强调，统计规律性是复杂系统规律性的后果，决不能将它还原为力学规律，物质运动和结构由低级到高级的发展是统计规律性的结果，决不应该来自力学描述中没有计入的次要因素（隐变量）。
近年来对非线性的研究，科学家们越来越倾向于第二种说法，尽管隐变量可能也起到了一些作用。在牛顿力学体系中，对系统大都进行线性化处理，忽略掉一些次要因素，线性处理对人们观念产生的一个重要影响就是，认为在很长时间内，未来都是可以预测的。近三十年来，随着各种观测手段的完善和计算技术的发展，许多非线性问题正在逐步解决，也展现出一些直接冲击传统观点的结果。
非线性科学有六个重要的研究领域：混沌、分形、模式形成、孤立子、元胞自动机和复杂系统，其中混沌和分形是前沿。从数学上，非线性系统不满足叠加原理，因此无法利用数学的傅里叶分析，至今非线性仍是数学谜题，绝大多数非线性问题无法有效解决。现实世界里，小至单摆，大至天体的天地万物都是非线性的，只是牛顿力学中进行了线性化处理（比如单摆，认为摆角很小）。叠加原理的失效直接导致了系统复杂性的产生。非线性的实质是事物之间的相互作用，若把一个系统分成N个子系统，若子系统间没有相互作用，则叠加原理有效，我们可以比较容易的描述（比如理想气体）。非线性的基本特点是产生多样性与多尺度性，混沌和分形只能在非线性系统中产生。现以混沌为例简要介绍。
混沌是非线性系统的最典型行为，它起源于非线性系统对初始条件的敏感依赖性（蝴蝶效应）。早在20世纪初，庞加莱就已在著名的三体问题中仔细研究过，他发现三体运动极为复杂，轨道的复杂性令人震惊，甚至都不想画出来。混沌现象的发现有两个重要意义，（1）：人们发现一个决定论系统的行为处于混沌状态时，似乎是完全随机的。仅这一点就迫使所有的实验科学家重新考察他们的数据，去研究数据的随机形究竟是隐变量引起的还是决定论的混沌现象。（2）：人们发现即使看上去很简单的系统（比如单摆、三体运动）也能产生混沌而表现得相当复杂。这一点启发我们，许多真实系统观察到的复杂行为，很可能只有一个简单的起源。混沌的出现导致了真实系统行为的不可预测性。这是因为，（1）：系统对初始条件有相当敏感的依赖性（2）：实际测量中我们只能得到存在误差的近似结果作为初始条件。但是一个决定论混沌系统，尽管看起来相当复杂，似乎完全随机，但是却蕴藏着规律与秩序，因此短期预报是可行的。复杂系统行为的短期预测已经成为混沌的一个重要应用。混沌的另一个重要应用是可以用微小的扰动对混沌系统进行控制，这一技术已成功应用于各种机械的、电子的、激光的、化学的系统和心脏组织的控制上。
混沌理论的成功开启了复杂性科学研究之门，它突破了人们的一个心理障碍：没有一个复杂系统会因为太复杂而不可触摸，人类已经到了直面复杂系统，攻克复杂性难题的时代。复杂性科学的研究论题极为广泛，包括人类语言、生命起源、计算机、演化生物学、经济学、心理学、生态学、免疫学、自旋玻璃、DNA、蜂群、地震、自组织等等。它使我们有理由相信，客观世界是非线性的，而产生现实世界迷人的复杂性的根本原因就是系统的非线性。有序与无序的相互影响，简单与复杂的重叠交错，构成了复杂的现实世界。同时我们更有理由相信，世界是统一的，服从简单的完美的统一的规律，甚至会有一个简单的起源。而在由简单到复杂构成复杂世界的过程中扮演重要角色的一定会有这位成员：非线性。
自从热力学第二定律建立起来后，就一直伴随着争论，一是热寂说，已经在大爆炸模型前破产了，一是与生物进化论的冲突。科学家们都很清楚，如果无法从物理的角度解释进化论，无法解释生命现象，就无法摆脱宗教与玄学的干扰与纠缠。现在，我们终于可以自豪的说，热力学与进化论并不矛盾，无序到有序的进化过程符合物理学的标准。这一切要感谢普里高京学派的工作……
欲知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:42 回复此发言
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之四：耗散结构
比利时布鲁塞尔学派领导人普里高京于1967年在第一届理论物理与生物学国际会议上发表了名为《结构、耗散和生命》的论文，正式提出了耗散结构理论。普里高京因此获得了诺贝尔奖。
耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经济的系统）处在远离平衡态的非线性区域，当系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡相变，其状态可能从原来的混乱无序的状态转变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新状态，这种新的有序结构（耗散结构）需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。
耗散结构有四个条件：（1）系统必须是开放的，（2）系统必须处于远离平衡态，（3）系统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落导致有序。
自然界的生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽多彩的生物世界。同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。孤立系统不能产生有序结构，因为根据热力学第二定律，孤立系统的熵是永不减少的。因此耗散结构一定产生于开放系统，必须存在由环境流向系统的负熵流，而且能够抵消掉系统自身的熵增，才能使系统的熵减小，有序度增加。玻尔兹曼原理虽对解释平衡结构是成功的，却无法用来说明非平衡的有序结构，对于平衡态系统各个微观组态是等概率出现的，对于生物体，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体按各种要求与层次组成的，在各层次上都表现出有序性，因此自组织现象（尤其是生命现象）只能在远离平衡态的条件下生存。因此普里高京认为，非平衡是有序之源。从系统内部组织的相互作用和动力学行为来看，能形成耗散结构的系统以及其演化过程所服从的动力学方程都是非线性的。在一些自组织现象如贝纳德流、激光、化学振荡的出现都是伴随着对称性破缺的突变现象，这些系统经历对称性破缺形成时空有序结构是自发进行的。涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的状态或轨道。对稳定系统来说，涨落是一种干扰，它引起系统的无序，这时系统有抗干扰能力，迫使涨落衰减，如果系统处在不稳定的临界状态，小的涨落不仅不会衰减，反而会被放大，驱动系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是耗散结构强调的“涨落导致有序”。
普里高京学派认为，自组织是这样形成的：首先是系统内部的功能（即系统内部所包含的非线性、自催化、反馈机制等），由于这种功能，当系统离开平衡时，其无序状态会失去稳定性，另一方面是时空或功能结构，当无序状态失稳时，系统的功能所容许的有序结构是稳定的，最后一方面是涨落，当无序状态失稳后，涨落扮演了扰动的角色，促使系统从无序状态跃迁到有序状态。
总之，所谓自组织过程是指系统内部具有一定功能的开放系统在远离平衡态时，因其无序状态的失稳，在系统内部涨落的驱动下转变为宏观尺度上稳定的时间、空间或功能结构的过程。形成的结构称作耗散结构，它必须在系统不断与外界交流物质、能量的条件下才能维持。自组织必定是由系统内部的功能而自发形成的，外界之提供一定的条件而不进行直接的干预与安排。
自然界的美、自然界的结构与和谐性不是上帝创造的，而是自组织的结果。在研究结构起源时有两种趋势，一是着眼个体，将万物分解为基本的单元，如将晶体分解为分子、原子、原子核、电子、中子、质子、夸克等，或将生物体分解为器官、组织、细胞、细胞膜、细胞核、分子、原子等，这种方法取得了巨大的成功。另一种趋势是强调事物的整体性，即亚里士多德强调的整体大于部分的总和，即研究系统各部分的联系与相互作用对整体的影响，这种方法正在迅速发展。
谈到这里，也许许多人会对世界的复杂性有了一定程度的认识，也似乎在告诉我们，任何宏观物质都是极为复杂的，那种在数学上的理想化方程与物理上的理想化模型一定会或多或少的与事实存在偏差。然而，实验再一次证明，理想化模型在现实世界里的确是存在的，而且一度成为科学前沿，经久不衰，并有几位研究者获得了诺贝尔奖……
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作者： 四维升天 2007-3-21 09:42 回复此发言
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5 回复：【科普知识系列】
之五：广义超流
1995年，在爱因斯坦理论预言玻色-爱因斯坦凝聚70年后，终于在有限空间关于铷、钠等中性原子气体实验中观察到气体的这种“凝聚现象”，这是轰动物理学界的一件大事，三位发现者获得了诺贝尔奖。玻色-爱因斯坦凝聚与广义超流存在密切的关系，截止2003年，因对广义超流（超导、液氦的超流等）的研究而获诺贝尔奖的物理学家竟有18位之多。
三维空间中的粒子分为两类：玻色子与费米子（美籍华人崔奇因发现二维电子气的分数量子霍尔效应获得了诺贝尔奖，这种电子既不是费米子也不是玻色子，目前称为任意子）。它们的本质不同是：费米子（电子、质子、中子、夸克等）受泡利不相容原理的制约，而玻色子（光子、氢原子、氦原子等）不受限制。偶数个费米子组成的系统是玻色子（比如氢、氦等），奇数个费米子组成的系统仍是费米子（比如氦的同位素氦3、氦电离掉一个电子后的氦离子等），周期表中约有四分之三的稳定同位素是玻色子。然而一般温度下（室温附近）热运动掩盖了它们的区别（两种粒子都近似表现为经典的波尔兹曼统计），要想得到玻色-爱因斯坦凝聚（几乎所有的粒子都分布在基态上）就必须降低温度。而就是这一“简单”的降温过程，却让所有的物理学家大吃一惊，它揭开了很久以来（或者说人类有史以来）自然界不为人知的一面，超导、超流等现象的出现，成了20世纪后半叶的热点之一。
荷兰科学家昂内斯将最后一种元素氦液化了，从而达到了人类从未达到过的低温，在研究低温下汞的电阻时发现，在4.2K附近，电阻突然消失了，这就是超导现象，昂内斯因为实现了氦的液化和发现超导体而获得了诺贝尔奖。直到目前为止，所有的精密仪器也没有测出超导体的电阻率，仅仅给出了一个上限：即使存在，也不大于10^(-25)Ω*m（比纯铜小一万万亿倍），有人将一个超导铅环感应出电流后，电流不需要电源，持续流动了三年多仍没有测出电流的变化。早期认为超导体仅仅是没有电阻的理想导体，并根据经典电磁理论得出了冻结磁通的概念，这种错误观点在没有实验验证下竟存在了22年，可以说阻碍了超导体的理论研究。直到1933年迈斯纳发现了超导体的另一个更基本的性质：完全抗磁性（是磁悬浮列车的理论依据），才对超导体的重要性有了更深刻的认识（迈斯纳因此获得了诺贝尔奖）。1957巴丁、库伯和施里弗给出了超导BCS理论（共同获得了诺贝尔奖，其中巴丁是唯一一位两次获诺贝尔物理学奖的科学家。），超导体载流子不是普通的电子，而是两个电子由于交换声子（量子化的晶格振动，属玻色子）形成了束缚电子对（库伯对），碰撞库伯对中的一个电子，它会将动量传递给另一个电子，从而保证整个体系动量守恒，能量没有损失。电子是费米子，但库伯电子对（因包含两个电子）是玻色子，因此降温导致的玻色子集体效应产生了正常态到超导态的相变过程。实验还发现了第二类超导体，存在部分量子化的冻结磁通，临界温度也高得多，BCS理论难以解释，目前存在很多其他理论来解释第二类超导体，但据我所知还很不系统。
由于超导体的无电阻性和完全抗磁性，使得它有广阔的应用前景。（1）：超到储能，一次储能可长期无损耗的保存，又可瞬间放出，可储能量高，体积小。（2）：超导磁体可提供人类从未达到过的强磁场，目前已有很多重要应用。（3）：在受控热核聚变反应中，可产生束缚等离子体的强磁场。（4）：磁流体发电机。（5）超导旋转电机。（6）：超导磁悬浮列车。（7）：超导电网。（8）：超导量子干涉仪（磁强计，可监测人体产生的心脑磁场等极为微弱的磁场）。（9）：超导重力仪。（10）：磁心脏仪。（11）：超导检流计。（12）：高频电磁辐射发生器。（13）：微波监测器和接受机。（14）：超导计算机（计划中）等。
与超导类似，人们又发现了液氦的超流动性，实验也无法测出它的粘滞系数，而仅仅给出了一个上限：不大于10^(-11)Pa*s，在2.17K时，氦可以不受任何阻碍的流动。朗道由于对物质凝聚、超流和超导的研究特别是液氦的研究获得了诺贝尔奖，较深入的分析要用到量子统计理论。氦的同位素氦3是费米子，它的化学性质与氦完全相同，但在超流方面却有巨大差异。氦3也有超流动性（发现者获得了诺贝尔奖）与超导电子类似，由于氦3间的各种相互作用导致费米原子配对，从而形成玻色子系统，低温下产生玻色-爱因斯坦凝聚，从而表现出不寻常的一些性质。天文上的中子星内部也是超流的，在其内壳区与外核区存在超流中子和超导质子。有人猜测星体内可能存在超子超流体，也有人认为人体和动物体内的条件下很细的毛细管内血液流动也是超流的（否则正常血液流不进去），也有人设想人体内的电流是超流的，虽然没有实验上确切的证明，却拓宽了科学家们的思路与研究范围。
一般气体降温都会凝结为液体和固体（氦没有固态），但在强磁场中，自旋极化的氢原子气体等，在分子数密度不大时，一直降温到接近0K仍保持气态。可以观察到分子间相互作用可忽略的气体的玻色-爱因斯坦凝聚，1996年，观察到凝聚了约五百万个钠原子的凝聚态。由于周期表中大部分是玻色子，若能在温度不太低时就能实现玻色-爱因斯坦凝聚，可能会发现尚不知晓的新的的物理现象，甚至可能会制造出室温超导体，其应用前景不可估量。
量子力学子建立以来，经受了最严格的考验，逐渐为物理学家所接受，并迅速渗透到经典物理的各个领域，体现出了强大的生命力，甚至在相当多的经典领域内起到了化腐朽为神奇的功效。古老的光学也在量子力学的感召下焕发出了新的活力，它使人们对光的认识更深了一步的同时，也给人类带来了一项改变世界的发明……
预知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:43 回复此发言
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6 回复：【科普知识系列】
之六：激光原理
波尔早在研究氢原子的时侯就已经关于光与物质的相互作用提出了两个非常重要的概念：受激吸收与自发辐射。受激吸收即粒子吸收一个光子由低能级跃迁到高能级，自发辐射即高能级粒子不稳定，会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子。爱因斯坦于1917年提出了光与物质相互作用的第三种方式：受激辐射。即高能级粒子在一个外来光子的诱导下会跃迁到低能级，同时释放一个与诱导光子完全相同的光子，也就是实现了光放大。受激辐射理论为激光的出现奠定了理论基础（爱因斯坦由此导出了普朗克的黑体辐射公式）。
受激辐射的发现表明，当一束光射向介质时，有可能存在这样一种情况：它非但不会衰减，反而能诱导引发出新的光子，而且新的光子的频率、相位、偏振状态、传播方向等均与如射光束完全相同，也就是说光通过某种介质可以实现受激辐射的光放大。
由吸收与受激辐射的关系可得到粒子数反转、增益等概念。在一般的热平衡介质中，低能级上分布的粒子数占据了绝对优势，故一般情况下，光通过介质不会被放大，要想实现光放大，就必须设法使粒子大部分跃迁到高能级上，并能在高能级上滞留足够长的时间。也就是说，受激辐射必须大于受激吸收。当处于高能级的粒子多于低能级粒子时，称为粒子数反转（或粒子数布居反转），这是一种非平衡态，若仍用经典的玻尔兹曼平衡分布表达式，这种介质就必须用“负绝对温度”来描述了（因此有人通俗的将负温度说成比无穷大更高的温度）。
实现了粒子数反转的介质称为激活介质，光子在激活介质中传播，光强会随距离的增加指数增长。为了产生并维持介质的激活状态，就需要外界通过适当方式不断将低能级原子抽运到高能级（称为泵浦），比如：气体放电、闪光灯、化学反应、核能等（依靠加热是不可能的，可通俗的认为加热不可能将温度升高到比无穷大还高的温度）。
仅仅有了激活介质还不够，因为它会对所有方向的光都有放大作用，产生杂乱无章的输出。这就需要一个新的部件：光学谐振腔。一般它由一个全反射凹面镜和一个99%反射、1%透射的凹面镜组成，光在两面镜子间来回反射，并不断放大，只要谐振腔满足一定条件，就可以产生稳定的激光。也就是说，激活介质与光学谐振腔是产生激光的必要条件。
自从1960年梅曼演示了第一台红宝石激光器以来，激光器件得到了前所未有的发展。各种各样的激光器层出不穷。从与微波接壤的远红外激光一直延续到软X射线激光，以介质来分可分为：气体、液体、固体、等离子体、半导体、染料、自由电子、准分子等，从泵浦方式分可分为：电激励、化学反应激励、核能激励、光激励等，功率方面小到微瓦（用于光互联、光计算等）大到太瓦（用于激光核聚变），有连续输出，也有4fs的超短脉冲……
目前应用最广泛的气体激光器是He-Ne激光器，激光是Ne原子受激辐射产生的。可以产生632.8nm的激光，功率只有几个毫瓦到几十毫瓦，但它有很好的光谱特性，在精密测量方面具有重要应用。目前应用最广泛的激光器是半导体激光器，它是1962年由四个小组的科学家同时研制成功的，由于具有体积小、耗电少、电压低、效率高等优点而获得了广泛应用。又由于近年来半导体材料科学与技术、微电子科学与技术的成就，半导体激光器产量占了各类激光器的99%以上，又因为它具有寿命长、功率高、易调制、响应快等优点，在光通信、光存储、光计算等信息科学领域有广泛应用，一个新兴的光子学正在兴起并快速发展。
人们对电磁波的研究不仅加深了对物质运动规律的认识，也不断开发出一些改变世界的技术：对无线电的研究导致了广播、电视、远程通信的发展；对微波的开发导致了雷达、导航、射频加速器、波谱学、和物力、航天技术的发展；对X射线的研究使之很快应用到透视、探伤、晶体结构、集成电路光刻等方面，而激光的发明开发了一种由远红外到软X射线的强电磁波源，由此而发展的激光加工、激光通信等得到了广泛应用，毫不夸张的说，光是我们认识世界的最好工具。
量子力学为光学注入了新鲜血液，相对论自然也不示弱。相对论与光学的结合：又一个化腐朽为神奇的故事……
欲知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:43 回复此发言
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7 回复：【科普知识系列】
之七：同步辐射
一位天文学家在无意中发现了一个特殊的脉冲信号，这一信号以极为精确的时间间隔出现在记录仪器上，大约每隔几毫秒就会出现一个完全相同的信号。这令他兴奋不已，以为发现了外星人发出的信息。然而事实并不这么浪漫，据考证，这是一个射电脉冲星发出的同步辐射。脉冲星就是高速旋转的中子星，由于角动量守恒，恒星坍缩形成的中子星一般会高速旋转。因为表面存在极强的磁场，旋转会产生沿着切线方向的同步辐射，每转一周，会扫过地球一次，因此观测到的几毫秒的时间间隔就是脉冲星的自转周期。脉冲星也因此被誉为宇宙灯塔。
根据经典电磁理论，带电粒子有加速度就会辐射电磁波，电磁波的分布在与加速度垂直的方向上最多，且对称分布。美国劳伦斯发明了回旋加速器（因此获得了诺贝尔奖）不久，这种加速器的缺点就暴露无遗。由相对论可知，粒子质量会随速度增大而增大，接近光速时趋向无穷。因此回旋加速器只能将质子加速到几十MeV，有人因此发明了同步回旋加速器（同步辐射因此而得名），依据质量的增大规律设计电路使得频率与质量增大同步进行，保证粒子有稳定的轨道。应用这种方法将质子加速到了100GeV，似乎理论上可以将质子加速到任意高的能量，然而问题出现了。经典电磁理论认为在圆轨道上的带电粒子会在速度正向和反向对称的辐射电磁波，然而相对论表明，这只是低速近似，在接近光速时，粒子向正向辐射电磁波的能量趋向无穷大，而反向则侧趋向零。也就是说加速的粒子向前发射光子，由于反冲作用使之难以进一步加速。这种辐射就是同步辐射。粒子物理学家们为此伤透了脑筋，想尽了各种办法也没有解决这种他们眼中的“废能”，终于放弃了各种尝试而改建几十公里长的直线加速器。然而光学家们却忽然意识到，同步辐射是一种比激光还要好的新型光源。
与激光的显著不同是：它的发光原理是单纯依靠带电粒子的“拐弯”即加速来实现的，而且绝大部分辐射向着粒子运动的前方辐射。而激光的原理则是粒子在两能级间的受激辐射。由于同步加速其中的电子能量很高，它辐射的光子能量也很高，其频谱分布很宽，可以从红外到X光波段。过去的强光源都不能提供连续的光谱，而同步辐射在很宽的范围内都能提供各种波长的强光，其频率可以连续调节，使用非常方便。可在同步辐射光源上装上单色仪，进行连续扫描。
同步辐射主要沿轨道切向发射，光束很窄，可得到很高的光强。同时可以具有极高的功率与亮度，而且几乎100%是线偏振光，偏振方向在轨道平面内。由于同步辐射加速器的技术已经比较成熟，其稳定性非常好，做光学实验精度高、重复性好。
1970年以后，第一代同步辐射光源与高能物理实验共用（北京正负电子对撞机，一机两用）。1974年进入了第二代：专门为产生同步辐射而设计（合肥中科大）。20世纪80年代末，发展了第三代同步辐射光源，在环形管道内加一些扭摆磁铁，使其波段光强大大提高（上海，具体地点不清楚）。同步辐射光源在生物学中可进行生物大分子结构分析、活细胞三维成像等，在地学、材料学、医学、集成电路光刻、光学元件等方面的开发有重要应用。
近年来兴起了一种自由电子激光，具有激光的光学谐振腔，基本原理却与同步辐射相同，即利用扭摆磁铁使电子偏转，单纯利用电子“拐弯”来辐射光子。具有激光器与同步辐射的双重优点，因此被一些人称为第四代同步辐射（中科院高能所北京自由电子激光装置：BFEL），在国防、医学、固体物理、材料科学、生命科学、能源等领域有广泛应用。
我国在同步辐射方面的投入和成果，不会落后于世界上任何一个国家，相信这一领域前途是无限光明的。提到相对论，人们最先想到的应该就是那个改变世界的方程：E=Mc^2。在战争年代，我们的前辈见证了它可怕的力量：瞬间摧毁一座城市，死亡率50%。在倡导和平与发展的今天，它又会带给我们什么……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:44 回复此发言
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8 回复：【科普知识系列】
之八：应用核能
自从进入20世纪，能源的消耗量激增，特别是70年代爆发的“石油危机”更体现出人类对能源需求的这种日益紧迫的现状。我国也已由原油出口国变成了进口国，而且是目前唯一一个以原煤作为主要能源的国家。将煤、石油、天然气这些宝贵的不可再生的化工原料当作燃料燃烧掉，这本身就是一种潜在的巨大的资源浪费。因此，调整能源结构、寻找开发利用新能源迫在眉睫。
由质能方程可知，物质蕴含着巨大的静止能，通过核裂变与核聚变可以获得其中的一部分（一般小于1%），这部分能量是相应化学能的大约一百万倍。若能找到或制造出大量反物质，利用正反物质湮灭可得到几乎100%的静止能，然而寻找反物质前途渺茫，制造反物质又难以批量生产，因此对核能的利用目前比较现实的就是核裂变与核聚变。
最初实现的核反应是用加速器加速质子轰击原子核，由于库仑排斥，根本得不偿失，因此1937年，核物理之父卢瑟福逝世前曾说过，核物理只是纯粹的基础研究，很难有实际应用。但1939年发现用中子轰击铀核可引发裂变，并能放出2到3个中子，从而产生连锁反应。这开辟了释放核能的途径。1945年，爆炸了第一颗原子弹，1954年苏联建成了第一座核电站，到1995年底，全世界已有33个国家有核电站432座，总发电能力34.0347万MW，目前核电已占世界耗电量的17%左右，而立陶宛占76.37%，法国占75.29%，比利时占55.77%。由此可见，核能的发展是相当迅速的。核能之所以能有如此迅速的发展，除能量巨大外，还有运输方便、地区适应性强、储量丰富等优点。1千克铀=3000吨煤，而且其污染远远小于火电站。
天然铀有两种同位素：U238(占99.3%)和U235(占0.7%)。当中子能量很高时，U238只有很少一部分裂变，低能中子不能使U238裂变，而是被大量吸收。因此U238不能产生连锁反应。采用慢化剂使中子减速到热中子以使大量U235裂变的反应堆称热中子反应堆，简称热堆。我国自行设计建造的第一座核电站---秦山核电站已于1991年建成，发电功率30万kW，1993年从法国引进的两座90万kW的核电站（建于广东大亚湾）也开始运行。U238不能直接作为核燃料，中子能量减少时会被U238强烈吸收后变成U239，U239经过两次β-衰变变成Pu239,而Pu239是裂变物质，可以做核燃料，这就是目前比较热门的增值反应堆，顾名思义就是核燃料会越烧越多。我国是一个缺铀国家，因此很有必要发展增值反应堆。U235裂变一次约产生2.5个中子，维持裂变反应只需要一个，其余可让U238吸收，可使核燃料增值。
快中子反应堆是用快中子来产生裂变，需要高浓缩的铀，但可以使燃料增值，而且最重要的是，它可以使天然铀的利用率从1%到2%提高到60%到70%，因此快堆被誉为“明天的核电站锅炉”，即第二代反应堆。1989年11月，清华大学核能技术研究院设计建造了一座5MW低温核供热反应堆，是世界上第一座安全性能好的压力壳式低温核供热堆，另一座20万KW的低温核供热堆已由清华大学设计完成，并将在大庆油田兴建。
1升水=300升汽油，这就是核聚变的威力，而且核聚变是一种绿色能源，几乎没有任何污染。若能找到一种可控核聚变装置，可以说，能源将是取之不尽用之不竭的。目前世界各国都在核聚变方面有很多投入。
实现可控核聚变比较先进的方式目前有两种：超导托卡马克装置和激光惯性约束。超导托卡马克即用超导体产生强磁场，用来约束等离子体，使之不能与器壁碰撞。同时产生环形电流将等离子体加热到1亿度，并维持足够长的时间，即可释放出聚变能。激光惯性约束即将一个装有氘、氚的靶丸用功率密度很高（10^14到10^16W/cm^2）的激光束或离子从四面八方照射靶丸，表面迅速气化形成反冲力使靶丸中心物质被压缩到很高的密度，同时产生很高的温度，导致微型热核爆炸，释放聚变能。我国核物理学家王淦昌于1964年提出依靠激光实现惯性约束的思想，但当时激光器刚刚诞生，还没有实用价值。经过多年努力，现已取得了重大进展。目前世界各国都在可控核聚变方面展开了激烈的竞争，我国也已将惯性约束引入863高科技项目中进行研究，相信聚变能走进我们的生活已为期不远了。
将一头大象放大一倍，结果会怎样呢？我们来分析一下。假设密度不变，体积显然变成了原来的三次方，因此体重变成了原来的三次方，但腿的截面积却仅变成原来的平方，这样，大象的腿就不能支撑身体的重量，被引力“压扁了”。同样，身体的其它部位由于无法适应这种变化，会导致大象无法正常生存。在这个例子里我们似乎看到，物体的尺度似乎并不简单，将物体简单的放大或缩小，它不会“适应新的环境”，或者说可能就会表现出一些未知的性质而不会遵从我们的日常经验了。我们可以想象，将物体的尺度减小到几个纳米到几百纳米，也就是说组成物体的颗粒中包含数目不是很惊人的原子时，这时物体会有什么新的性质呢？又会有什么应用呢？了解它们对我们的生活又能产生什么影响呢……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:44 回复此发言
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9 回复：【科普知识系列】
之九：纳米科技
纳米材料即几何学尺寸为纳米（1nm=10^(-9)m）量级的微粒，或由这些微粒在一定条件下加压形成的固体材料，由于处于宏观与微观的交界处，量子效应导致纳米材料具有奇特的物理性质，因此成为20世纪80年代的研究热点，并成为21世纪材料科学研究与应用的一个新领域。纳米科技将是生命科学与信息科学等技术革命的的关键，由纳米电子学和纳米生物学结合产生的生物分子机器可在1秒钟内完成几十亿个动作，纳米级晶体管和存储芯片将成百万倍的提高计算机的速度和效率。纳米材料也已逐步渗透到生产生活的各个领域，可以说，纳米时代正在向我们走来。
由量子力学的波函数概率诠释，波函数的模与t时刻某点处找到粒子的概率成正比，这使得人们仅关心波函数的模，而长期忽略了它的相位。1959年，阿哈罗诺夫与玻姆提出了被称为A-B效应的理论，证明了电磁学中的磁矢势A也具有物理实在性，尽管A不出现在洛仑兹力公式中，不会改变电子的受力，却可以引起电子波函数的变化，公式中多了一项干涉项。从此以后，宏观量子效应被逐步发现，1981年，前苏联沙尔文父子在微米级尺度上观察到了电子的A-B效应。而克利青发现的量子霍尔效应与崔奇（美籍华人）等人发现的分数量子霍尔效应均获得了诺贝尔奖。量子力学与固体物理学的结合，形成了介观物理学，为纳米科技与纳米材料奠定了理论基础。
纳米微粒尺度很小，只有100到10000个原子左右，其中50%左右分布在表面，正是这一特殊结构，导致了它的一些特殊物理效应。（1）：小尺寸效应：由于纳米微粒比可见光波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质与普通材料不同，其吸光能力特别强，一般呈黑色。利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出有一定频宽的微波吸收纳米材料。（2）：界面效应：由于表面原子比例很大，因此有很大的比表面积，具有很高的活性，一些金属纳米粒子在空气中极易氧化，甚至会燃烧。（3）：量子尺寸效应：指粒子尺寸下降到极低值时，会产生明显的量子效应，导致纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏观材料明显不同。（4）：“库仑阻塞”：纳米金属颗粒或半导体量子点常被称为“库仑岛”。若一个库仑岛尺寸足够小，电容低于10^(-6)F时，一个库仑岛只能容纳一个电子，可以用来研制单电子器件。
纳米固体材料可利用激光等离子体技术进行高温气相合成，或用化学沉积法制得粉料，然后压制烧结成型。目前制备纳米晶体的方法是惰性气体沉积加上原位加压法，即将初始材料在1kPa的惰性气体中蒸发，原子与惰性气体碰撞后沉积在低温冷阱上形成粉末，在真空下压制成纳米晶体材料。1991年11月，日本科学家发现了一种不同于碳60的碳的新结构：纳米碳管。碳管直径约1到30纳米，长度可达一微米，可看成是由石墨片卷成圆筒状。纳米碳管有一些特殊的性质，且具有惊人的强度，其韧性比其他纤维高200倍以上，填充其他物质后的碳纳米管可能会用于制造超导精细电子线路，具有广泛的应用前景。
工程技术专家和科学家意识到一个重要问题：微电子器件尺寸能否可以不断缩小下去。现在我们知道，当器件尺寸小到纳米量级时，电子的波动性及能量的不连续性等量子效应凸显，器件就自然失去了它的设计功能，于是人们开始设计、开发和研制新型纳米器件，如量子干涉晶体管、单电子晶体管、单电子存储器、弹道传输器件、纳米光学器件等。纳米材料在微电子器件、磁记录、传感器等方面也有重要应用，有人尝试用纳米硅材料制作单电子隧道二极管（隧道二极管发明者日本科学家江奇获得了诺贝尔奖，这里指的是单电子隧道二极管），也有人尝试制作纳料硅基超晶格。信息时代要求记录材料有高的性能与高的记录密度，每条信息要记录在几个平方微米甚至更小的面积上，纳米微粒为这种高密度记录提供了有利条件。由于纳米微粒对环境如温度、光、湿度等十分敏感，因此可以制作灵敏度很高的传感器件。
纳米科技尽管发展了很多年，已经获得了巨大成功，但它仍是一门前沿学科，其前景依然诱人，我们完全有理由相信，21世纪的纳米科技会有更辉煌的成就。
一块普通的石头会不会发光呢（不包括反射光）？会。而且我们完全可以用仪器监测到，只是它发出的光我们看不到而已。也就是说，即使在伸手不见五指的深夜，我们依然生活在一个光的海洋里。而这种看不见的光又会有什么应用价值呢？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:45 回复此发言
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10 回复：【科普知识系列】
之十：红外光谱
1865年，麦克斯韦由电磁场理论预测到电磁波的存在，并且提出了光的电磁波说，这是人类认识论上的一次巨大飞跃，也为电磁波的应用奠定了理论基础，同时，对电磁波本性的深入研究最终导致了20世纪的两大支柱：量子论与相对论的诞生。1887年，赫兹首次用实验验证了电磁波的存在，以及证实了麦克斯韦的推测：光是一种电磁波。即电磁波与光波性质完全相同。此后，人们又进行了许多试验，不仅进一步证实了光的电磁波说，而且证明了陆续发现的X射线、γ射线等也是电磁波。所有电磁波本性完全相同，只是波长（或频率）有所差异。按波长（或频率）将电磁波排列成谱，组成了一个庞大的电磁波谱。大量实验表明，电磁波谱没有上限和下限，从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线到X射线、γ射线等都是电磁波。电磁波在各波段上都有极为广泛的应用，可见光只占电磁波谱中极为狭小的一段。原因是这一段是太阳辐射功率最大的一部分，生物选择这一小段作为可见光有利于进化，不同生物的可见光范围不同，对人来说是400nm到760nm。
红外线处于电磁波谱的0.76μm到600μm波段处，由黑体辐射定律可知，常温下所有物体都会辐射红外线。红外线可用于红外雷达、红外照相和夜视仪等，有显著的热效应。红外技术作为光电子技术的一部分，对研究计算机扫描与应用具有重要作用。根据红外辐射在地球大气层中的传输特性，通常分为近红外（0.75μm到3μm）、中红外（3μm到30μm）、远红外（30μm到1000μm）在全部电磁波谱中，红外辐射是最容易产生的：一切常温下的物体都是红外源。
当红外辐射照射物体时，若物体中存在两个间隔与红外光子能量相当的能级时，光子可能会被吸收，物质分子跃迁到高能级。若分子又跃迁回低能级，并放出光子，称此过程为散射。但在此之前有可能存在某种机制使它“退激”，即分子将能量以热能的形式转移出去，这就是红外吸收。宏观上就表现为红外辐射很强的热效应。大气中氮气、氧气等主要成分几乎不吸收红外线，而二氧化碳、水蒸气、臭氧、一氧化碳、氢氟酸等都有红外吸收带，使红外辐射在传播中衰减。实验表明，大气对0.3μm到2.5μm，3.2μm到4.8μm，8μm到73μm范围内对红外线几乎是透明的，通常称为大气窗口。大气中的二氧化碳对红外线的吸收会造成温室效应，导致全球变暖，海平面上升，淹没沿海城市，影响全球气候，已引起普遍关注。红外光具有与可见光一样的直线传播性质，还具有干涉、衍射、偏振、波粒二象性等一切电磁波都具有的性质。
根据红外辐射与物体的相互作用表现出的各种物理效应，可将看不见的红外线转化为可见光或其他可测量物理量，这就是红外探测。红外探测具有极为广泛的应用，可以利用红外技术制造各种类型的红外探测器、红外成像器件。红外技术最重要的应用之一实际上是在军事上，但由于本人对军事没兴趣，因此只提一句，有兴趣者可参考一些相关资料来了解。
20世纪60年代，在现代物理学、计算机技术、空间技术等的支持下，发展了一门综合性的探测技术：遥感技术。现代遥感技术在农业、地质、测绘、海洋、水文、气象、环境科学、资源调查（当然，还有军事）等方面有广泛应用。他是利用飞机、卫星等运载工具将传感器带到空中以至太空去接受和记录各种物体发射和反射的电磁波辐射，并对这些写信号进行图像处理、分析、识别和检测，自然，红外技术必不可少。为了掌握各种地球资源的光谱特性，美国曾于1969年对600多种岩石和矿物，1000多种土壤，大约3000多种植物和60多种水样进行和电磁波反射、吸收、辐射等特征的系统测定和分析，为地球资源的遥感探测建立了基础资料。红外光谱还是仪器分析中的重要分析手段之一，是测定分子结构，尤其测定有机物分子结构中更是大显身手，红外光谱、紫外光谱、核磁共振、质谱等被称为测定分子结构的四大谱。
在电磁波谱早期，研究热点是无线电波。现在无线电已走进了千家万户，我们每天都在接受广播、收看电视。近代物理主要研究对象之一是核物理，那么无线电与原子核又会有什么联系呢？它们的结合又会带给人类怎样的成果呢？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:45 回复此发言
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11 回复：【科普知识系列】
之十一：核磁共振
1946年，美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布，他们发现了核磁共振NMR。两人因此获得了1952年诺贝尔奖。核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场（处在无线电波波段）同时作用下，当满足一定条件时，会产生共振吸收现象。核磁共振很快成为一种探索、研究物质微观结构和性质的高新技术。目前，核磁共振已在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域中得到了广泛应用。
原子核由质子和中子组成，它们均存在固有磁矩。可通俗的理解为它们在磁场中的行为就像一根根小磁针。原子核在外加磁场作用下，核磁矩与磁场相互作用导致能级分裂，能级差与外加磁场强度成正比。如果再同时加一个与能级间隔相应的交变电磁场，就可以引起原子核的能级跃迁，产生核磁共振。可见，它的基本原理与原子的共振吸收现象类似。
早期核磁共振主要用于对核结构和性质的研究，如测量核磁矩、电四极距、及核自旋等，后来广泛应用于分子组成和结构分析，生物组织与活体组织分析，病理分析、医疗诊断、产品无损监测等方面。对于孤立的氢原子核（也就是质子），当磁场为1.4T时，共振频率为59.6MHz，相应的电磁波为波长5米的无线电波。但在化合物分子中，这个共振频率还与氢核所处的化学环境有关，处在不同化学环境中的氢核有不同的共振频率，称为化学位移。这是由核外电子云对磁场的屏蔽作用、诱导效应、共厄效应等原因引起的。同时由于分子间各原子的相互作用，还会产生自旋-耦合裂分。利用化学位移与裂分数目，就可以推测化合物尤其是有机物的分子结构。这就是核磁共振的波谱分析。20世纪70年代，脉冲傅里叶变换核磁共振仪出现了，它使C13谱的应用也日益增多。用核磁共振法进行材料成分和结构分析有精度高、对样品限制少、不破坏样品等优点。
最早的核磁共振成像实验是由1973年劳特伯发表的，并立刻引起了广泛重视，短短10年间就进入了临床应用阶段。作用在样品上有一稳定磁场和一个交变电磁场，去掉电磁场后，处在激发态的核可以跃迁到低能级，辐射出电磁波，同时可以在线圈中感应出电压信号，称为核磁共振信号。人体组织中由于存在大量水和碳氢化合物而含有大量的氢核，一般用氢核得到的信号比其他核大1000倍以上。正常组织与病变组织的电压信号不同，结合CT技术，即电子计算机断层扫描技术，可以得到人体组织的任意断面图像，尤其对软组织的病变诊断，更显示了它的优点，而且对病变部位非常敏感，图像也很清晰。
核磁共振成像研究中，一个前沿课题是对人脑的功能和高级思维活动进行研究的功能性核磁共振成像。人们对大脑组织已经很了解，但对大脑如何工作以及为何有如此高级的功能却知之甚少。美国贝尔实验室于1988年开始了这方面的研究，美国政府还将20世纪90年代确定为“脑的十年”。用核磁共振技术可以直接对生物活体进行观测，而且被测对象意识清醒，还具有无辐射损伤、成像速度快、时空分辨率高（可分别达到100μm和几十ms）、可检测多种核素、化学位移有选择性等优点。美国威斯康星医院已拍摄了数千张人脑工作时的实况图像，有望在不久的将来揭开人脑工作的奥秘。
若将核磁共振的频率变数增加到两个或多个，可以实现二维或多维核磁共振，从而获得比一维核磁共振更多的信息。目前核磁共振成像应用仅限于氢核，但从实际应用的需要，还要求可以对其他一些核如：C13、N14、P31、S33、Na23、I127等进行核磁共振成像。C13已经进入实用阶段，但仍需要进一步扩大和深入。核磁共振与其他物理效应如穆斯堡尔效应（γ射线的无反冲共振吸收效应）、电子自旋共振等的结合可以获得更多有价值的信息，无论在理论上还是在实际应用中都有重要意义。核磁共振拥有广泛的应用前景，伴随着脉冲傅里叶技术已经取得了一次突破，使C13谱进入应用阶段，有理由相信，其它核的谱图进入应用阶段应为期不远。
自然界如果缺少了颜色，蔚蓝的天、洁白的云、火红的霞……那该是何等的憾事。因为有了颜色，所以世界如此美丽。那么颜色是什么？为什么物质会有不同的颜色？或者更确切的说，为什么我们能感受到不同的颜色？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:46 回复此发言
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12 回复：【科普知识系列】
十二：颜色之谜
牛顿用三棱镜把太阳光分成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫这七条光带，应该是人们对光的认识的最早的突破。后来的实验表明，可见光是庞大的电磁波谱中极为狭小的一段（400nm到760nm）。实际上，波长最长的红光与波长最短的紫光在人的感觉上又连接起来了，这就是通常所说的“红得发紫”。而且各种颜色间没有明显的界限，是连续变化的。研究表明，任何一种颜色都可以由三种颜色的光合称，这就是三原色理论。通常将光的三原色选择为红、绿、蓝三色，原因是它们差不多等量混合得到的是白光，而且合成其它常见颜色时，其系数在绝大多数情况下都是正值。理论上可以选择任意三种颜色作为原色。
色视觉与人眼的结构密切相关，可见光通过眼角膜进入眼睛后，经晶状体折射后在视网膜上成像。视网膜由杆状细胞和圆锥细胞组成，且分布不均。视网膜中心有一凹斑，称为黄斑，此处全是圆锥细胞，离黄斑越远，圆锥细胞比例越小。杆状细胞主要用来感光，其灵敏度约是圆锥细胞的500倍，而圆锥细胞主要产生色视觉，观察物体的颜色主要靠黄斑和其附近的圆锥细胞。有一种色视觉理论认为，圆锥细胞有三种类型，每种类型含一种色素，分别对应三种原色，对光进行选择吸收，通过神经将信息送到大脑，大脑将这些信息综合处理，得出对颜色的判断。据统计，约有5%的男性与0.8%的女性是各种不同程度的“色盲”（如红绿色盲、全色盲），他们很可能是缺少相应的一种或几种色素。
当然，仅有人眼和大脑的精致结构还不够，还要有外界刺激，也就是要考虑为什么不同的物体会有不同的颜色。这就需要光与原子相互作用的模型。绝大多数物体本身并不发光，它呈现的颜色是由投射到它上面的外来光被反射、透射、散射、吸收的结果。从量子观点看，散射是光子先被吸收，后被发射的两步过程。但是由于量子力学数学结构比较复杂，而且更关键的是对于一般的现象，经典的电磁理论，也就是洛仑兹的电子论就可以给出很好的近似。电子论认为，原子中的电子在外加电磁场的驱动下做受迫振动，当光的频率与原子固有频率接近时，就会产生共振现象，这就是共振吸收。显然，共振吸收频率与物质结构与组成有关。也就是说，不同的物质会对外来光的频率有选择的吸收，这样，共振吸收改变了散射光的频率组成，吸收较少的光就可以更多的进入人眼，从而产生色视觉。
再来考虑一个问题：为什么很多物体如石头、金属等都不透明，而有些如钻石、玻璃等物质是透明的？这也可以由洛仑兹电子论解释。电磁波谱中不同频率的电磁波没有本质的区别，计算表明，任何物体在电磁波谱中都有透明区，只不过玻璃等的透明区恰好落在可见光区罢了。对于绝缘体或半导体，有两个透明区：电磁波谱的低频区和高频区。玻璃对红外线是不透明的（塑料或玻璃大棚的温室效应原理），而橡皮在红外线下却是透明的，而在可见光区不透明。对于导体一般只有一个透明区：高频区。比如在X射线的照射下，金属通常都是透明的（X射线探伤原理）。这些性质除了取决于外加入射光的性质（频率、组成）外，只取决于介质自身的性质：折射率、消光系数和电导率（对于铁磁体一般还要考虑磁导率）。
1871年，英国科学家瑞利从经典电动力学证明，振荡偶极子散射电磁波的辐射强度与入射光的频率四次方成正比。蓝紫光频率约是红光的两倍，散射强度就是红光的16倍左右。瑞利据此解释了天空为什么是蓝色的这个问题。而海水为何是蓝色的这个问题是由印度的拉曼解决的，它并不是从前认为的天空的反射色，而是水分子固有电偶极距在红外线作用下极易振动，这一振动一直延伸到可见光的红橙光区，因此对红橙光也有一定的吸收，每15m深的水就使红光衰减1/4，因此海水也显蓝色。瑞利和拉曼均获得了诺贝尔奖。
色光是越拼越白的，但为什么颜料却越涂越黑呢？颜料的三原色等量混合为什么得到的是黑色呢？这个问题还是作为思考题留给读者吧。
100多年前的那场量子革命至今令人神往不已，因为那是属于年轻人的充满挑战的时代。它将我们从宏观世界带进了精彩的微观领域。那么我们又是如何一步步走进微观世界的呢？那么请记住19世纪末的三个年头：1895年、1896年、1897年。这三年的三个大发现揭开了微观世界的序幕，可以说，这是近代物理的真正源头……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:46 回复此发言
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13 回复：【科普知识系列】
十三：三大发现
原子论最终确立之后，人们自然会提出一个问题：尺度在0.1nm数量级范围的原子是否真的不可再分。直到19世纪末，才有了突破性进展：1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线；1896年，法国贝克勒尔发现了放射性；1897年，英国物理学家J.J汤姆孙发现了电子。
早在1858年，实验室中就已经出现了一种叫做阴极射线管的东西，在两端加上高压，就会在阴极上产生一种当时未知的射线，被称为是阴极射线。阴极射线管在实验室里默默的为人们工作了近40年，其间有许多物理学家让真理从鼻尖下溜走了，其中有位物理学家发现自己的阴极射线管旁边的胶片无故曝光了，于是认为胶片质量有问题，将厂家告上了法庭，他因此获得了大笔赔款，却与诺贝尔奖失之交臂。1895年11月8日的傍晚，伦琴用黑纸将放电管包起来，在暗室里进行实验，却发现远处的荧光屏有荧光放出。伦琴认为这绝不是阴极射线导致的，应该是一种未知的射线，由于当时对这种射线一无所知，因此他命名为X射线。接着他针对X射线作了一系列实验，于当年的12月28日发表论文，并公布了他妻子的手指骨的X光片。X射线立即引起了轰动，仅1896年一年内就有1000多篇相关论文发表，伦琴因此也获得了1900年第一届诺贝尔奖。
德国物理学家劳厄证明了X射线是波长比紫外线还短的电磁波，并作了晶体衍射实验，因此获得了诺贝尔奖，布拉格父子也因对X射线的研究获得了诺贝尔奖（小布拉格为最年轻的物理奖得主），此后沃森和克里克利用X射线晶体衍射技术确定了DNA分子的双螺旋结构，获得了诺贝尔生理学医学奖。但在当时，X射线的起源却成了一个谜，只有了解了原子内部结构和微观世界粒子的运动规律才能够解释X射线的起源，它促使人们去探索原子的内部结构。
X射线发现不久，法国的贝克勒尔很快想到，若荧光物质在强光照射下，是否在发出荧光的同时会发出X射线。于是他将一种荧光物质：钾铀酰硫酸盐晶体放在用黑纸包住的底片上，若能放出X射线则底片会感光。结果果然底片感光了。事隔一周，他想继续实验，但一连两天不见太阳，他认为未经强光照射的荧光物质经底片感光后最多只是微弱的影像，但恰恰相反，底片上出现了很深的感光黑影。他进一步作了一系列实验，发现这种射线并不是X射线，而是荧光物质中的铀特有的一种放出射线的性质，其他含铀化合物也有这种性质。他将这种性质称为放射性。
放射性的的发现立即引起了玛丽.居里的注意，1896年夏，她开始致力于放射性研究，很快她就于1898年发现了与铀的放射性强度相近的元素：钍。钍发现后，玛丽的丈夫皮埃尔.居里也参加进来，他们很快于1898年7月发现了放射性比铀强得多的元素：钋。1898年12月，居里夫妇宣布发现了放射性比铀强100万倍的元素：镭。镭的发现立即震惊了全世界，人们发现镭毫不疲倦的无休止的放射着惊人的能量，它的性质无法用任何当时已有的化学知识来解释，能量起源也成了放射性的一大谜团（直到1905年才由爱因斯坦找到答案），当时很多人不相信镭的存在，按照当时的传统观点，要证明镭是一种化学物质就必须测出镭的原子量，并在周期表中找到它相应的位置。居里夫妇又经过了4年之久的艰苦工作，终于从几吨矿渣中提炼出了0.12克氯化镭，测出了镭的原子量。1903年，居里夫妇和贝克勒尔获得了第三届诺贝尔奖。卢瑟福后来发现，各种放射性元素放出的射线可归结为三类：α射线、β射线、γ射线。放射性与X射线一样，有广泛的实际应用，目前美国医院中的药物有一半左右为放射性药物，放射性在医学、生命科学、工业生产、材料科学等领域中有不可替代的作用。
1897年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的J.J汤姆孙终于揭开了困扰物理学家近40年的阴极射线之谜。他的实验表明，阴极射线并不像一些人猜测的那样是电磁波，而是一种带电的粒子流，这种粒子的质量小于当时已知的最轻的氢原子的千分之一，汤姆孙将这种粒子命名为电子。他进一步证明了，电子是一切材料的组成成分。电子是第一个被发现的基本粒子，它的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。J.J汤姆孙培养了一大批优秀的研究生如：卢瑟福、威尔逊、巴克拉、G.P汤姆孙等，成为20世纪初的骨干力量之一，英国剑桥、德国歌廷根和丹麦的哥本哈根最终成为当时物理学家神往的三大圣地。值得一提的是：他证明了电子是粒子，而他的儿子G.P汤姆孙证明了电子是波，并且均获得了诺贝尔奖。
在前面的十几篇文章中，零零碎碎有意无意的穿插了一点量子力学的内容，但不太系统，因此我觉得有必要了解一下量子力学的基本公设，在下一篇文章中你也许会在量子力学公设中体会到量子的独特魅力和诡异的行为。
作者： 四维升天 2007-3-21 09:47 回复此发言
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14 回复：【科普知识系列】
十四：量子公设
第一公设--波函数公设：微观粒子的运动状态是由波函数（又名物质波）描述的，波函数的模方为粒子的概率密度函数。
1900年，普朗克首先由黑体辐射理论引入了谐振子的能级差公式：E=hν。1905年，爱因斯坦将此公式推广到电磁波，提出了光量子理论。1917年，爱因斯坦再次提出公式：p=h/λ，认为光子有动量。因此这两个公式称为普朗克-爱因斯坦关系。1923年，德布罗意提出了物质波假设，将这两个关系推广到任意粒子，揭示了微观世界的普遍规律：波粒二象性，第一次引入了物质波（也就是波函数）的概念。波恩进一步指出波函数的物理意义：波函数本身没有物理意义，而它的模方是粒子的概率密度函数，提出了波函数的概率诠释。
第二公设--算符公设：经典力学中的力学量对应量子力学中相应的算符，算符的本征值为力学量的测量值，量子化过程就是力学量的算符化过程，量子力学中的所有力学量算符的本征函数都有完备性。
1925年，海森伯、波恩和约当建立了矩阵力学形式的量子力学，海森伯建立了经典力学量与算符的对应关系，并建立了算符间的对易关系，提出了著名的海森伯不确定关系。即坐标算符与动量算符不对易。量子力学中有条定理：只有互相对易的算符才有共同的完备的本征函数系，它们才能被同时测量。
第三公设--测量公设：若系统波函数处在本征态（即系统的某个本征波函数），则测量的结果为系统的本征值，若系统波函数不处在本征态，则测量将导致波函数坍缩，即测量过程为了提取系统信息一定会对孤立系统产生某种影响，使系统的波函数以一定的概率向某个本征态跃迁。此过程是随机的、不可逆的、斩断相干的和非定域的。
1913年，波尔提出氢原子理论时，引入了定态、能级、跃迁等重要概念，矩阵力学与波动力学殊途同归后，由冯.诺伊曼将量子力学统一表达出来，发现波函数有两种行为方式：一种是未测量时的孤立系统遵从严格的因果律，俨然就是经典力学的波动方程；一种是为了提取系统信息而进行的测量过程，也就是波函数的坍缩过程，也就是量子跃迁过程。测量原理经过哥本哈根学派的讨论，融入哥派的正统诠释。可以通俗的理解为，未经测量的电子它表现得象波，但每次测量结果得到的总是一个电子，从没有发现半个的情况。波函数坍缩有大量的实验支持，尤其是90年代做的一系列关于原子双缝干涉的which way实验，以及证实量子芝诺效应的实验表明，波函数坍缩的确是真实的过程，测量决不是简单的信息提取过程，更是信息的制造过程，是一种真正的变革过程，测量方式的不同会得到系统不同的“未来”。
第四公设--演化公设：孤立系统在未经测量的过程中，波函数的演化规律遵从与经典力学能量动量关系相应的波动方程。
若了解了经典力学的能量动量关系，再加上普朗克-爱因斯坦关系就可以写出类似于光学中的波的色散关系，由色散关系立刻就能得到系统满足的波动方程，再加上定解条件就可以得到系统的波函数，而目前为止系统的一切信息都包含在波函数中。1925年，薛定鄂导出了与牛顿力学能量动量关系相应的波动方程，提供了一个应用极为广泛的近似方程。后来克莱茵和高登导出了与相对论能量动量关系相应的波动方程：KG方程，解决了自旋为0的粒子高速状态时的演化，狄拉克利用他超凡的数学才能引入了旋量结构，导出了另一个与相对论能量动量关系相应的波动方程：狄拉克方程，解决了自旋为1/2的粒子的演化。
第五公设--全同公设：全同粒子不可区分。（或者说：全同粒子体系的波函数对于玻色子是交换对称的，对于费米子是交换反对称的）
全同公设的处境类似于历史上几何学的第五公设，没有人怀疑它的正确性，因为有相当多的实验证实，但是它作为公设的独立性却有些人表示怀疑，但至少目前为止，它还是个公设。泡利在研究氦原子光谱时提出了著名的泡利不相容原理：原子中的任意两个电子不能处在相同的量子态上。这是有划时代意义的，在此原理基础上，立刻就可以得到元素周期律。而且揭示了一个普遍规律：全同粒子不可区分。由于微观粒子没有轨道的概念，由系统波函数无法区分系统中的全同粒子。泡利又根据全同粒子不可区分性、相对论和量子因果律导出了著名的泡利定理：全同玻色子体系的波函数是交换对称的，满足玻色-爱因斯坦统计；全同费米子体系的波函数是交换反对称的，服从费米-狄拉克统计（或泡利不相容原理）。第一次揭示了自旋与统计之间的深刻联系。
下面我们回到发现电子的时代，也就是1897年。在此之前，化学与物理彼此独立，作为整个化学基础的元素周期表就如同一个空中楼阁一般，化学家们担心这座大厦可能会随着某个实验的诞生而轰然倒塌，化学家们辛苦了几个世纪的劳动成果很可能如热质说一般不堪一击。门捷列夫刚提出周期表时，甚至有著名的化学家嘲讽他说，将元素按照英文首字母排列也可能会出现某种规律性。电子的发现指引人们，原子是有内部结构的，周期律之谜很可能与原子结构有关，也就是说，揭开了原子结构之谜，也就有可能揭开元素周期律之谜，整个化学就有了坚实的物理基础，与物理风雨同舟，再也不怕风吹雨打了。J.J汤姆孙和他的学生们以及学生的学生们还有学生的学生的学生们抢得了先机，而且一路领先，争先恐后的在物理学这一舞台上展示才华与激情，20世纪前半叶的诺贝尔奖似乎是专为这支人马设立的……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:48 回复此发言
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15 回复：【科普知识系列】
之十五：原子结构
众所周知，电子是带负电的，显然，原子中应该存在带正电的物质，汤姆孙提出了一种“葡萄干布丁模型”，他假设原子的正电荷均匀分布在整个原子球体内，而电子是镶嵌在其中的，为了能够解释元素周期表，他进一步假定电子分布在一些同心圆上，每个环上存在有限个电子。这一模型不久就被他的学生卢瑟福推翻了。在当时，X射线与放射性刚发现不久，是当时研究的热点。卢瑟福在X射线与放射性方面做出过许多突出贡献，尤其是他发现了放射性射线的三种成分：α射线，β射线，γ射线，而且证明了α射线就是氦离子。
卢瑟福利用镭放射出的高能α粒子作炮弹轰击各种原子，通过测量出射的α粒子的角分布来研究α粒子与物质的相互作用。1909年，他的学生盖革和马斯顿等在实验中发现有约八千分之一的粒子被反射回来。这一实验直接否定了汤姆孙的葡萄干模型，通过严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的有核模型。他认为原子几乎所有的质量和全部电荷都集中在一个非常小的体积内，称作原子核，电子在核外绕核运动。为了证明这一理论，他们又经过了无数的反复实验，最后以严格的、确凿的实验结果证实了散射理论与有核模型。
卢瑟福的学生中有十几位诺贝尔奖获得者，著名的有玻尔、查德威克、科克罗夫特、卡皮察、哈恩等，原子核发现后，卢瑟福于1919年利用α射线轰击氮原子核，在人类历史上首次实现了“炼金术”，第一次实现了核反应。从此元素在也不是永恒不变的东西了。卢瑟福通过一系列核反应发现了质子也就是氢离子是一切原子核的组成成分，并预言了中子，中子后来由他的学生查德威克发现，并且最终确立了以质子和中子为基础的原子核结构模型。泡利不相容原理建立之后，元素周期律也得到了解释。卢瑟福后来被称为核物理之父。当然，就在英国轰轰烈烈的时候，不要忘记法国的居里夫妇，因为卢瑟福一系列发现所需要的原子炮弹就是放射性元素（尤其是镭）放出的α粒子。此时的法国成立了居里实验室，居里因车祸丧生，玛丽因在放射性方面的成就再获诺贝尔化学奖，有名著《放射性通论》传世，居里实验室后由小居里夫妇：约里奥.居里和伊莱娜.居里主持，同样人才济济，与三大圣地相比也毫不逊色。小居里夫妇运气差了一点，发现中子被查德威克抢了先，发现正电子被安德森抢了先，发现核裂变被哈恩抢了先，机遇稍纵即逝。不过最后终于因为人工放射性的发现而获得了诺贝尔奖。如今放射性同位素已经达到了几千种，绝大多数都是人工产生的，这要归功于小居里夫妇。
有核模型在实验上取得了成功，但与当时的基础理论存在严重的冲突。按经典电动力学，由于电子作圆周运动，一定会辐射电磁波，由于损失了能量，会在1ns时间内落入原子核，同时发射连续光谱。也就是说，理论上根本就不可能存在原子这种东西。但是原子的确存在，而且是稳定的，发射线状光谱，有大量的实验事实和整个化学的支持。1911年，一个26岁的丹麦年轻人来到剑桥，随后转到曼彻斯特的卢瑟福实验室，从而了解到了原子核这一惊人发现。最终，他找到了有核模型的一个根本性的修正方法，既能说明原子的稳定性，又可以计算原子的半径。他就是与爱因斯坦齐名的尼尔斯.玻尔。
1885年，瑞士的一位数学教师巴尔末发现了氢原子可见光谱的一个经验公式，后由瑞典物理学家里德伯推广为里德伯公式。1900年，德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念，解释了黑体辐射谱。1905年，爱因斯坦提出了光量子概念。这些结论给玻尔很大的启发。在这些启示下，玻尔于1913年将量子化的概念用到原子模型中，提出了玻尔的氢原子模型。这一模型的关键是玻尔引入的三个假设。定态假设：电子只能在一些分立的轨道上运动，而且不会辐射电磁波。频率条件假设：能级差与原子吸收（或放出）的光子能量相同。角动量量子化假设：电子的角动量是约花普朗克常数的整数倍。通过一系列推导，氢光谱之谜逐渐浮出水面，取得了巨大成功。玻尔因此荣获1922年诺贝尔奖。尽管玻尔模型现在看来是比较粗糙的，但它的意义并不在于模型本身，而在于建立模型时引入的概念：定态、能级、跃迁等。玻尔引入了对应原理，协调了氢原子模型与经典力学间的冲突。玻尔成功后，拒绝了导师卢瑟福的邀请，回到祖国，并在哥本哈根成立了研究所（后改名为玻尔研究所），玻尔研究所吸引了一大批来自世界各地的优秀青年物理学家，其中就包括量子论的创始人海森伯、泡利和狄拉克，形成了浓郁的学术气氛，此时的哥本哈根开始了对基本物理规律的探索。
直到现在，物理学仍然大体可以分为两派，一派是以爱因斯坦为代表的经典物理学派，成员大致有普朗克、德布罗意、薛定鄂等；一派是以玻尔为首的哥本哈根学派，成员大致有波恩、海森伯、泡利、狄拉克等。自然，这场争论还没有结果。那么即玻尔氢原子之后，物理学又发生了什么变化？两位科学巨人争论的焦点又是什么？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:48 回复此发言
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16 回复：【科普知识系列】
十六：殊途同归
许多人都觉得1900年普朗克发现能量量子化是量子力学的开端，实际上，这只是个起点，量子力学真正创立于1925年，比广义相对论晚了整整10年。1925年，海森伯和泡利依据原子的离散能级，通过改造经典力学建立了一种全新的矩阵力学，其中最著名的莫过于海森伯的不确定关系，粒子的坐标和动量不能被同时测量准确。几乎与此同时，奥地利的薛定鄂找到了德布罗意提到的波函数所服从的一个波动方程，建立了波动力学。表面看来，它们毫无关系，甚至风牛马不相及，但是他们通过计算得到的所有结论居然完全一致，并且与实验结果也非常符合。不久，海森伯、薛定鄂、泡利等人相继证明了两种理论居然是完全等价的，只不过是同一个物理规律的两种数学描述。狄拉克和冯.诺伊曼又对量子力学的数学结构作了许多调整，使得量子力学两种描述完全统一起来。因此有人感叹，殊途同归。
量子力学最深刻的最基础的内容是什么？哥派会说不确定原理（或由此引申出的互补原理）；经典学派会说波粒二象性。实际上，它们也是等价的。德布罗意不愧是学历史出身，通过科学史居然挖出了一个最大的宝藏：物质的波粒二象性。当时（1924年）爱因斯坦的光量子理论已经诞生了19年，尽管有光电效应等实验作为理论基础，但是光的波粒二象性仍然让许多人将信将疑。而德布罗意却做得干净彻底：既然光有波粒二象性，电子为什么不能有？如果电子有波粒二象性，一切物质是否都有？能量量子化以及原子的轨道角动量量子化都引入了整数，而当时整个物理学界其他领域中引入整数的只有波的简正振动。通过类比，他推广了普朗克-爱因斯坦关系，提出了波函数假设。戴维森、革末和G.P汤姆孙分别用实验完全证实了电子的普朗克-爱因斯坦关系。由波粒二象性可知，粒子确定的动量对应一种单色波。然而世上有单色波吗？完全可以肯定的说：没有。在已知的任何领域，即使原子光谱中也没有发现过绝对的单色光，总有一定的频率宽度。与之相对应的是，自然界中的粒子在有限空间中永远没有确定的动量，总有一定的动量不确定度。通过数学中的史瓦兹不等式利用波粒二象性可以导出海森伯的不确定关系。又一个殊途同归。
值得一提的是，虽然波函数现在可以描述系统的全部信息，但是能够用来提供系统所有信息的数学工具却并非波函数一种。格林函数也是可以包含系统全部信息的一种工具。费曼提出了第三种量子化方案，即路径积分方案。费曼路径积分中的传播函数就与格林函数只差一个常数。费曼曾夸口，没有人提出的量子化方案会比他的路径积分还要简洁明了。在此之前，量子力学在求解有电磁场的问题时，用的是正则量子化方案，即将公式中的机械动量替换为正则动量，然后将力学量算符化。在量子电动力学中曾经遇到过发散困难，哈佛大学的施温格发明了重整化理论，消除了无穷的困扰，但他的论文据说有上百页。费曼将路径积分应用到量子电动力学中，代替了正则量子化。当时费曼还不懂重整化，施温格也不懂路径积分，但是他们对照各自的笔记，发现相应的运算结果居然完全相同。量子论中真是有太多的殊途同归了。
求解波动方程，对大多数物理学家来说基本都是小菜。这样，氢原子解出来了，谐振子解出来了，各式各样的量子效应都解出来了，大量的验证实验都证实了它的正确性，大量改变世界的新技术因此而诞生……似乎物理学的天又晴了，然而似乎还有一个问题。加上似乎两个字是因为这个问题对哥本哈根学派来说已经不是问题了，而对经典物理学派尤其是爱因斯坦来说，这个问题当然不能让人用两个字给糊弄过去。这个问题就是：波函数是什么？
哥派认为，波函数本身没有意义，它的模方是粒子出现的概率密度函数。尤其诡异的是，在未测量时，波函数服从严格的因果律；而测量时，仪器将不可避免的对系统产生作用才能提取（甚至是制造）信息。系统与仪器发生相互作用导致波函数坍缩，即以一定的概率向某个本征态跃迁过去。
经典学派不否认波函数坍缩，他们或认为粒子是波场中的奇性点，波场才是真正的物理实在；或是寻找可能遗漏的隐变量；或是试图将量子力学建立在热力学的系综原理基础上；总之，他们的目的是寻找波函数坍缩的细节。他们认为，没有关于波函数坍缩细节描述的量子论至少是不完备的。他们试图通过找到这种过程的细节描述来从理论上彻底消除概率，还回一个因果律支配的世界。
哥派认为经典学派完全是白费力气，他们的方向走错了。测量过程中，仪器与系统的作用根本无法截然分开，即使是最微弱的测量，想要得到系统信息也一定会改变系统的状态，而正是这一点导致了不确定关系，因此这种相互作用是无法描述的，世界的本源就是概率，量子跃迁没有细节，是一个最基本的过程。
许多人接受了哥派这一解释，因为至少它与实验精确相符，而且不用花大力气去探讨波函数坍缩，更重要的是，直到目前为止，至少从实验方面，量子力学是完备的，还没有发现量子力学无法解释的实验现象。但是显然，爱因斯坦没有理会玻尔那一套，他那句经典名言：上帝不会掷骰子成为经典学派的精神支柱。玻尔的反驳同样成为经典名言：不用你告诉上帝该做什么。
波函数坍缩，两种截然不同的观点。决定论与概率论似乎不可逾越的峡谷之间，是否会在云雾深处存在一座桥梁？是否又是一次历史性的殊途同归？
薛定鄂方程唯一不尽如人意的地方是它不满足相对论的要求。美国的劳伦斯发明回旋加速器后，经过不断改进，使人类进入了粒子的高能领域。空前绝后，种类繁多的“基本粒子”的出现让物理学家们眼花缭乱。薛定鄂方程对新粒子的产生却根本无法解释。这时候，人们想到了相对论……
欲知后事如何，且看下回分解……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:49 回复此发言
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17 回复：【科普知识系列】
十七：演化规律
薛定鄂方程解释了原子发射光谱相当多的谱线，而且能够预言谱线宽度等实验事实，因此远比玻尔氢原子模型要精巧的多。而且以薛定谔方程为基础连里的量子力学在物理学的各个领域都大显神通，每一项以量子为基础的新技术的提出几乎都会改变世界的面貌。然而还有很多谱线薛定谔方程无法解释。比如钠黄光的谱线应该是一条波长为589.3nm的谱线，但实验给出的却是589.0nm和589.6nm的两条靠得很近的双线。为了说明这种双线结构，乌愣贝克和古德史密斯特于1925年提出电子自旋的概念，电子在磁场中的行为就像一根小磁针。自旋概念作为一个相当重要的概念被保留下来，但是认为它起源于电子自转的假设立即被否定了，因为要使电子产生实验观测到的磁矩，电子自转速度将远远超过光速。自旋作为一个外来的东西结合薛定鄂方程即可解释几乎所有的光谱。当时狭义相对论已经提出20多年，为当时研究的热点，可惜的是薛定谔方程不满足相对性原理。
薛定谔早年提出过一个后来被称为KG（克莱因和高登）方程的波动方程，它是满足相对性原理的，只可惜由于没有考虑电子自旋，无法得到与实验相符的结果。KG方程还有其它的一些困难，比如负能量困难、负概率困难等。后来泡利发现，只有把KG方程解释为场方程，将波函数再一次算符化（二次量子化）才能避免负概率困难，但负能困难仍然存在。后来发现反粒子之后被认为是沿着时间轴反方向运动的粒子，这样负能困难也得到了解决。KG方程后来成为描述自旋为0的粒子演化规律的有效工具。而且与相对论类似，在速度远小于光速时，KG方程近似的等价于薛定谔方程。然而对于电子为什么有自旋这一额外的自由度，KG方程仍无法了解。狄拉克给电子找到了一个波动方程——狄拉克方程。它同样满足相对性原理，只是这个方程是一个“数学怪物”，它是一个四分量的旋量方程。通过数学推导和角动量守恒这一普遍规律，很自然的得到了电子自旋的概念。相对论量子力学终于摆脱了人为引入自旋的尴尬境地，电子自旋原来是一种总角动量守恒下的相对论效应。四分量旋量方程中，有两个分量是描述电子的，余下的两个量似乎毫无意义。狄拉克敏感的意识到，另外两个似乎没有意义的分量描述的是带正电荷的电子，也就是电子的反粒子。正电子预言不久后就被安德森发现。狄拉克利用这个方程得到了氢原子的严格解，与实验惊人的相符，并证明了电子自旋g因子是2。狄拉克方程是自旋为1/2的粒子的波动方程，并不是只有电子才适用。狄拉克方程没有负概率困难，但仍然存在负能困难。负能困难是相对论量子力学的普遍性质。为了避免这一困难，狄拉克起初提出了真空负能电子海的概念，在泡利原理的协调下避免了这一困难，但是对于KG方程同样存在负能困难，而且由于KG方程描述的是玻色子，无法引入负能海的概念。因此，有一些科学家人为狄拉克的负能海已经完成了它的历史使命，狄拉克方程的负能困难还是应该像KG方程那样用沿着时间轴反向运动的粒子来解释。
20多年后，实验物理学家终于找到了狄拉克方程无法解释的实验：电子反常磁矩和兰姆移位。这并不是说相对论的基础——相对性原理错了，而是我们将库仑场想象的太简单了。在这两个实验的基础上建立了更精确的（也可以说是目前为止最精确的）理论：量子电动力学。该理论指出，电子与核的库仑力是由于电子与核交换虚光子实现的。虚光子在传播过程中产生虚的正负电子对，电子对再湮灭为虚光子，此过程称为真空极化。真空极化的屏蔽作用导致了兰姆移位。电子运动中会发出虚光子，然后再吸收它，表现为电子与它自身的电磁场发生相互作用，从而改变电子的固有磁矩。实验观测到的g因此并不是狄拉克方程预言的2，而是2.002319304376（8），与2的相对偏差为0.001159652188（4）。量子电动力学预言的相对偏差为：0.001159652133（29）。物理学家们以此为基础又建立了相对论量子场论。
人们在宇宙线、加速器、对撞机中发现了种类繁多的“基本粒子”，尤其是对撞机中，新粒子总是在高能对撞中产生。这是薛定谔方程无法解释的。在粒子数表象中，有两个很重要的算符：产生算符和湮灭算符。在薛定谔方程中这两个量总是成对出现的，即粒子在一个能级上湮灭后在另一个能级上产生，粒子数是守恒的，不会产生新的粒子。而通过求解狄拉克方程或KG方程可知，若有足够的能量，可以形成正负粒子对。比如，能量大于两倍电子静止能的光子可能会在重原子核附近形成正负电子对（之所以要在重原子核附近是要保证整个体系的能量动量守恒，因为按守恒律的要求，孤立的光子即使能量再高也不会转化为其它粒子）。早在安德森发现正电子之前，我国物理学家赵忠尧就已经通过高能γ射线与铅的相互作用观测到这一过程，但是由于当时的一些混乱和几个干扰实验，赵忠尧错失了发现正电子的机会，也与诺贝尔奖失之交臂。按量子场论的观点，真空是一切粒子的基态。若在小范围内存在足够的能量，则可能会激发出各种各样可能存在的粒子。
本节我们提到在对撞机中发现了种类繁多的“基本粒子”，我们自然会问，这些粒子真的是基本的吗？当我们发现了越来越多的元素，并发现了元素周期律后，会很自然的问一句：原子真的不可再分吗？同样，我们完全有理由追问一句：“基本粒子”真的不可再分了吗……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:49 回复此发言
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18 回复：【科普知识系列】
十八：粒子分类
电子、质子和中子相继被发现后，物理学家们又发现了许多“基本粒子”，这其中包括中微子、正电子、μ子、π介子、Κ介子、∧超子等。比较稳定的（寿命长于10^(-16)s）“基本粒子”共有30多种，再加上寿命很短的（小于10^(-20)s）共振态粒子,“基本粒子”家族已经有400多位成员了。为便于分析，将“基本粒子”分为强子、轻子、媒介子三大类。
轻子共有6种，加上各自的反粒子共12种。它们都是费米子，不参与强相互作用，包括电子、μ子、τ子和各自对应的中微子（电子型中微子、μ子型中微子、τ子型中微子）。目前的理论和实验都表明，轻子没有内部结构，是基本粒子。电子是原子的组成部分，是第一个被发现的基本粒子，μ子又叫重电子，它的质量是电子的207倍，会很快的衰变（2.2*10^(-6)s）为电子和中微子，最早由安德森和内德梅厄从宇宙线中发现。τ子又称超重电子，其质量比质子还大，这三种轻子在参与弱相互作用时会伴随着中微子。中微子在自然界中只有左旋形式，反中微子只有右旋形式，因此在有中微子参与的任何弱相互作用中，宇称守恒定律都会被破坏。李政道和杨振宁因此而获得了诺贝尔物理学奖。1998年的实验以99.99%的统计置信度证明了中微子有静止质量。
强子又分为介子和重子两类，是一个相当庞大的家族。介子是强子中的玻色子，1935年，汤川秀树理论预言了一种传递核力的粒子，于1947年被发现，并命名为π介子。π介子与原子核有强烈的相互作用，π0介子质量是电子质量的264倍，π±介子是电子质量的273倍。π介子一般衰变为光子。Κ介子有两种衰变方式，一种是衰变为π±介子两个粒子，一种是衰变为π±介子和π0介子三个粒子，由这两种衰变方式可知，Κ介子的衰变过程宇称是不守恒的。重子是强子中的费米子，包括两种我们最熟悉的粒子：质子、中子，它们统称核子。此外还有∑超子、∧超子、Ξ超子、Ω超子等。除了质子和核内的中子外，其他粒子都会很快衰变（自由中子平均寿命为930s）。
媒介子都是玻色子。其中，传递电磁相互作用的是光子，传递弱相互作用的是Ζ粒子和W±粒子。传递强相互作用的是8种胶子，理论预言的传递引力相互作用的是引力子（引力子尚未在实验中被发现）。
大量资料和实验表明，强子是有内部结构的。盖尔曼提出了强子的夸克模型。他认为强子都是由带分数电荷的三种夸克（和相应的反夸克）组成的，为使其符合泡利原理，引进了一个新的自由度，称为“色”。每种夸克都有红、绿、蓝三色。夸克模型成功的解释了大量强子的结构。但是1974年，丁肇中等人发现的J粒子（文献上称之为J/ψ粒子），它不是由已知的三种夸克组成的，因此引入了第四种夸克：粲夸克。丁肇中因此而获得了诺贝尔物理学奖。夸克理论又进一步预言，夸克应该有6种（上、下、奇、粲、低、顶），低夸克和顶夸克后来均被实验证实。夸克模型将庞大的强子家族收归自己旗下，随着越来越多的实验证实夸克的存在，强子不再被认为是基本粒子了。同时人们开始更多的关心夸克的行为。实验方面发现了夸克的两个重要性质，一个是夸克禁闭，一个是渐近自由。夸克禁闭是指在目前所有的实验中都没有观测到自由夸克，夸克似乎永远被关在强子内部；渐近自由是夸克的另一重要性质，即夸克间距离非常接近时，它们之间就几乎没有相互作用了。杨振宁和米尔斯提出规范场论后，杨振宁就一直试图用规范场来描述强相互作用。在此之前，夸克理论还一直是唯象理论，物理学间们提出了各种各样的“口袋”模型用来理解夸克行为。规范场描述的夸克是禁闭的，名不见经传的特.胡夫证明了规范场描述的夸克是渐进自由的。温伯格、萨拉姆、格拉肖曾用规范场统一了电磁相互作用和弱相互作用，如今强相互作用也可用规范场来描述。相信用规范场来统一电、弱、强相互作用已为期不远。如今越来越多的科学家开始相信，引力场很可能也是一种规范场。
现在我们来清点一下本文提到的基本粒子名单：6种轻子加上各自的反粒子共12种轻子；6种夸克每种有三色，再加上各自的反粒子共36种夸克；已证实的媒介子为光子、Ζ粒子、W±粒子、8种胶子共12种媒介子；也就是说已经被实验证实的基本粒子共有60种。如果未发现的引力子也算一种则总共是61种。
是不是理论预言的基本粒子（除引力子外）都被发现了呢？没有。目前最新的理论共预言了62种基本粒子。那么这个本文从未提到过的幽灵粒子究竟是什么呢？它有什么性质？它在整个基础理论中又处在什么位置？是主角还是配角？抑或只是一个没有多少作用的可有可无的过客？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:49 回复此发言
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19 回复：【科普知识系列】
十九：幽灵粒子
牛顿应用他的定律为物质定义了一个基本属性：质量。然而，质量是什么？质量的起源又是什么？如今大多数的粒子物理学家的观点是：根据粒子物理的标准模型， 是一种叫做“希格斯玻色子”的粒 子导致了质量的产生。这种神秘的粒子又被冠称为“上帝的粒子”，科学家 给希格斯粒子冠以如此神圣的 名字，原因很简单，只是为了衬托它的重要性。假如希格斯玻色子存在， 那么科学家就可以回答为什么物体会有质量 的问题。此外，希格斯玻色子的发现也可能会动摇整个物理学的根基。有很多科学家认为，“新物理”时代可能即将来临，而西格斯粒子就是它的突破口。一旦验证了西格斯粒子的存在，物质质量起源之谜就会被彻底揭开，有了西格斯粒子的加入，标准模型就取得了相当大的成功。如今的粒子物理学家们梦寐以求的就是验证西格斯粒子的存在。
1995 年 3 月 2 日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，粒子物理学标准模型所预言的 61 个基本粒子中的 60 个都已经得到了实验数据的支持与验证。但是仍然有一个粒子，仍然游离在实验之外，它就是希格斯粒子，而且正是这个粒子有可能会击毁整座基础物理学大厦。基本粒子可以分为两大类：费米子和玻色子费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理的粒子；玻色子则不遵从泡利原理。基本粒子的标准模型是一套描述电、弱、强相互作用的基本粒子的理论，它是基于杨振宁-米尔斯的非阿贝尔规范场论构造出来的，属于量子场论的范畴。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合二为一。这些理论都基于规范场论，把费米子跟玻色子配对起来，费米子负责构成物质的骨架，而玻色子负责传递相互作用。标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的 W 及 Z 玻色子；负责传递强核力的 8 种胶子。
希格斯子也是一种玻色子，然而它与传递相互作用的规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。在西格斯粒子未提出之前，杨 - 米尔斯规范场论无法应用到强、弱相互作用中，其主要障碍就是质量问题，规范场不允许玻色子带有任何质量，然而这一点却与实验不符，如果不能解决质量问题，将使得整个理论失去意义。
人们希望利用自发对称破缺来解决质量问题。1962 年，有人证明每一个自发对称性破缺都必定伴随着一个无质量无自旋粒子，1964年，英国物理学家希格斯解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被引入标准模型，标准模型通过引入希格斯场来实现希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。这样一来希格斯粒子就显得极为重要，可以说它是整个标准模型的基石，如果希格斯粒子不存在，玻色子就不是通过西格斯机制获得的质量，整个标准模型就会毁于一旦。
然而被实验物理学家们称之为“上帝粒子”的希格斯粒子却始终没有被发现。2000年9月，欧洲核子研究中心的科学家利用世界上最大的正负电子对撞机发现了一些西格斯粒子存在的迹象，但是该中心期望找到更确切的证据时，得到的却是相反的结果。科学家预计希格斯粒子存在的可能只有30%。我们的粒子物理大厦是建立在30%的概率基础上的。一旦希格斯粒子被证实不存在，那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动，我们不得不再次目睹终极理想离我们远去。一旦证明希格斯机制、希格斯粒子理论都是错误的，那就意味着大量的人力、物力、财力的巨大浪费。几十亿美元的巨额资金投入和无数科学家们的辛劳都将付诸东流。值得一提的是，标准模型并不是唯一的理论。早在数十年前就有人针对标准模型的缺陷提出了新的理论，即超对称理论。还有人提出了条件更为宽泛的弦理论，这些理论有希望一举统一四种相互作用，而不是像规范场论那样各个击破。而且即使实验观测到希格斯粒子，标准模型虽然无疑是巨大的胜利，但仍然面临将引力归入体系的难题，标准模型仍然任重而道远。英国科学家霍金曾下注100美元打赌希格斯粒子不存在，霍金是比较狡猾的：赢的概率是70%，为什么不赌？为避免倾家荡产只下注100美元。然而我们不必担心，参考他以前的“赌场”经历，他是逢赌必输的，因此考虑到这一因素，希格斯粒子存在的概率会大于30%。
标准模型的基础是规范场论，而规范场论作为三足鼎立（超引力、超弦、规范场）中的一足，又是目前为止最为活跃的领域，已经有多位物理学家因此而获得诺贝尔奖。而超引力和弦论虽然喊得很响，但是却没有得到多少实验验证，与之相比，规范场论优势明显多了。你是否有兴趣笼统的了解一下规范场论的内涵呢？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:50 回复此发言
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20 回复：【科普知识系列】
二十：规范场论
1999年瑞典皇家科学院宣布,该年度的诺贝尔物理学奖授予荷兰的特.胡夫与维尔特曼。理由是两位获奖者给粒子物理理论提供了坚实的数学基础，尤其是,他们证明,该理论可以用于物理量的精确计算。欧洲和美国的加速器实验器的实验证实了许多理论计算结果。皇家科学院还着重赞扬了他们的工作对于阐明在物理学中弱电相互作用的量子结构的巨大功绩。
这一宣布,引起巨大轰动。他们的贡献具体地说,就是解决了当前量子论发展的最高阶段——量子化的杨—米尔斯规范场的重整化问题。早在20世纪初，人们就认识到了麦克斯韦的电磁场理论中隐藏着一种对称性，后来称为规范对称不变性。也就是说四维电磁势在规范变换下保持麦克斯韦方程组的不变性。通俗的说就是，可以用不同的电磁势来描述同一个电磁场，而且得到的结论是完全相同的，在A-B效应发现之前，这一现象没有得到足够的重视，因为人们通常认为描述电磁场的量应该是电场E和磁场B，势只是一种辅助的数学工具，没有物理意义。但量子力学表明，势也存在可以观测的物理效应，这就使得电磁势的理论意义空前的重要起来。规范不变性实际上应该叫做相位不变性，分析表明，这一对称性直接导致电荷守恒定律。费曼证明，局域规范对称性加上洛仑兹变换可以导出麦克斯韦方程组。
杨振宁曾经试图将局域规范对称性纳入到强相互作用理论，但一直没有成功。1954年他与同事米尔斯提出了非阿贝尔规范对称性的概念，通俗的将就是在规范变换中相位因子不是一般的实数，而是矩阵，因此一般不满足乘法交换律（不满足交换律的群叫非阿贝尔群）。他们当初是想构造一个解释强相互作用的理论，虽然当时没有成功，却发现了非阿贝尔规范对称性。杨振宁-米尔斯的理论将人们的视野从阿贝尔规范对称性转移到了非阿贝尔规范对称性，后来的历史表明，这是量子论发展史上的一个里程碑。强相互作用理论没有成功的原因是，量子化的规范场论要求，规范粒子的质量必须是零，它的用途是传递相互作用，既然规范粒子质量是零，规范场就应该像电磁场一样有无限大的作用力程，也就是说，强相互作用力应该是长程力。但所有的实验都表明，强力是一种力程只有10^(-15)m的只在相邻核子之间起作用的典型的短程力，当时汤川预言传递核力的粒子是π介子，质量是电子的200多倍。也就是说，实验和当时的理论都要求，规范粒子的质量必须是一个不为零的数。后来的夸克理论和实验表明，核力是夸克之间的“剩余力”，强相互作用应该是夸克通过胶子产生的作用力，而胶子的质量的确是零，核力的短程性与分子间作用力类似，是一种长程力的剩余力。强相互作用的这一理论叫做量子色动力学，它是以八种无质量的色胶子作规范粒子，由它传递夸克之间的强相互作用，每种夸克又具有三种可能的颜色态，对比量子电动力学，将它称为量子色动力学，它是杨-米尔斯理论的重要组成部分。自然界中存在一种典型的短程相互作用，就是弱相互作用。既然是短程力，传递相互作用的粒子就应该有质量，似乎不能用杨-米尔斯理论来解释，但是在60年代，日本物理学家南部阳一郎将超导理论中的对称性自发破缺机制介绍到杨-米尔斯理论中，爱丁堡大学的希格斯表明，规范场论中对称性自发破缺效应会使某些原来没有质量的粒子获得质量，后来人们称这一机制为希格斯机制。或者通俗的讲，规范对称性并没有在弱相互作用中被破坏，而是被希格斯场隐藏起来了规范粒子依靠“吃”希格斯粒子获得质量。在强相互作用中自然不需要这种机制，但在弱相互作用中却是必须的。1966-1967年，温伯格、萨拉姆与格拉肖成功的应用希格斯机制建立了将弱相互作用和电磁相互作用统一起来的杨-米尔斯理论——电弱统一理论，并预言了传递弱作用的三种中间玻色子，1983年三种玻色子均被发现，从此自然界中存在四种相互作用的说法只能留在历史博物馆里了，三人也因此获得了诺贝尔奖。
在量子电动力学中，存在一个类似于20世纪初紫外灾难一样的困难，就是量子论的发散困难。由量子电动力学计算出的很多物理量如自能、质量、电荷等都是无穷大。后来日本的朝永振一郎、美国的施温格和费曼各自发展了一套数学方案，叫重整化，可以消除理论中存在的无穷大，并且可以将结果计算到相当高的精度，三人因此获得了诺贝尔奖。同样的问题出现在了杨-米尔斯理论中，人们很自然的会问，规范场论的发散困难是不是可以重整的？如果不可重整，一切都是毫无意义的。杨-米尔斯理论比量子电动力学复杂的多，是一个高度非线性的方程组，因此它的重整化当时谁也不能保证。60年代，许多著名的物理学家为此耗尽心血，仍没有成功。但这一难题却在1971年被荷兰年轻的博士（24岁）特.胡夫解决了。这一发现震惊了整个物理界，他的重整化方法非常巧妙，与施温格的重整化思路完全不同。后来的所有理论包括量子色动力学、电弱统一理论都是在有了重整化方案之后才有应用价值的。因此特.胡夫获得诺贝尔奖是当之无愧的。
下面我们从遥远的理论空间回到现实世界中来，一杯水的一半是半杯水，然后这样一直分下去会怎样呢？当然，一般就只剩下一个水分子了。学化学的人总喜欢说，分子是保持物质化学性质的最小单位。原因很简单，水分子再往下分就不叫水分子了（这里所说的分子包括单原子分子）。我们这个形形色色的世界就是由周期表中的100多种原子结合成分子组成的，事实上，周期表中的原子也不是平等的，它们也分主角和配角。比如6号元素碳，它形成的分子种类占总数的一半以上；而组成人体的元素除了C、H、O、N、P、S等比重较大外，其它几十种微量元素只占极少的一部分。我们知道，分子比原子复杂的多，那么原子又是凭借什么方式组成了如此种类繁多的分子的呢？比如说最简单的氢气分子，两个电中性的原子之间顶多会有一丁点儿类似于分子间作用力般的剩余电磁力，怎么可能会有强烈的吸引作用呢？为什么氢分子是由两个原子组成的而不是三个或更多呢？学化学的人更喜欢另一句话：结构决定性质。只有了解了原子组成分子的方式，了解了分子结构，才有可能了解我们身边的东西。然而，我们如何了解分子结构呢……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:51 回复此发言
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21 回复：【科普知识系列】
二十一：价键理论
19世纪下半叶，热力学的理论已经基本确立起来了，科学界存在两种截然不同的观点，一派以马赫和奥斯特瓦尔德为代表，坚持实证论，只承认从宏观现象总结出的热力学四定律和它的推论，反对原子论，对任何从微观机制探讨宏观现象的企图都嗤之以鼻，提出了唯能论的观点，并认为分子和原子不能直接观测（实际上现在我们已经可以很轻易的用扫描隧道显微镜看到原子了），因此研究分子运动是不切实际的空想。另一派以玻尔兹曼为代表，致力于探讨热力学背后的微观机制，从而创立了统计力学这一物理分支，当时对统计力学做出突出贡献的还有麦克斯韦和吉布斯。两派陷入了长期的争论之中，结局令人惋惜，玻尔兹曼最终于1906年自杀。更令人惋惜的是，就在1905年，爱因斯坦已经发表了关于布朗运动的划时代论文，佩林后来依据这一理论利用实验第一次得到了阿伏伽德罗常数（佩林也因此获得了诺贝尔奖），原子不可观测的神话终于被打破了。原子论最坚决的反对者奥斯特瓦尔德也因此于1908年放弃了唯能论，并承认原子论。1913年，玻尔发表了他的氢原子三部曲，物理学从此开始了对原子结构的探索。经过科学家门的努力，化学的基础：元素周期表得到了合理的解释。那么下一个摆在科学家面前的问题就是：原子如何结合成分子。
化学家将分子中原子间的强烈的吸引作用称作化学键，然而要认真的回答化学键的本质是什么，还真不是那么容易。最早的化学键学说是静电学说，即原子依靠电荷的库仑引力而结合成物质。这一理论可以解释像食盐那样的离子型化合物的结构，因此这类化学键叫做离子键。然而像氢气、氧气、氯化氢这样的简单分子，静电理论却无法解释，也就是说，静电学说无法解释共价键。路易斯依据旧量子理论提出了“电子对”理论，他认为共价键是依靠共用电子对来实现的。实际上，“共用电子对”这一概念也仅仅是一个形象的，用来帮助理解的概念。要理解共价键最简单的方法是从能的角度而不是从力的角度来考虑。分子服从一个基本原理，即能量最小原理，也就是说，能量越低，分子越稳定，自然也越容易生成。30年代，鲍林提出了共振论，解释了大量有机、无机分子的结构及稳定性等问题，对共价键本质的研究也做出了重要贡献，因此获得了诺贝尔化学奖（他还是和平奖得主）。
我们来看一看氢原子究竟如何结合成氢分子：两个原子彼此靠近时，他们各自的波函数在空间中会有重叠的区域，由于波函数的模方是电子出现的概率密度，也可以理解为两个原子的电子云有重叠的区域。由全同公设可知，处在重叠区域的电子无法区分它属于哪个原子。量子力学的计算表明，重叠区域存在一种特殊的能量，名为交换能。若两个电子自旋方向相同，则交换能为正；自旋相反，则交换能为负。可以通俗的理解为，若电子是同自旋的，两原子间会出现一种等效的排斥作用；若电子反自旋，则会出现等效的吸引作用。而这种作用完全来自全同粒子的不可区分性，是一种纯量子效应，没有经典对应。反自旋电子的等效吸引作用的结果就是导致两个原子结合成一个氢分子。共价键的本质就是全同电子在电子云的重叠区域的交换效应，与自旋紧密相关。由以上分析可知，自然界氢分子中的两个电子一定是反自旋的，因为如果同自旋，它们之间就不是吸引作用，而是排斥作用了。由物质的磁性分析可以证明，氢分子中的电子的确是反自旋的。
为什么我们要用能，而不是用力去分析共价键呢？原来在分子的各原子间存在着各种类型的相互作用，有静电力、交换力、电子转移等，而且力是矢量，分析起来是极为复杂的，远不如用能量分析来的简单，但是用力去分析共价键也并不是不可能的事情。
30年代中期，费曼和海尔曼同时独立的建立了多原子体系中作用于核上的力的一般规则，就是后来的费曼-海尔曼定理。在此基础上，可以用力的观点来讨论双原子分子中化学键的形成条件，给出化学键更直观的物理模型。后来推广应用于多原子分子中键力的分析，并对分子间作用力和化学反应等问题做出了统一的处理。
价键理论在解释分子结构中获得了巨大的成功，然而如同许多现象用经典理论无法解释一样，价键理论也有无法解释的现象，这并不是它的基础：量子力学错了，而是为了避免天文数字的计算量，而引入了一些假设或近似，从而使理论与实验有一些偏离。比如氧气分子，按价键理论它应该是抗磁性的，但实验表明，氧气是一种典型的顺磁气体。还有，两个质子和一个电子能否组成稳定离子这个问题，由于系统只有一个电子，价键理论根本无从分析，然而实验表明这种离子的确是稳定存在的。
1932年，莫里根和洪特提出了分子轨道理论，将分子看作一个整体，电子并不是属于某个原子，而是所有电子属于整个分子，电子按照能级大小和泡利原理重新排布。这一理论解释了价键理论无法解释的许多现象，因此是一个更成功的理论。但价键理论以其简单的结构和直观的物理图像还大受欢迎，因此价键理论还是有很重要的价值的。
原子结合成分子之后，分子就可以组成万物了。然而分子又是如何组成万物的呢？这个问题自然涵盖太广了，万物的概念也太大了，因此我们自然还是要找比较简单的情况加以讨论，比如……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:51 回复此发言
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22 回复：【科普知识系列】
之二十二：晶体结构
在通常状态下，物质有气、液、固三态，而固态物质有一定的形状，因此固体内的粒子有可能具有特定的排列方式。一般将内部粒子具有整齐有规律排列的固体称为晶体。晶体可分为粒子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体四类。要了解晶体，首先要了解粒子间的相互作用。粒子间相互作用除化学键外，统称为分子间作用力，一般分为色散力、取向力、诱导力，对某些特殊分子如H2O、NH3、HF、DNA等还存在氢键，粒子的这些相互作用决定了它们存在的状态。例如，水分子间如果不存在氢键，常温下的水一定是气态的。氢键的作用强度介于化学键和分子力之间，对物质的性质有决定性影响。通常情况下，色散力比取向力和诱导力大，且随分子量增大而增大，因此大分子物质常温下一般是液态或固态的。在低温下，除液氦之外，自然界中的所有纯物质都有可能形成晶体。
晶体有整齐规则的外形，有些晶体表面看来并不规则，但是在显微镜下却仍有规则的外形（多晶）。因生长条件的不同，晶体可能会有不同的大小和形状，但是各晶面之间的夹角（面角）却总是一定的，这一规律叫做“面角守恒定律”，是晶体的固有特征之一。晶体一般存在各向异性，即晶体在不同方向上的传热、导电、光的折射等物理性质不同。例如，云母在不同方向上的强度很不相同，石墨在不同方向上的导电能力也大不一样。晶体在固定的压力下有固定的熔点，这些特征与晶体结构密切相关。
晶体粒子在空间中有规则的排列，这些点的总和叫做晶格，任何晶格都可以看作某个最小部分在三维空间中无限重复的产物，这一最小部分叫做晶胞。由晶胞的特征可以将晶体分为七个晶系：立方晶系、四方晶系、六方晶系、菱形晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系。
典型的粒子晶体是食盐NaCl，在食盐晶体中，根本不存在NaCl分子，它是由Na+和Cl-离子交替排列，通过静电引力（离子键）结合而成的。由于在所有相互作用中，化学键的强度最高，故离子晶体有较高的熔点和硬度，粒子只能在平衡点附近振动，因此不能导电，但是在熔融后可以存在自有离子，就可以有很好的导电性。原子晶体的典型代表是钻石（C）和水晶（SiO2），中性原子间以很强的共价键结合，因此硬度和熔点都很高，导电性即使在熔融时也很差。冰、固态的O2、CO2等都是分子晶体，它们通过较弱的氢键或分子力结合，因此熔点都比较低，硬度也较小，不易导电。在分子晶体中存在着一个个的小分子，分子内是化学键，分子间是分子力，可能还会有氢键。自然界中除离子键和共价键外，还存在第三种化学键：金属键。整块金属的晶格由带正电的离子组成，沉浸在自由电子的海洋里，自由电子属于整块晶体，它们不但抵消掉了正离子晶格间的库仑排斥，而且还有剩余。由于自由电子的存在，金属有很多非常独特的性质：良好的导电性、导热性、延展性等，由于自由电子和光子的相互作用，导致绝大部分金属表面都有一种特有的银白色光泽。又因为金属键属于化学键，其强度很高，因此金属硬度和熔点都很高。
我们知道，非晶体内部粒子的排列毫无规律，杂乱无章，因此它与晶体有很多重要区别，例如非晶体没有规则的外形，物理性质如导电、导热、光的传播等都是各向同性的，没有固定的熔点。但晶体和非晶体之间并没有明确的、不可逾越的界限。事实上，同一物质在不同条件下可以形成晶体，也可以形成非晶体。如SiO2（石英）可以形成非晶体石英玻璃、燧石等，也可以形成晶体水晶。即使是传统的非晶体如橡胶、玻璃等，在适当的条件下也可以晶体化。
晶体的热容问题是一个经典热力学无法解释的现象。应用经典理论可以得到晶体的比热为3R，符合在高温实验中总结出的杜隆-玻蒂定律，但是经典力学得到的热容是常数，与温度无关，而实验事实却是热容随温度降低而下降，当温度趋向绝对零度时，热容趋向零。爱因斯坦应用量子力学得到了一个与实验定性符合的公式，但由于引入的假设过于简单，理论与实验并不能严格的符合。德拜在此基础上将爱因斯坦假设的将晶体看作N个3维谐振子改为3N个1维谐振子，得到了固体热容的德拜理论，与实验符合的很好。
我们知道，20世纪的科技得以飞速发展，很大程度上依赖于电子计算机的应用。当然，我对计算机是外行，自然不敢弄斧，不过它的最基本的元件，应该还有得一说……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:52 回复此发言
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23 回复：【科普知识系列】
二十三：集成电路
20世纪的科技能够得以飞速发展，除了基础自然科学的创立外，还要归功于电子计算机的应用和发展。然而计算机基本元件的工作原理依然要依赖于在量子力学基础上建立起来的固体物理。计算机的大脑cpu就是一种典型的超大规模集成电路，现如今，集成电路的集成度（每块芯片上包含的元件数）已经在10万以上，集成电路的制备技术也已从常规的半导体平面工艺发展到了微细加工技术，图形线条已从几百微米缩小到微米级甚至亚微米级。从1970年直到现在，集成电路一直精确的按照摩尔定律（每隔18个月集成度增加一倍、速度提高一倍、价格降低一半）运行着。
按功能和性质的不同，集成电路可分为数字电路和模拟电路两部分。数字电路能够进行数字（0、1）运算，广泛应用于计算机、自动控制及通信等领域；模拟电路是对连续量比如电压、电流等进行运算的电路。集成电路的基本元件有二极管、三级管（晶体管）、电阻、电容等，它们都是在同一块硅片上应用特殊工艺制造的，即在半导体单晶基片上，通过外延、氧化、蒸发形成薄膜，经制版、光刻、刻蚀和扩散杂质（或离子注入）等步骤完成的。
晶体内部粒子有规律的周期性排列，因此存在周期性势场，根据量子力学中一条著名的定理：布洛赫定理可知，晶体的波函数是调幅平面波的形式。在这个周期性势场的作用下，通过引入一些简化假设可以求解薛定鄂方程，由于晶体中存在大量的粒子，使得它们相邻能级之间的间距极小，完全可以看作连成一片，因此叫做能带。不同的能带之间的间隙叫做禁带，禁带内是不允许填充电子的（或者说电子不能取这些能量值）。禁带的宽度大体决定了晶体的导电性质。若电子没有填满一个能带，或虽已填满但是却与其它能带重叠，使得能带上面有一部分没有填充电子，则电子可以很容易的在外加电场下跃迁，这种晶体就是导体。若低能带被电子填满了而禁带宽度又很大，则通常情况下的电场无法使电子获得足够的能量跨过禁带跃迁到高能带，因此这种晶体是绝缘体。若禁带宽度很窄，则热激发可以使得很小一部分低能带电子跨过禁带跃迁到高能带，同时在原来已经填满了的低能带“电子海”中留下了等量的空位，这种空位在电场中的行为就像是一个带正电的粒子在电场中运动一样，因此是一种“准粒子”，物理学家将这种空位命名为“空穴”，并认为它也是一种带正电的载流子。这种晶体就是半导体。半导体内部有电子和“空穴”两种导电粒子。在半导体内部掺入少量杂质会显著改变半导体的电导率比如，在硅中掺入百万分之一的磷，其导电能力会增大百万倍。原因是磷的能级恰好在半导体禁带顶端附近，此能级上的大量电子会在热激发下跃迁到空带上，显著提高电子浓度，称为N型半导体。同样，在硅中掺硼，可以显著提高空穴的浓度，称为P型半导体。但是如果我们在同一块硅片上一半掺磷，一半掺硼会怎么样呢？它们会因为存在电子和空穴的浓度梯度而产生扩散，最终导致交界处建立起一个内电场，形成一个只有单向导电能力的结，这就是大名鼎鼎的PN结。
晶体管（三级管）内部有两个PN结，但并不是任意两个PN结都可以形成晶体管，两个二极管串联还是两个二极管，不会变成三级管。要阐明晶体管的结构需要费一些笔墨，因此从略了。我们只要知道晶体管的作用是电流放大就可以了。在实际应用中，二极管和晶体管一般是用作分立元件使用，而不用作集成电路元件。集成电路中用的是一种特殊的元件：场效应管。其原理和结构讲起来又是一堆，因此也从略了，我们牢记知道一点：结构决定性质就可以了。
现在我们来看集成电路的具体制作：在一片抛光的材料（比如硅）上，用气相外延工艺生长出符合要求的外延层，然后用热氧化法生长出SiO2膜，接着进行光刻。在SiO2膜上涂感光胶，盖上预先制好的模版，在紫外光下曝光（对于线路尺度已经到微米级和亚微米级的电路，可见光、紫外线已经不能胜任了，原因是存在衍射效应，需要用波长更短的电子或X射线进行光刻）。未感光的部分容易溶解掉，露出SiO2膜，用腐蚀剂腐蚀，选择适当的元素进行扩散掺杂，再用光刻法开出引线孔，用真空镀铝工艺经刻蚀形成电极。以上只是大体步骤，实际过程中还有许多问题（比如元件隔离、无源元件的制备、电极引线的外引等）需要解决。
随着微细加工技术的发展，集成器件越做越小，但是这种过程不能无限的进行下去，它受到一些物理原理的限制。主要有本征极限、布线极限、功耗极限三个因素。即使出现了新的器件结构，有两个因素仍将最小尺度限制在10nm以上，即掺杂原子的间距和基本粒子的散射。
然而我们不必太担心，因为这是在传统工艺基础上的理论预言。事实上，利用现代制造工艺，我们可以制造出尺度在0.1nm到50nm的纳米功能器件，如单电子晶体管、巨磁阻层、纳米管和量子点激光器等。为了适应时代的潮流，美、英、日等国已经展开了对单电子器件的研究，而且已经制成了许多实验室器件，但还存在电接触、互连、可靠性等问题尚待解决。现代电子学结合纳米科技无疑可以创造出更大的奇迹。
除了纳米器件之外，还有什么东西有可能挑战现代电子学中半导体一统天下的局面呢？导体？绝缘体？显然不太可能。不过我们可以大胆的猜测，未来的电子学领域似乎又是个三足鼎立的局面：半导体器件、纳米器件还有……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:52 回复此发言
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24 回复：【科普知识系列】
之二十四：超导电子
1911年，昂内斯发现了超导电性并获诺贝尔奖；1933年，迈斯纳发现超导体的完全抗磁性获诺贝尔奖；1957年，巴丁、库柏、施里弗发表了超导电性的量子理论：BCS理论，获诺贝尔奖；1960年发现超导结的单电子隧道效应，1962年，剑桥年仅22岁的约瑟夫森理论预言在超导隧道结的绝缘层厚度接近1nm时，不仅存在单电子隧道效应，还存在超导电子对：库柏对隧穿的可能。这就是超导约瑟夫森效应。这一效应经实验验证后，迅速扩展到应用领域，形成了一门新兴的分支科学---超导电子学。约瑟夫森也因此荣获诺贝尔奖。
在超导BCS理论中，最著名的概念就是库柏对。即电子与声子相互作用，在特定条件下，两个电子通过声子产生的引力会大于库仑斥力，从而形成束缚电子对。电子对中两个电子反自旋，且总动量保持守恒，因此不会受到晶格散射阻力的影响。0K时，晶体中的电子在能量最低原理和泡利原理的约束下，依次填入能带，而最后填进去的那一层电子具有的能量叫费米能，这个面叫费米面。在温度T下，费米面附近kT范围内的电子会对晶体的宏观性质产生决定性影响，因此分析费米面是固体物理的重要任务。在超导理论中，由于库柏对中电子反自旋，因此作为一个整体，它是玻色子，不受泡利原理的限制。库柏对在较低温度下可以凝聚在同一个量子态上（玻色-爱因斯坦凝聚），故可以有比费米面更低的能量，从而形成一个能隙。能隙的形成是超导电性的重要标志。
所谓单电子隧道效应，就是在两块金属之间夹一层绝缘体，在外电压下，电子有一定的概率隧穿绝缘体的势垒（而经典理论认为电子是不可能穿过绝缘体的），形成隧道电流。而超导约瑟夫森效应是指库柏对的隧道效应。理论计算表明，在无电场和磁场的情况下，隧道结上可以存在电流，此即零电压电流效应。著名的A-B效应表明，磁矢势A也是物理实在，它能对波函数的相位进行调制，因此在隧道结上外加磁场可以改变波函数的相位。随着磁场强度的增加，电流强度出现了类似于光学单缝衍射那样的变化趋势，称为量子衍射效应。这两个效应统称直流约瑟夫森效应。在隧道结上加一直流电压V，会产生频率为2eV/h的相干电磁波，频率在微波和远红外段，其逆过程，也就是外加一个交变电磁场从而产生直流电流也是可以实现的。这种现象叫交流约瑟夫森效应。
应用约瑟夫森效应可以制造很多超导微电子器件，其优点是非常明显的：1：响应时间快，一般可以达到ps级，比半导体器件快1到2个量级；2：集成度高，目前可以在每平方微米上集成1000个约瑟夫森，比半导体集成度高4到5个量级；3：功耗极低，可以低至1微瓦，比半导体器件低3到4个量级；4：能耗极小，每个门只消耗10^(-15)J到10^(-17)J，比半导体低3个量级；5：工作电压低，可低至3到10毫伏，比半导体低3个量级；6：超导传输线有极低的功率色散和良好的匹配性能，任何导体都无法比拟；7：可靠性高，深低温避免了热噪声、扩散、电迁移、腐蚀等造成的失效。
超导微电子器件可分为二端超导器件、超导量子干涉器、三端超导器件三类。超导量子干涉器件的应用是很广的。由于磁场可以改变波函数的相位，故隧道结对磁场特别敏感，可以作为超高灵敏度微磁探测器和超高速开关。当附加一些线圈时，可以改装成检流计、伏特计、安培计、电流比较器、直流放大器、甚低频天线、磁场梯度计、磁化率测定仪、磁谐振频率仪等。量子干涉仪灵敏度高、频率相应好、测磁范围广、线性特性好、成本低、携带方便、稳定可靠、结构简单，可分为单结、双结、三结、四结型。单结量子干涉仪由具有一个约瑟夫森结的超导环和LC谐振回路组成，其结构简单，成本很低。双结型量子干涉仪由两个约瑟夫森结组成，电流通过超导环（含有对称的两个结），其载流子库柏电子对的波函数相位受环内磁通的调制，形成类似于双缝干涉那样的关系。三结量子干涉仪已作为基本器件广泛应用于逻辑集成电路中。而三端超导器件主要有超导结型三极管和超导场效应管。
1911年就已经发现的超导现象，直到1957年才了解到它的本质，而一直等到1962年约瑟夫森效应的发现，超导的魔力才整个爆发出来，向应用领域发出了冲击波。超导理论在现代物理学、电子学和电工学、化学、生物学、医学等领域内占有重要的地位，在受控核聚变、高能粒子加速器、超导电子计算机、超导接收机、超导磁强基、超导磁悬浮列车、磁流体发电机、人体核磁共振成像等方面，超导有着几乎不可替代的作用。
磁性是物质的一种普遍属性，从古至今，人们都一直在探索磁性的奥秘。安培的分子电流假说解释了顺磁性和抗磁性物质，现在我们已经知道，即使是最简单的顺磁和抗磁物质，经典力学也是无法解释的，安培分子电流的本质是量子的，只能用量子力学来分析。而自然界中还存在一类有广泛应用的磁性物质：铁磁质。那么你是否有兴趣了解铁磁性的起源呢？……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:53 回复此发言
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25 回复：【科普知识系列】
二十五：磁性起源
奥斯特发现电流磁效应后，法国物理学家安培对电流间的相互作用进行了大量的研究，并在此基础上提出了物质磁性起源的分子电流假说。19世纪末，法国皮埃尔.居里做出了开创性工作，他不仅发现了铁磁性存在的临界温度（后被称为居里温度），确立了在临界温度以上顺磁磁化率与温度的关系，还在大量实验基础上指出了抗磁性和顺磁性的存在，并提出了居里抗磁和顺磁定律。之后，朗之万将经典统计理论应用到固体原子磁矩的系统，导出了居里定律。外斯在朗之万理论基础上提出了分子场假说和磁畴假说，这两个假说成为分子场理论的基础。然而问题是，朗之万理论中认为的原子存在的固有磁矩是无本之木，范列温证明，从经典力学出发的统计物理无法导出原子存在平均磁矩的结论。直到量子力学建立之后，人们才知道，原子固有磁矩的存在是一种量子效应。1928年，海森伯根据氢分子的结合能与电子自旋取向有关的量子力学计算结果提出了铁磁体的自发磁化来源于量子力学交换作用的海森伯模型。几乎同时，布洛赫提出了描述集体电子的能带模型……历史叙述就到此为止吧，以后的磁学发展就不很清楚了。
物质的磁性大体分为三类（实际上有7类），顺磁质、抗磁质、铁磁质。顺磁和抗磁的磁化作用很弱，其应用也较少，故我们只介绍铁磁质。最常见的铁磁质自然是铁了，其次还有钴、镍、以及它们的合金、锰铝合金、稀土元素的一些化合物等。它们有非常高的饱和磁化强度，故在外磁场下可以表现出很强的磁性。所有的铁磁性物质都存在使铁磁性消失的一个温度，称为居里温度。铁的居里温度为770度，即将铁加热到770度以上，它就会转化为普通的顺磁性物质，这就是顺磁-铁磁相变。顺磁-铁磁相变与气液相变有很多相似之处。在居里温度以下，铁磁物质存在磁滞现象，其磁化强度与磁化过程有关，在交流磁场中的磁化曲线是一条闭合的曲线，称为磁滞回线。此外，铁磁物质还存在磁致伸缩现象，即磁化过程伴随着磁化状态的变化会产生长度和体积的变化，可以用这一效应产生超声波。
外斯分子场假设认为，铁磁物质内部存在强大的“分子场”，因此即使无外加磁场，其内部各区域也已经自发磁化了。外磁场的作用仅仅是将各区域的磁矩方向调整到外磁场方向上。因此，在很弱的外磁场下，铁磁质即可达到饱和磁化状态。磁畴假说认为，铁磁体内部自发磁化分为若干区域（磁畴），每个区域都自发磁化致饱和，未加磁场时，各区域磁距方向杂乱无章，故磁性相互抵消，宏观上不显磁性。在这两个假说的基础上建立的理论称为分子场理论。分子场理论在解释铁磁性物质的磁性方面相当成功，它说明了铁磁物质的自发磁化，给出的磁化强度与温度的关系与实验也基本相符，并导出了居里温度和居里-外斯定律。
分子场理论的成功促使人们去寻找分子场的起源。但是这一问题在经典力学的框架内根本无法解决。分子场不可能由原子磁距产生，因为原子磁矩产生的磁场比分子场小了3个量级。β粒子通过铁磁体的偏转实验也证明，铁磁体内部并不存在磁性质的分子场。在量子力学建立之前，没有人能对分子场的起源做出过合理的解释。1928年，海森伯应用量子力学中电子的交换效应正确的解释了铁磁体内磁有序现象的产生，证明了分子场实际上就是电子之间交换作用的一种平均场近似。这一模型的建立，为铁磁性量子理论的发展奠定了基础。
交换效应来自于波函数的重叠区域。根据全同原理，此区域内的电子是全同粒子，不可区分。如果我们仍然按照经典的粒子处理方式，对它们进行标记区分，必然会出现一项附加的修正项，这一项被称为交换积分，相应的能量叫交换能。这一交换能我们曾在本连载中讨论共价键时提到过。氢分子中的两个电子如果自旋是相反的，交换能为负，故反自旋的两个氢原子可以结合成更稳定的氢分子。又因为这两个电子反自旋，磁性相互抵消，故氢气是一种典型的抗磁质。在铁磁理论中，我们遇到的情况刚好相反。我们需要电子自旋平行，这样磁场就不会互相抵消而是互相加强了。也就是说自旋平行时的交换能小于自旋反平行时的交换能是物质存在铁磁性的必要条件。通过计算交换积分，满足此条件的元素恰好就是铁、钴、镍等传统的铁磁质。
计算机中作为信息载体的电流尽管沿用已久，也有很多非常优越的性质。但是面对高速发展的科技，电子这个可爱的精灵似乎也有点不堪重负，想分担一点责任给别人了……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:53 回复此发言
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26 回复：【科普知识系列】
二十六：光子概述
这50年的沉思，并没有使我更接近“什么是光量子”这个问题的解决。今天每个乡巴佬都以为知道它的答案，但他是错了。——爱因斯坦
光究竟是什么呢？牛顿时代的人们坚信，光是由光源发射出的大量微粒。与他同时代的惠更斯明确提出了光的波动说，但没有竞争过微粒，因为他认为光波类似于声波，是一种流体介质中的纵波，这种流体就是后来的流体以太（流体中横波不能传播），我们知道，光实际上是一种横波，因此惠更斯推导出的结论与当时的实验符合得并不好。虽然微粒说对牛顿环的解释牵强附会，但它的确很好的解释了当时已知的各种光学现象，比如直线传播、反射、折射等（微粒说认为水中的光速大于真空中光速）。进入19世纪，著名的大科学家如拉普拉斯、泊松等人都是微粒说的支持者，然而托马斯.杨做成了双缝干涉实验，菲涅尔也提出了他的波动光学，牛顿的微粒说被推翻了。光的偏振的发现又表明，光是一种横波，于是学者们不得不抛弃流体以太，重新建立起一套弹性以太模型。为了解释各种光学及力学现象，科学家们为以太附加了许多奇特的性质，从而使以太学说成为19世纪科学理论的两大基础之一（另一个基础是原子论）。麦克斯韦电磁场理论问世后，光作为一个特殊波段的电磁波，使得光学成为电磁学的一个分支，也使得人们对光的认识有了质的飞跃。然而麦克斯韦却发现在他的方程组中没有以太的位置，光速是作为一个常数的身份出现的，在当时看来，在地面上和飞奔的火车上测量到相同的光速是不可理解的，因此麦克斯韦做出了一个非常遗憾的论断：他的方程组只在以太参考系内严格成立，在其他惯性系内需要用伽利略坐标变换，导出在新的惯性系内成立的方程组。结果在除以太系外其他惯性系内的方程组均其丑无比，方程组天然的美感被破坏的几乎荡然无存。这一状况直到相对论问世才被消除，不过在当时所有的人都认为，地面参考系内的麦克斯韦方程组只是近似。
然而麦氏方程组真的就完美的刻画了光（或者说电磁波）的本质了吗？光是什么这一悬案已经彻底告破了吗？可惜的是，麦氏方程组预言了电磁波，而电磁波的性质却超出了方程组的限制。1900年，普朗克发现能量量子化，最终量子化的概念横扫整个物理界。1905年，爱因斯坦发表了光量子理论，解释了光电效应，因此获得了1921年诺贝尔奖。现在让我们重温爱因斯坦的推理：能量现在有两个基本性质：一个是能量守恒，一个是能量量子化。如果一个振动电荷能量是量子化的，那么它的能量变化只能从一个允许的能量瞬间跃迁到另一个允许的能量，因为根本不允许它具有任何中间的能量值。而能量守恒就意味着电荷发射的辐射，必须是以一股瞬时的辐射迸发的形式从振动电荷产生出来，而不是麦克斯韦电磁理论预言的长时间的连续波。这样，辐射永远是以一个个小包的形式出现，它以光速运动，静止质量为零，由振动的带电粒子发出，这就是光量子。这似乎就是牛顿光微粒的翻版，光源中有大量的振动带电粒子，因此光源向空间发射出有限数目的光量子。然而怎样解释干涉呢？又如何解释麦氏方程组的成功呢？麦氏方程组在光量子理论中又是什么角色？爱因斯坦通过分析指出，麦克斯韦理论中场量的平方正比于光量子的粒子数密度（玻恩后来从这里得到启示，提出了波函数的概率诠释，并因此获得了诺贝尔奖），而统计力学中那个玻色-爱因斯坦统计应用于光量子时，就是光量子随频率分布的概率密度函数。这样自然就可以解释光量子的行为了，干涉和衍射是一种光量子的统计行为，只有大量光子才会在整体上表现出波的性质。可惜爱因斯坦却对这种统计解释非常不安，这样一来，麦氏理论似乎只能是统计意义上的理论了。而爱因斯坦眼中的统计，意味着不确定和理论的不完备。这也就能够理解他为什么要花费后半生30年光阴去寻找统一场论了（而他当时认为的统一场论中只包含引力和电磁力），因为他认为麦克斯韦理论不够完备，只有统一场论才能够真正理解光量子。
相信几乎所有的量子力学教科书中都会提到让人发疯的单电子干涉实验。将电子换成光子有同样的效果。一个粒子怎样才会有一个伴生的频率？单个粒子如何实现自身的干涉？光子如何知道前面的缝是双缝还是单缝？当然，这一切疑问对于哥本哈根学派来说易如反掌。然而，我根本无法理解玻尔的互补原理，我接受了费曼的忠告：在量子力学里永远不要去钻死胡同，因为在这里还没有人安全的出来过。
不过作为一篇完整的文章，互不原理是不能少的。我觉得，对于互补原理一千个人会有一千种解释。我的理解是：当没有观测者时，不存在光量子的概念，光量子在这里没有意义，而它对应的波函数以严格的因果律演化，并在空间中弥散，表现出波的性质；而一旦试图观测，波函数会立即坍缩，以一个光量子的形象出现在观察着面前，光量子出现的概率与波幅平方成正比。如果换作通俗的语言的话那就是：波和粒子是硬币的正反面，是光量子的两个不同的属性，你可以得到它的波的一面，也可以得到它的粒子的一面，但无法同时得到波和粒子。波和粒子是一对互斥互补的概念，互斥的概念可以同时存在于一个事物上，但不能同时被感知，光具体表现出什么性质与具体的实验操作有关。因此问光是波还是粒子没有意义，在干涉实验面前，光是波，在光电效应面前，光是粒子，离开了实验，光无所谓波或粒子。
一些读者可能会认为，相对论与量子论势同水火，其实我也这样认为，呵呵……但如果它们联手的话，肯定会有好戏看的……
作者： 四维升天 2007-3-21 09:55 回复此发言
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27 回复：【科普知识系列】
二十七：量子场论
狭义相对论在宏观世界里无疑是一个成功的理论，它用简洁优美的公式统一了低速和高速世界，发现高速世界的景象并不是我们常识中的东西。量子论在微观世界也无疑是一个成功的理论，它发现了一个全新的微观世界，原子并不是我们想象中的那样是一个宏观物体的缩小，它会干涉、衍射，还会跃迁、坍缩。然而狭义相对论进入微观领域就有些力不从心了，虽然质能方程仍然普遍成立，虽然微观世界也不存在超光速信号，但微观粒子既然连轨道的概念都不存在，又怎么会受到相对论力学的束缚呢？同样，量子论中的薛定鄂方程也不满足相对性原理，所以在处理高速问题时肯定会有麻烦。即使是氢原子，它也无法解释精细结构，需要相对论修正，更何况还要引入一个看上去毫无道理的电子自旋概念。所以自然的想法就是找到一个新的理论，既满足相对性原理，又可以在低速近似下退化为薛定谔方程。通过探索，学者们找到了两条路。其中一条路上走着的是克莱茵和狄拉克，他们的思路是找到一个新的满足相对论的波动方程。于是分别建立了KG方程和狄拉克方程。狄拉克求出了氢原子的严格解，并且自然的预言了电子自旋。同时，相对论方程预言了反物质的存在。现在我们去第二条路上看看。
爱因斯坦认为，法拉第最大的贡献不是电磁感应定律，而是他的力线。法拉第为了理解磁现象，首先提出了场的概念。简单地说，场是弥散在空间中的一个区域，或者说是空间的一种紧张状态，它代表了一种施力的可能性，而且场可以独立的存在。麦克斯韦关于电磁场的场方程组一直是物理美的典范，爱因斯坦广义相对论也是一种经典场论。量子场论的核心是，万物都是由场构成的，而且仅仅由场构成。场具有能量，因此有质量。实物粒子都是场的状态，粒子是场的中心。
1926年，玻恩、海森伯、约当提出了电磁场的量子理论，量子场论从此诞生。在这个理论里，电磁场本身是一个同时满足量子力学原理和相对性原理的系统，从而建立起描述这个系统的场方程。它实际上就是描述电磁场本身运动的“薛定谔”方程，如同电子的Ψ场一样，描述了电磁场的Ψ场。更确切的说，它预言了在空间某点处发现电磁场有不同强度的概率。薛定谔方程预言粒子能量量子化，同样，电磁场的量子场论预言电磁场会量子化为各种频率的能量包，这些能包就是光子。新的理论解释了光子存在的理由，而爱因斯坦的光量子假说只是假设光子存在，并没有更基本的理由。
量子场论的思想是：从场论出发，然后将场量子化，从而导出与场相联系的粒子，这些粒子是场的量子，它以分立的能包形式（粒子）显示自身的存在。
1929年，海森伯和泡利将量子场论思想应用到实物粒子，对电子的Ψ场进行了量子化。这种电子场遵从量子论原理和相对性原理。他们发现，量子化后的电子场会以分立能包的形式显示自身，只是这个能包不再是光子，而是电子。或更确切的说，量子场论预言了电子的存在。推而广之，自然界中所有的粒子都有对应的场，都是这个场的量子，如质子场、中子场、中微子场、μ子场……因为自然界是由场构成的，而量子化后的场以粒子的形式显示自身，所以我们看到的自然界由粒子构成。
有了量子场，我们可以描述单个电子和单个光子的行为了，但自然界中一个最基本的过程：光电效应或康普敦散射我们如何理解呢？爱因斯坦光电效应方程和康普敦散射的推导只用到了能量（以及动量）守恒这一普遍原理，并没有揭示相互作用的细节。1947年，费曼和施温格分别以不同的方式建立了电子与光子相互作用的理论：量子电动力学。量子电动力学是目前为止最精确的理论，它精确预言了兰姆移位和电子反常磁矩。费曼发现，为了使量子场符合相对性原理，必须存在一个时间上逆行的电子。而这个在时间的反方向上运动的电子其可观测效应与另一个带正电的电子在时间正方向上完全相同。这就是正电子。早在1928年，狄拉克就利用他的相对论波动方程预言了正电子的存在。现在已经有很多学者改变了他们对反物质的看法，放弃了狄拉克的真空负能海，转而认为，反物质就是在时间上逆行的物质。
引用一位化学家的名言：世上没有废物，只有被放错地方的财富。
可是如果我们不了解光子，又怎么能指望会将它放对地方呢？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:55 回复此发言
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28 回复：【科普知识系列】
二十八：信息光学
宇宙中数量最多的粒子就是质子、中子、电子、光子和中微子。除去这些粒子，宇宙就基本上空无一物了，其它几百种粒子含量及其微小。这五种粒子中最“听话”的应该是电子，最“不听话”的非中微子莫属。现如今，我们可以利用设计的晶体管、集成电路、微处理器以及其它电子器件来方便快捷的控制电子的行为，让小小的电子为我们传递声音、图像，为我们预报天气，为我们证明四色猜想……然而电子计算机缺乏一种重要的处理信息的能力：并行运算。可是第二个候选者：光子却可以避开这个困难，具有电子不可比拟的优点。光子是玻色子，不带电荷，静止质量为0，以光速运动，不受电路时间常数的限制。光束可以相互交叉通过而不会相互影响，具有并行处理信息的能力。光子的这些特点为解决目前电子计算机的一些困难提供了途径。1990年，美国贝尔实验室报道了世界上第一台数字光学处理器，使我们由电子计算向光子计算迈出了重要的一步。近年来，光学逻辑元件、光存储器件、光学互连、算法和体系结构发展很快，光子计算机（光脑）也许会在不久的将来得以实现。
电子计算机中信息的载体是电子，逻辑门之间、芯片之间、芯片和插板之间的信息必须通过引线作为电子传输的媒质，因此会受到回路参数（时间常数RC）的限制。在一块大规模集成电路的芯片中，器件尺寸已缩小到微米量级，使得引线电阻值提高，延迟效应增大，使信息传输速度受到限制。突破瓶颈的最简单方法就是利用光子作为信息的载体。光子的载频约为10^(14)Hz，可利用的带宽达10^(13)Hz，其可能的传输速率比电子通信的最大速率大三个数量级。光互连可以在自由空间中实现，也可以在光纤或波导中实现。
自由空间互连即为利用光在通过光学元件使遵从的折射、反射、衍射等规律实现互连网络。利用计算全息图，可以完成任意结构的互连网络。计算全息图是一个束控元件，将多路输入光束按要求分成多束，并控制方向输出到不同接收位置。光束即使在空间中交叉也几乎没有干扰。计算全息图是可编程的，可以按照需要改变，从而改变联络关系。光纤广泛应用于远距离通信，可适用于计算机与外部设备之间、电路板之间、模块之间、芯片上和芯片之间等的互连。集成光波导器件将诸如透镜、棱镜、光栅、光调制器、光耦合器、光开关、双稳器件、模数转换器等基本元件集成到一起，构成集成光学的基本部件，具有体积小、重量轻、性能稳定、功能强等优点。
磁盘存储技术已经很成熟了，但存储容量很难进一步提高，故70年代发展了光存储技术。光存储主要有光盘存储和全息存储。光盘存储技术是用半导体激光器产生的单色相干激光光束经透镜会聚为直径一微米的光斑，照射到光存储介质上，使照射点上介质光学性质发生变化，此为信息读入过程；读出信息时，用连续激光束扫描光盘，解调从介质反射回的信号。光盘存储器可分为只读光盘和可擦式光盘。光盘存储容量很大，但要求记录介质与读写头之间有机械运动，使信息密度被限制在机械调节的精度范围内，且存储时间也受机械运动的限制。而全息存储没有这些这些缺点。全息存储分为二维存储和三维存储，信息记录在全息图上。三维存储即利用空间光调制器将信息调制为“0”“1”的明暗图像，与同步的参考光会聚，形成全息干涉条纹，并记录在介质的一个层面上。改变参考光入射角，干涉图样会记录在不同深度的介质层面上，如同书中的页片一样。可以在一块晶体中存储10000页全息图。故全息存储有极高的存储容量和数据存取速度，潜在的传输速率比磁盘快100到1000倍。
光子计算机可以充分发挥出光学并行处理的互连能力，而光电子混合处理可以结合光学的并行特征与电子学的灵活性，是目前比较可行的发展光子计算机的途径。发达国家现已投入大量的人力和经费在这方面进行深入研究，以期望实现光电混合处理计算机或全光学计算机。
计算机对于许多人来说应该是熟悉的，但若要去了解他的内部结构，学习它的运行机理，展望它的发展前景什么的，无疑是一件非常枯燥的事情，除非有极大的兴趣，否则是很难坚持下来的。我们每个人都知道自己的大脑在想什么，但如果要去探讨大脑的结构，寻找大脑工作的机理，应该很少有人愿意去做。所以我们还是从信息技术中解脱出来，换换脑子的好。现在，我们要从一个我们非常非常熟悉的人人都见过的连幼儿园小朋友都知道的日常现象入手，看看它包含着多少内涵，并探讨一下它会有多大的意义：
常压下的水加热到100度会有什么现象发生呢？
作者： 四维升天 2007-3-21 09:56 回复此发言
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