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

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量子力学发展大事记
量子力学发展大事记

1690年，惠更斯出版《光论》，波动说被正式提出
1704年，牛顿出版《光学》，微粒说成为主导
1807年，杨整理了光方面的工作，提出了双缝干涉实验，波动说再一次登上舞台
1819年，菲涅尔证明光是一种横波
1856－1865，麦克斯韦建立电磁力学，光被解释为电磁波的一种
1885年，巴尔末提出了氢原子光谱的经验公式
1887年，赫兹证实了麦克斯韦电磁理论，但他同时也发现了光电效应现象
1893年，黑体辐射的维恩公式被提出
1896年，贝克勒耳发现了放射性
1896年，发现了光谱的塞曼效应
1897年，J.J.汤姆逊发现了电子
1900年，普朗克提出了量子概念，以解决黑体问题
1905年，爱因斯坦提出了光量子的概念，解释了光电效应
1910年，α粒子散射实验
1911年，超导现象被发现
1913年，玻尔原子模型被提出
1915年，索末菲修改了玻尔模型，引入相对论，解释了塞曼效应和斯塔克效应
1918年，玻尔的对应原理成型
1922年，斯特恩-格拉赫实验
1923年，康普顿完成了X射线散射实验，光的粒子性被证实
1923年，德布罗意提出物质波的概念
1924年，玻色-爱因斯坦统计被提出
1925年，泡利提出不相容原理
1925年，戴维逊和革末证实了电子的波动性
1925年，海森堡创立了矩阵力学，量子力学被建立
1925年，狄拉克提出q数
1925年，乌仑贝克和古德施密特发现了电子自旋
1926年，薛定谔创立了波动力学
1926年，波动力学和矩阵力学被证明等价
1926年，费米-狄拉克统计
1927年，G.P. 滥费分 实了电子的波动性
1927年，海森堡提出不确定性原理
1927年，波恩作出了波函数的概率解释
1927年，科莫会议和第五届索尔维会议召开，互补原理成型
1928年，狄拉克提出了相对论化的电子波动方程，量子电动力学走出第一步
1930年，第6届索尔维会议召开，爱因斯坦提出光箱实验
1932年，反电子被发现
1932年，查德威克发现中子
1935年，爱因斯坦提出EPR思维实验
1935年，薛定谔提出猫佯谬
1935年，汤川秀树预言了介子
1938年，超流现象被发现
1942年，费米建成第一个可控核反应堆
1942年，费因曼提出路径积分方法
1945年，第一颗原子弹爆炸
1947年，第一个晶体管
1948年，重正化理论成熟，量子电动力学被彻底建立
1952年，玻姆提出导波隐变量理论
1954年，杨-米尔斯规范场，后来发展出量子色动力学
1926年，薛定谔创立了波动力学
1926年，波动力学和矩阵力学被证明等价
1926年，费米-狄拉克统计
1927年，G.P. 滥费分 实了电子的波动性
1927年，海森堡提出不确定性原理
1927年，波恩作出了波函数的概率解释
1927年，科莫会议和第五届索尔维会议召开，互补原理成型
1928年，狄拉克提出了相对论化的电子波动方程，量子电动力学走出第一步
1930年，第6届索尔维会议召开，爱因斯坦提出光箱实验
1932年，反电子被发现
1932年，查德威克发现中子
1935年，爱因斯坦提出EPR思维实验
1935年，薛定谔提出猫佯谬
1935年，汤川秀树预言了介子
1938年，超流现象被发现
1942年，费米建成第一个可控核反应堆
1942年，费因曼提出路径积分方法
1945年，第一颗原子弹爆炸
1947年，第一个晶体管
1948年，重正化理论成熟，量子电动力学被彻底建立
1952年，玻姆提出导波隐变量理论
1954年，杨-米尔斯规范场，后来发展出量子色动力学
1973年，弱电统一理论被建立
1973年，核磁共振技术被发明
1974年，大统一理论被提出
1975年，τ子被发现
1979年，惠勒提出延迟实验
1982年，阿斯派克特实验，定域隐变量理论被排除
1983年，Z0中间玻色子被发现，弱电统一理论被证实
1984年，第一次超弦革命
1984年，格里芬斯提出退相干历史解释，后被哈特尔等人发扬
1986年，GRW模型被提出
1993年，量子传输理论开始起步
1995年，顶夸克被发现
1995年，玻色-爱因斯坦凝聚在实验室被做出
1995年，第二次超弦革命开始
8:52 PM | Add a comment | Read comments (1) | Permalink | Blog it | 物理July 14
About Quantum Physics
量子力学，相对论。它们一同被视为20世纪的两大最杰出的理论，但它们的发展历程却是如此不同。当年Einstein几乎凭借一己之力就掀翻了整座经典力学的地基，并且亲自构建起侠义相对论和广义相对论的大厦。然而，量子力学的发展却是历经坎坷，虽然众多才华横溢的物理学家们为此奋斗终生，然而目前的量子物理的体系仍然不太令人满意。尽管如此，那些伟人们的业绩还是值得我们去称颂的，他们的丰功伟绩不可磨灭。



Max Planck：我脑海中Planck的形象总是一个秃顶的老头。关于黑体辐射问题，原本有两套公式（一套适用于长波长的光，一套使用于短波长的光），1900年Planck硬是用数学方法凑出一个适用于所有情况的黑体辐射公式。自己还有点丈二和尚摸不着头脑，冥思苦想几年后提出了一个更让人丈二和尚摸不着头脑的假设：能量吸收和放出必须是一份一份的，而不是连续的。这是多么伟大的假设啊！潘多拉的魔盒就此被打开。

Albert Einstein：这位天才注定是20世纪物理学界的圣人。在那熠熠生辉的1905年，还是小爱的老爱发表了六篇论文，为物理学三大领域奠基。一是关于分子运动，一是讨论运动物体的电动力学（后来它被冠以那个如雷贯耳的名字“狭义相对论”），还有一个就是我要说的“光量子假说”。仅仅引入一个简单的概念——光子（photon），一个简单公式E=hν，就完美地解释了光电效应。尽管人们都不怎么喜欢这个假设，量子这个概念开始萌芽了。

Neils Bohr：当时人们对H原子那一条一条看似毫无规律的谱线毫无头绪，Balmer瞪着一大堆数据凑出了一个古怪的式子（Planck和Balmer的凑数字功夫有一拼）。而我们这位Bohr引入了量子的概念，改进了他的老师Ernest Rutherford的原子模型，不仅成功地解释H原子的谱线问题，并且在此基础上一举推出了Balmer凑出的经验公式。这次成功后，不少物理学家开始不由地逐渐转投到“量子”门下了。这个丹麦人在此后也成为了量子力学一个标志性的领军人物之一。

Arthur H Compton：1923年Compton做了那个著名的X射线散射实验，但是经典波动理论怎么也解释不通实验结果。山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。引入光量子假设让他立刻看到了曙光，眼前一切豁然开朗。X射线散射实验肯定了量子假设的正确性，量子的概念深入人心。

W.E.Pauli：无庸置疑，他是一个天才，不过有些太过轻妄，对谁都骂骂咧咧。他提出了不相容原理（The Exclusion Principle），对量子物理的重要性不要而喻。也许是因为他的狂妄吧，这个重要的发现过了N多N多年后才被授予诺贝尔奖。

Louis de Broglie：他是物理学界少见的贵族出身。电磁波，也就是光，既然可以是粒子即光子，于是De Broglie极富想象力地设想电子作为一种粒子也会有波动，并且利用相对论和基本的量子假设导出了电子的频率公式，不久之后Davisson和Germer用实验证实了电子的波动性。原本关于光是粒子还是波的争论已经够麻烦了，现在电子也插进来搅和。多说一句，De Broglie也是历史上同样少见的仅凭博士论文就获得诺贝尔奖的人。

S.N.Bose：一位来自印度的神秘人物。1924年，老爱莫明其妙地收到了一封来自遥远印度的信。寄信的就是这位Bose，他假设光是不可区分的粒子的集合，从这个简单的假设出发一手推导出了Planck的黑体辐射公式。随后老爱发展了Bose的思想，发展出了在量子力学中具有举足轻重地位的Bose-Einstein统计方法，服从这种统计的粒子也被命名为玻色子（Bosen）。这个统计方法微粒在光领域取得的里程碑式的胜利。

Werner Heisenberg：Heisenberg给我的形象就是一个西部牛仔一般的大男孩。当时尽管Bohr的理论对H原子很成功，但是对多电子的原子却根本行不通。1925年，量子物理陷入一筹莫展的境地之际，Heisenberg天才般地想到了矩阵（Matrix），靠着Jordan（不是篮球天皇巨星乔丹，这是Jordan一个精通矩阵的数学家）的帮助，在把电子作为基本粒子地基础上构建起了“矩阵力学”的大厦。量子物理重新看到了曙光。

Unlenbeck和Goudsmit：两个有趣的年轻人。1925年他们两个大胆的提出了电子自旋的概念。至于为什么我说他们两个有意思，不妨自己找资料看看，在此不再赘述。后来Pauli（插一句，原先Pauli在听说自旋之说时，对这个理论大大地冷嘲热讽了一般）从特定的矩阵出发，推出了电子的自旋的性质，宣告了电子自旋模型的成立，也宣告了新生的矩阵力学的胜利。在迷雾中徘徊了多年的物理学家们终于重见天日。

Erwin Schrodinger：他给我的感觉是一个小老头的形象，带着一副眼睛，还有他那诡异地笑。在1925年末，他从跟Heisenberg完全不同的角度出发，将电子作为一种波，写出了物理学中最美妙的方程之一——Schrodinger波动方程。1926年初，他连发数篇论文从而彻底地建立了另一种全新的力学体系——波动力学。尽管他本人也不清楚自己的方程中那个诡异的φ函数到底是什么，但是这条方程、这个体系的荣誉当之无愧属于他。

Paul Dirac：称得上是那个时代量子领域的集大成者。Dirac在1930年出版了一本到目前都堪称经典的量子力学教材。同时他简化了Heisenberg的理论，并且证明了矩阵力学和波动方程在实质上是等价的。好吧，一个假设电子是粒子，一个假设电子是波，最后得到的结果却是等价的！那么，电子究竟是什么？！

Max Born：Heisenberg牛仔的导师，他一针见血地指出φ函数描述的式一种概率，具体地说就是φ的平方代表了电子在某点出现的概率。他认为电子出现的概率像波一样，严格按照φ的分布展开。也就是说，φ是上帝手中一颗神秘的骰子！

Heisenberg：老师唱完学生继续登场。1927年，Heisenberg又发表了令人咋舌的不确定性原理（Uncertainty Principle），他说电子的动量和位置永远不能同时观测，它们的测量结果误差永远存在，而且当其中一个被测量得非常精确，另一个就变得摇摆不定，误差急剧增大。之后他又指出了能量和时间的不确定性关系，同样像是一对结有深仇大恨的冤家，永远不能被同时观测。好吧，我也不得不承认，量子世界太疯狂了！

Bohr：再度登场。这次他也带来了令人震惊的理论：电子既然是波又不是波，是粒子又不是粒子，那么……电子就既是波又是粒子，即所谓的“波粒二象性”！在人们观测电子之前，它按照波函数处于叠加态弥漫于整个空间；当人们观测它，又按照波函数φ的概率坍缩（collapse），瞬间聚集为一个小点。我们闭上眼睛，电子就是一团混沌，一朵概率云；我们一睁开眼睛，它有变回实实在在的粒子。量子的解释越来越玄乎，不过尽管这样，它的确有效，这个理论又被一大群科学家发展，在原来不确定性原理的基础上，再加上一条互补原理，后来自成一派，形成了一个“哥本哈根”解释。

Einstein：这种“骰子”的解释当然让老爱这位信仰因果论的大牛很不服了。他坚信所有的事件的发生一定是有前因后果的，他拒绝接受电子出现在空间某个位置是随机的。他高呼：“老头子不掷骰子！”他设计了一个又一个思维实验来试图驳倒哥本哈根解释，黑箱实验，EPR详谬等等等等，结果却是一次又一次被哥本哈根解释击败。但是老爱毕竟是老爱，他至死都坚定不移地相信因果论，他的这种信念确实令人敬佩！

Schrodinger：老爱不是孤军奋战的，跟他同一战线的还有那位可爱的Schrodinger。他描述了一个常常被人视为噩梦的猫实验，由不确定性原理最后推出了一只处于半死半活、又死又活的猫！这完全不符合常理！物理学家们不得不重新考虑新的理论来解释电子的行为，在之后的岁月里，稀奇古怪的理论如同雨后春笋般不断涌现。许多杰出的物理学家们都作出了贡献：哥本哈根的解释说是因为意识使得波函数坍缩，有人甚至把整个宇宙拉了进来说每次观测都会导致宇宙的分裂（多世界解释/Many Worlds Interpretation,简称MWI），还有由MWI发展而来的平行宇宙理论（Parallel Universes），有隐变量理论（Hidden Variable Theory），巧妙的退相干理论（Decoherence Theory，简称DH理论），等等。只是这些理论显得实在太古怪，在此不再多提。但是直到如今，仍然没有一个解释能够完美地解释量子世界，能够不引起人们的争议。目前的现状是：哥本哈根的解释依然是量子物理的主力军，同时周围还有一大群鱼龙混杂的帮派，并且不断有生力军涌现。



写到这里可能有点乱了。不过确实，量子力学目前给我的感觉就是一片混沌。最后再提几个人物，他们也绝对称得上是物理学史上名垂青史的人物。

John Von Neumann：与其说是物理学家还不如说是数学家。他是个天才，8岁懂微积分，12岁精通泛函分析，如此等等。他为量子力学建立了数学基础，这一点，功不可没。

Richard Feynman：一个天才。前些天在书店看到Feynman的一套三册物理学讲义直流口水，好了，说正经的。Feynman提出了用重正法（Renormalization）来处理关于辐射场的量子化理论在电子磁矩方面的问题，不仅消除了原来得出的无穷大结果，他的计算结果更是一直与实验值符合到小数点后11位！在经过修正后，量子电动力学（Quantum Electrodynamics，简称QED）成为了人类又是以来最为精确的物理理论之一。此外，精灵的Feynman还搞出了以他命名的Feynman图，使得许多问题的处理得到了简化，具体的技术细节我们就不去理会了。

Murray Gell-Mann：夸父，呵呵，我说的是“夸克之父”。1960年代有物理学家完成了弱电统一理论，成功地将电磁力和弱相互作用统一起来，这使人们相信宇宙中四种基本作用力终将被一种理论所描述。Gell-Mann引入夸克(Quark)的概念，试图将强相互作用也统一进来。在这个如今家喻户晓的物理模型中，每一个强子被分割为夸克，它们通过交换胶子（gluon）来维持彼此的作用力。这个理论被证明是非常有效而精确的。有趣的是，每种夸克还有不同的“颜色”，因此这也成了量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD）名字的由来。值得一提的是，我们这位Gell-Mann还是先前提到的DH理论的创始者之一。

Enrici Fermi：又是一位天才。他和Dirac一起建立了一套预测原子结构和状态的统计方法，成为Fermi-Dirac统计，这完全是能和Bose-Einstein统计相提并论的数学物理方法。在曼哈顿计划中，Fermi也是扮演了举足轻重的地位，他最早发现了慢中子在引发人工原子衰变的重要性，也是世界上第一个实现可控链式核反应的人。

Edward Witten：One of my idols，也许他是当代物理学界最牛的家伙了。原来在物理学界不值一提超弦理论(Superstring Theory) 经过他的发展一跃成为当今最热门的物理课题之一。在描述任何基本粒子时，它们都被等效成一根在10维空间下振动的弦（实际上原先有5种类似的超弦理论，但是就是无法统一）。四个维度是我们熟知的时间空间，还有6个维呢？超弦理论说，它们由于某种原因仅仅蜷缩，以致于我们的宇宙看上去才是四维的！这6个蜷缩的维度不停地扰动，所以会有量子的不确定性！Witten又指出，不同耦合常数的弦论在本质上是一致的，他把那5种弦论统一了！他说，耦合常数被放大时，出现了一个新的维度——第11维！他的整套理论被成为“M理论”，原先5个弦理论都是它在不同情况下的极限。这个古怪的M理论是目前最有希望成为能够统一描述四种基本作用力的“大统一理论”（Grand Unified Theory）的理论。在忽略引力效应时，它退化成量子场论（Quantum Field Theory）；在忽略量子效应时，它退化为广义相对论！



最后引用William Blake的诗作为结尾吧：

See a world in a grain of sand

And a heaven in a wild flower

Hold infinity in the palm of you hand

And eternity in an hour……
11:36 PM | Add a comment | Read comments (4) | Permalink | Blog it | 物理June 02
27.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，他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？ 10:36 PM | Add a comment | Read comments (5) | Permalink | Blog it | 物理26.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？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……


10:26 PM | Add a comment | Read comments (2) | Permalink | Blog it | 物理May 05
25.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…… 3:56 PM | Add a comment | Read comments (2) | Permalink | Blog it | 物理24.超导电子
1911年，昂内斯发现超导电性并且获得了诺贝尔奖；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？……


3:55 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理April 30
23.集成电路
20世纪的科技得以飞速发展，除了基础自然科学的创立和发展外，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……


8:13 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理22.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…… 8:12 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理21.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…… 8:11 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理April 22
20.规范场论
1999年10月12日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.胡夫和维尔特曼。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……


2:07 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理19.粒子幽灵
牛顿利用他的定律为物质定义了一个最基本的属性：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？


2:06 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理18.粒子分类
电子、质子以及中子相继被发现后，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？…… 2:06 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理17.演化规律
薛定鄂方程与泡利原理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……


2:05 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理16.殊途同归
很多人都认为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……


2:05 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理April 21
世界首幅银河系立体构造图绘制完成
（中国）科技日报 (2006-03-30)
　　新华社东京3月27日电（记者 钱铮） 日本科学家根据对星际气体辐射电波的观测数
据，绘制完成了世界首幅银河系立体构造图。

　　日本国立天文台研究员中西裕之和东京大学教授祖父江义明领导的研究小组着重研
究占银河系气体大部分的氢气，他们以设在荷兰和智利等5处的射电望远镜数据为基础，
耗时6年分析氢气辐射出的电波，研究银河系各处分布的氢气数量，最终绘制出了这幅立
体构造图。

　　根据这幅构造图，从上方俯瞰，银河系不是完美的圆盘状，而是一侧鼓起，有些“
走样”，长轴长度约为13万光年。从断面来看，银河系如同一个凹透镜，中心部厚约300
光年，外侧厚约3000光年。密度大的气体聚集在中心部位，而密度小的气体在外侧形成
漩涡。更详细地分析密度分布，可以发现5条由明亮的恒星群落组成的“手臂”从漩涡中
心伸出，使漩涡呈规则的等角螺旋状。

　　中西裕之说，银河系中存在没有气体而只有恒星的部分，所以这幅以气体为基础的
立体构造图还称不上银河系的全景图，但是这幅构造图结束了人们只能依靠想象图描绘
银河系的历史，这必将进一步深入推进宇宙和银河系领域的研究。
7:19 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理April 15
15.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？
欲知后事如何，且看下回分解……


3:03 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理14.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（也就是物质波）描述的，波函数的模方就是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……


3:01 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理13.三大发现
原子论最终确定之后，人们就会很自然的想到这样一个问题：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。 3:01 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理11.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同时宣布，他们发现了核磁共振NMR。两人因此而获得了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？ 2:59 PM | Add a comment | Permalink | Blog it | 物理