第1章 量子的前夜
1.1历史背景
17世纪后期，牛顿力学建立起来，并开始成功应用于人类的社会生活。牛顿在1687年出版了他的代表作《自然哲学的数学原理》。在该著作里，牛顿提出了力学的三大定律以及万有引力定律，并用力学原理解释了大量的自然现象。牛顿将一切运动归结为机械运动，认为自然界就是一架按照力学规律运动的机器。牛顿研究问题的科学方法也得到社会的普遍赞赏和采用。牛顿运用的归纳和分析的研究方法、简单性原则、以实验为基础探寻和发现物质世界的普遍规律的原则，对后世科学的发展产生了深远的影响。牛顿力学对社会科学，特别是哲学和人类思想发展也产生了重大影响。在牛顿力学的直接影响下，英国的霍布斯和洛克建立和发展了机械唯物主义哲学，并产生了强大的影响力，使得唯物主义在宗教神学面前有了发言权，跟唯心主义哲学进行了激烈的斗争。牛顿力学使人类在思想观念上开始走向科学化和现代化，对人类思想进步产生了深刻的影响。
随着热力学原理的建立，18世纪中叶，蒸汽机开始大规模应用，开启了以英国为代表的资本主义国家的**次工业革命。蒸汽机和由蒸汽机带动的早期机车如图1.1所示。蒸汽机带动的各种机械使工业生产力得到迅猛的提高，资本主义经济在欧洲开始突飞猛进地发展。
图1.1 (a)蒸汽机；(b)蒸汽机车
同一时期，电磁学也开始走上科技舞台。丹麦物理学家奥斯特于1820年发现了电流的磁效应，也就是电流对磁极有力的作用。紧接着，英国物理学家法拉第根据奥斯特的发现发明了人类**台电动机。法拉第于1831年又发现了电磁感应现象：当一块磁铁穿过一个闭合导线时，导线里就会产生电流。在此基础上，法拉第很快发明了圆盘发电机。从此，电力工业开始起步。1865年，英国物理学家麦克斯韦根据前人发现的电磁现象和规律总结出电磁学的基本方程(经后人整理为现在的麦克斯韦方程组)。1873年，麦克斯韦《电磁通论》出版，建立了**电磁学的理论体系。特别是，麦克斯韦预言了电磁波，并提出了光就是一种电磁波的思想。1887年赫兹用实验证实了电磁波。电磁学的发展开启了美国、德国等国以电力为标志的第二次工业革命，电灯、电话以及电动机械相继出现。两次工业革命带来了工业技术和生产力的空前发展和提高。
1.2 两朵乌云
德国维尔茨堡大学的伦琴[图1.2(a)]于1895年发现了X射线。这种射线可以穿透黑纸板和玻璃，还能使照相底片感光。伦琴用X射线拍摄了他夫人的手掌的照片，见图1.2(b)。照片显示出手掌里面的骨骼，一下子轰动了世界。伦琴因此获得了**个诺贝尔物理学奖(1901年)。现在我们知道，X射线实际上是一种高频电磁波，波长大约在0.001～10nm的范围(1nm=10.9m，可见光的波长大约在400～760nm的范围)。X射线至今仍然在医疗影像方面发挥着巨大的作用(如X光拍片)。X射线衍射还是测量晶体结构的重要手段。
1895～1898年法国物理学家贝可勒尔和居里夫妇发现了铀、钋、镭等物质的放射性，共同获得了1903年诺贝尔物理学奖(居里夫人还因发现了元素钋、镭而获得了1911年诺贝尔化学奖)。后来英国物理学家卢瑟福确定了放射性物质发射的a射线就是高速氦核、B射线就是高速电子，法国物理学家维拉德确定了y射线是一种波长极短的电磁波(大约比X射线的波长还小3个量级)。现在，放射性在辐照消毒、辐照保鲜、橡胶的辐照交联改性和癌症的放射治疗等方面都有广泛的应用。
图1.2 (a)伦琴照片；(b)伦琴用X射线拍摄的夫人手掌的照片
1897年英国剑桥大学的J.J.汤姆孙发现了电子，并获得了1906年诺贝尔物理学奖。2000多年前的古希腊唯物主义哲学家德谟克里特*创了原子的概念，认为万物由不可分割的原子构成。1803年道尔顿根据大量化学实验提出了现代原子论，认为原子是物质不可分割的*小单元。电子的发现宣告了原子是可分的。后来人们进一步知道，原子是由原子核和电子组成的。不仅原子可以分割，原子核还可以分割，是由质子和中子组成的。这个分割过程让人们曾经以为物质无限可分。但是，现在人们认为质子和中子都是由3个夸克组成的，而夸克和电子等粒子是物质组成的*小单元。
1900年，物理学家开尔文勋爵说，物理学的大厦已经建成，但晴朗的天空仍飘着两朵乌云。其中一朵是人们寻找以太的失败。古希腊时期亚里士多德就设想过以太的存在，认为以太是一种弥漫在宇宙空间中的背景物质。在300多年前的牛顿时代，物理学家惠更斯提出光是一种波，并设想了以太这种介质作为光波的媒介。后来，麦克斯韦建立了电磁理论并预言了电磁波，进一步提出以太是电磁波的媒介。19世纪末年，美国物理学家迈克耳孙和莫雷用干涉仪研究了地球相对于以太的速度(即所谓以太风)。他们惊奇地发现地球相对于以太竟然是静止的！随后几年他们多次重复了这个实验，得到的依然是零结果。这是很荒唐的，地球以30km/s的速率绕太阳公转，怎么可能静止在以太中？这就是开尔文勋爵说的物理学的**朵乌云。他说的另一朵乌云是指热力学中的能量均分定理在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不符的结果，特别是黑体辐射理论会出现“紫外灾难”。人们尝试了各种物理学理论都无法对它进行解释。这两朵乌云催生了20世纪物理学的两大基石，即相对论和量子力学。
20世纪初，以微观粒子为研究对象的量子力学诞生。物理学从此云开雾散进入原子分子新时代。20世纪四五十年代，人类迎来了以原子能、电子计算机、空间技术和生物遗传工程的发明和应用为主要标志的第三次工业革命。目前核电的利用占总电力的比例在许多欧洲国家已超过50%，在法国更是高达70%。计算机技术的进步在20世纪末促进了通信技术和信息技术的飞速发展。量子力学为20世纪的科技进步提供了*重要的理论基础。
第2章 量子的曙光
2.1 普朗克——灵光初现
19世纪末，人们发现了几件无法理解的怪事情。其中一件是一种所谓黑体的辐射谱。任何物体只要有温度，就有热辐射，而且温度越高热辐射越强。这是很显然的，就像一根烧红的木棒对周围有热辐射一样。物体同时还可以吸收和反射外来的辐射。黑色的物体之所以表现为黑色就是因为它吸收热辐射的能力很强而反射热辐射的能力很弱。可见，一般的物体可以发射、吸收和反射热辐射。19世纪中叶，著名的物理学家基尔霍夫提出了一个定律：热平衡的物体对辐射的发射率与吸收率之比是一个普适的只与温度有关的函数，与物体的材料、形状、体积无关。
黑体就是只吸收辐射而不反射的物体。这当然是一种理想的极端情况，实际上世界上没有这样的物体。碳粉比较像黑体，现代高科技做出来的超黑材料的反射率极低，确实非常接
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