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量子力學(xué)基本原理范文1
量子力學(xué)的成功和困惑
用宏觀物理學(xué)的方法研究原子的性質(zhì)及其相互作用時，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應(yīng)。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質(zhì)以及少數(shù)粒子的相互作用，一直是就是物理學(xué)家夢寐以求的事。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術(shù)的發(fā)展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法有了極大的發(fā)展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運(yùn)動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實(shí)現(xiàn)了利用特殊的電磁場來陷俘單個原子或離子。物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展使研究單個或少數(shù)幾個粒子的性質(zhì)、深入研究光子和物質(zhì)粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應(yīng)用的廣闊前景，還為證實(shí)和發(fā)展量子物理學(xué)的基本原理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
量子力學(xué)已有100多年歷史，量子力學(xué)理論取得了輝煌的成功。現(xiàn)代的高科技產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)芯片、激光、醫(yī)用磁共振等等無不是在量子力學(xué)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。量子力學(xué)被認(rèn)為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學(xué)的基本原理始終存在著疑問，那些創(chuàng)立量子力學(xué)的物理大師們自己都不滿意量子力學(xué)的基本假設(shè)。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關(guān)于量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結(jié)論。
量子力學(xué)描寫微觀世界的規(guī)律，但人類的直接經(jīng)驗(yàn)都是關(guān)于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經(jīng)典物理學(xué)中，觀察不影響被觀察對象的運(yùn)動狀態(tài)，例如，我們能夠觀察一個行星的運(yùn)動，追隨它的運(yùn)動軌跡，行星的狀態(tài)變化與觀察者無關(guān)，不受我們觀察的影響。可是，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當(dāng)我們研究一個量子體系時，經(jīng)過測量后的量子體系原來的狀態(tài)總是被破壞了。例如，光子進(jìn)入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態(tài)就改變了。宏觀儀器對量子系統(tǒng)測量的結(jié)果，都必須轉(zhuǎn)換為經(jīng)典物理學(xué)的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質(zhì)是難以做到的事情，所以，量子力學(xué)所預(yù)言的量子世界的奇特性質(zhì)一直令物理學(xué)家和公眾感到神秘難解。
2012年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，突破了經(jīng)典物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和人類直接經(jīng)驗(yàn)的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進(jìn)行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，研究量子力學(xué)的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進(jìn)一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應(yīng)用前景。
阿羅什：把光子囚禁起來
阿羅什畢業(yè)于法國高等師范學(xué)校。1971年他在巴黎第六大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學(xué)獎得主。從20世紀(jì)60年代開始阿羅什就在法國高等師范學(xué)校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實(shí)驗(yàn)室是以獲諾貝爾物理學(xué)獎的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學(xué)，在諾貝爾物理學(xué)獎獲得者肖洛的實(shí)驗(yàn)室中工作。
阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室特有的學(xué)術(shù)環(huán)境和物質(zhì)條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學(xué)生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準(zhǔn)備新課的過程中他注意到了光和物質(zhì)相互作用的不同方面。阿羅什認(rèn)為，國際交流學(xué)者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學(xué)文化以補(bǔ)充他們自身的不足。他覺得幸運(yùn)的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強(qiáng)地提出可能的應(yīng)用前景作為依據(jù)。
阿羅什小組的主要成就是發(fā)展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉(zhuǎn)換為電流（光電探測器）或轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉(zhuǎn)化為神經(jīng)的電脈沖的）。總之，光子被測量到后立即消失。近半個世紀(jì)以來，雖然人類發(fā)展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復(fù)測量記錄同一個光子。
光的速度非常快，達(dá)每秒30萬公里，所以要控制、測量單個光子，必須將光子關(guān)閉在一個小的區(qū)域內(nèi)，并使其在足夠長的時間內(nèi)不逃逸或被吸收。阿羅什小組實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導(dǎo)材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機(jī)會非常小。空腔由兩個凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個設(shè)備安置在絕對溫度1度以下的環(huán)境中。一個微波光子在腔中停留時間可達(dá)十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當(dāng)于繞地球一周。可以說阿羅什小組創(chuàng)造了限制在很小的有限體積內(nèi)的光子壽命的世界紀(jì)錄。
阿羅什小組的另一項(xiàng)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)是利用利用里德伯原子作為探測器，實(shí)現(xiàn)非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發(fā)到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數(shù)37）原子，把它的價(jià)電子激發(fā)到第50層的圓形軌道上（主量子數(shù)n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發(fā)射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據(jù)的最外層軌道為n=5；當(dāng)它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時，原子的半徑達(dá)到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。
瓦因蘭德：讓離子停下來
瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業(yè)于美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校；1970年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導(dǎo)師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學(xué)，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發(fā)表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關(guān)激光致冷的開創(chuàng)性論文，被學(xué)術(shù)界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。
1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業(yè)部的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所工作。在那里，他創(chuàng)建了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項(xiàng)世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。他是15年來美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。
制造量子計(jì)算機(jī)的建議方法有多種，許多科學(xué)家正在對不同的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產(chǎn)生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價(jià)離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個相對的電極和一個環(huán)形電極，離子由激光束控制。
在常溫下，原子運(yùn)動的平均速度為每秒數(shù)百米，以這種速度運(yùn)動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運(yùn)動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運(yùn)動速度才能變得很小。可以利用激光使離子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態(tài)。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當(dāng)然，原子或離子吸收了光子又要再把它發(fā)射出去，發(fā)射光子時原子也要受到反沖。但原子或離子發(fā)射光子的方向是隨機(jī)的，各種方向都有，結(jié)果反沖效應(yīng)平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經(jīng)很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內(nèi)部的能量狀態(tài)耦合起來，形成復(fù)雜的能級。在適當(dāng)頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內(nèi)部能量最低的狀態(tài)，同時帶動離子振動能量的變化。在適當(dāng)控制的條件下，重復(fù)這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量達(dá)到最低的量子狀態(tài)，離子近于完全停止。這時，離子就可以隨意操控了。
瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門（Controlled NOT）。當(dāng)然可控非門只是最簡單的量子計(jì)算機(jī)的元件，一臺能工作的計(jì)算機(jī)需要多得多的元件，離制成實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還非常遙遠(yuǎn)。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內(nèi)的許多科學(xué)家正積極研究，攻克難關(guān)，希望在本世紀(jì)內(nèi)將量子計(jì)算機(jī)研制成功。
瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當(dāng)今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗(yàn)量子力學(xué)基本原理，如進(jìn)行“薛定諤貓”的實(shí)驗(yàn)。
不為盛名所惑
阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實(shí)驗(yàn)室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學(xué)獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩(wěn)定的研究小組，還有許多優(yōu)秀的學(xué)生和合作者，其中包括外國的訪問學(xué)者。在他們的諾貝爾獎報(bào)告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關(guān)系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學(xué)生、博士后和訪問學(xué)者也做出了貢獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)成績是大家努力的結(jié)果。
瓦因蘭德和阿羅什也有一點(diǎn)很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應(yīng)用目標(biāo)，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應(yīng)用目的。不過，即使在法國高等師范學(xué)校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學(xué)家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所本身就具有明確的實(shí)用目標(biāo)：促進(jìn)美國的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競爭能力，開創(chuàng)新的測量科學(xué)，推進(jìn)美國的技術(shù)水平。該研究所的研究都是目標(biāo)長遠(yuǎn)，技術(shù)含量高，能在世界上領(lǐng)先的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目實(shí)際上都是結(jié)合遠(yuǎn)期應(yīng)用的基礎(chǔ)性研究。
瓦因蘭德和阿羅什還有一個共同點(diǎn)，就是除了做研究以外，都在大學(xué)教課。阿羅什認(rèn)為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學(xué)生的角度來看，能聽到優(yōu)秀的科學(xué)家講課，和他們直接交流，不僅能學(xué)到當(dāng)今前沿的科學(xué)知識，還可以學(xué)習(xí)到優(yōu)秀科學(xué)家的治學(xué)精神和思想方法。
榮摘諾獎桂冠是否改變了科學(xué)家本人的生活呢？據(jù)英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息。
“我很幸運(yùn)，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“（接到來電時）我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當(dāng)我看到是瑞典的來電區(qū)號，我意識到這是真實(shí)的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋。”
不過據(jù)諾獎官網(wǎng)的推特稱，阿羅什接到獲獎的確切消息后，打了個電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實(shí)驗(yàn)室工作去了。
（作者單位：復(fù)旦大學(xué)物理系）
阿羅什小組設(shè)備示意圖
量子力學(xué)基本原理范文2
【關(guān)鍵詞】課程體系 教學(xué)內(nèi)容 優(yōu)化研究
【中圖分類號】O43；O56 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）08-0181-02
光學(xué)與原子物理學(xué)是物理類專業(yè)的重要的基礎(chǔ)課，其前與力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)課程相銜接，其后承載著理論物理以及專業(yè)方向課程。由于這兩門課程在課程設(shè)置中具體的位置，再考慮課程本身的學(xué)術(shù)特色，這兩門課程的教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力和理論應(yīng)用能力的培養(yǎng)有其特殊的作用。工科院校有注重實(shí)踐、技術(shù)培養(yǎng)的傳統(tǒng)及其較完備的設(shè)施，客觀上為這兩門課程的能力培養(yǎng)提供了條件。我們要充分認(rèn)識工科院校的這種客觀優(yōu)勢和課程的學(xué)術(shù)特色，優(yōu)化課程體系和教學(xué)內(nèi)容，將課程的學(xué)術(shù)特色、學(xué)校的客觀優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為能力培養(yǎng)的特色和優(yōu)勢。
一、光學(xué)的課程體系及教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)
光學(xué)既是一門重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，又是一門應(yīng)用性十分活躍、交叉滲透極其廣泛的物理課程。“在長期的發(fā)展過程中，光學(xué)形成了一套行之有效的特殊方法和儀器設(shè)備”【1】，即數(shù)理解析與幾何圖形相結(jié)合的理論研究方法、精密測量的設(shè)計(jì)與應(yīng)用特征。光學(xué)的這種學(xué)術(shù)特色對學(xué)生素質(zhì)能力的培養(yǎng)有其獨(dú)到之處。因此，通過對光學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，突出課程的理論研究方法及其實(shí)踐性、滲透性【2】，有利于培養(yǎng)學(xué)生的交叉綜合性分析能力和依據(jù)理論的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、精密檢測能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維意識。
1.課程體系的架構(gòu)
以折射率和位相為核心概念，以費(fèi)馬原理和惠更斯-菲涅爾原理為基本原理，按照幾何光學(xué)、波動光學(xué)和量子光學(xué)的順序，研究光的傳播特性（波動性）及其粒子性，展示其數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的理論研究方法，突出課程在工程技術(shù)中的應(yīng)用以及與現(xiàn)代光學(xué)的滲透【1，3】。
體系框圖：
2.教學(xué)內(nèi)容的組織思路
以體現(xiàn)課程體系為原則，按48課時選取并組織、安排教學(xué)內(nèi)容思路如下【1，2】。
第一章 緒論：突出光學(xué)與其他學(xué)科的交叉滲透與應(yīng)用。（2學(xué)時）
第二章 幾何光學(xué)：以費(fèi)馬原理為基礎(chǔ)，以常見的光學(xué)儀器（單球面、薄透鏡、放大鏡等）成像為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)思。（10學(xué)時）
第三章 光的干涉：以波的相干疊加為理論基礎(chǔ)，以等傾和等厚干涉為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出相干理論在精密測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。（12學(xué)時）
第四章 光的衍射：以惠更斯-菲涅爾原理為基礎(chǔ)，以菲涅爾衍射、夫瑯和費(fèi)衍射、光柵衍射為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、突出其分光特性在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。（10學(xué)時）
第五章 光的偏振：以光的偏振理論為基礎(chǔ)，以偏振器件為載體，展示數(shù)理解析與幾何圖像相結(jié)合的研究方法、注重向磁至旋光及磁光盤滲透。（10學(xué)時）
第六章 量子光學(xué)：以光的量子論為基礎(chǔ)，以光的輻射和激光為載體，注重向量子光學(xué)以及非線性光學(xué)滲透。（4學(xué)時） 二、原子物理學(xué)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)
原子物理學(xué)是用近似的、不完整的量子力學(xué)理論和方法研究原子的運(yùn)動及其構(gòu)成的課程。其學(xué)術(shù)特色是完全以實(shí)驗(yàn)（觀察）事實(shí)為依據(jù)建立或選取理論模型，對問題做出恰當(dāng)?shù)慕忉尅Ｔ撜n程研究對象抽象，理論的系統(tǒng)性、完整性不強(qiáng)。但原子物理學(xué)是基礎(chǔ)物理課程中蘊(yùn)含了創(chuàng)新性思維最多的課程，其研究手段和方法為其它相關(guān)領(lǐng)域所通用【4】。因此，通過原子物理課程的教學(xué)，主要是培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)研究客體進(jìn)行理論建模的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新理論框架、簡化理論處理、取舍運(yùn)算結(jié)果的意識和水平。
1.課程體系的架構(gòu)
以光譜和德布羅意波為核心概念，采用近似的量子力學(xué)方法（經(jīng)典理論+量子力學(xué)）研究原子（氫原子、堿金屬、多電子原子、外場中的原子）與原子核的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律，展示課程的理論創(chuàng)新特色以及在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工程實(shí)踐中的多層次應(yīng)用。
體系框圖：
2.教學(xué)內(nèi)容的組織思路
以體現(xiàn)課程體系為原則，按48課時選取并組織教學(xué)內(nèi)容，思路如下。
序論：突出課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題。（2學(xué)時）
第一章 原子的結(jié)構(gòu)：以α粒子散射實(shí)驗(yàn)和原子核式結(jié)構(gòu)為載體，突出盧瑟福散射技術(shù)在材料分析中的應(yīng)用。（5學(xué)時）
第二章 量子力學(xué)基礎(chǔ)：以三個實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依托量子力學(xué)的基本原理，突出理論創(chuàng)新的特色、思路和方法。（8學(xué)時）
第三章 氫原子：以半經(jīng)典半量子論為理論基礎(chǔ)，以氫原子為載體，突出理論建模以及光譜分析在科學(xué)研究、工程實(shí)踐中的應(yīng)用。（8學(xué)時）
第四章 堿金屬原子：以電子的軌道貫穿、極化理論為基礎(chǔ)，以堿金屬原子為載體，展示理論修正方法以及光譜分析在科學(xué)研究和精密檢測中的應(yīng)用。（8學(xué)時）
第五章 多電子原子：以泡利不相容原理及Hunt定則為理論基礎(chǔ)，以多電子原子為載體，突出量子規(guī)律以及光譜分析在科學(xué)研究中的應(yīng)用。（6學(xué)時）
第六章 外場中的原子：以磁場和原子的相互作用為基礎(chǔ)，以Zeeman效應(yīng)為載體，展示磁效應(yīng)在材料磁性，磁共振技術(shù)中的應(yīng)用。（5學(xué)時）
第七章 原子核物理學(xué)：以核結(jié)合能為基礎(chǔ)，以核裂變和聚變?yōu)檩d體，突出原子能、核技術(shù)的利用以及放射線的探測、防護(hù)。（6學(xué)時）
參考文獻(xiàn)：
[1]趙凱華.新概念物理教程——光學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004：6
[2]吳壽煜，吳大煒.試論21世紀(jì)物理專業(yè)《光學(xué)》之教學(xué)改革[J].黑龍江高教研究，2004（6）：101-103
量子力學(xué)基本原理范文3
關(guān)鍵詞：不確定原理 玻爾量子化條件 德布羅意公式 擾動
【中圖分類號】O413.1【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1004-1079（2008）10-0184-02
眾所周知，量子力學(xué)誕生以后，不確定原理引起了長期激烈的爭論。[1]物理學(xué)家們一般認(rèn)為，不確定原理與測量對粒子的擾動有關(guān)[2]，但已有的各種嚴(yán)格或不嚴(yán)格的論證并未直接給出這個結(jié)論, 以至于當(dāng)今有的物理學(xué)專家在談及不確定原理時感慨地說：沒有人真正知道它是如何產(chǎn)生的。[3]其次，由于習(xí)慣于認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)是決定性的理論，初學(xué)者對不確定原理往往感到難以理解。事實(shí)上，不確定原理不僅存在于量子力學(xué)中，在經(jīng)典力學(xué)乃至整個經(jīng)典物理學(xué)中也存在，只不過因其實(shí)際效應(yīng)可以忽略人們以往不注意罷了。下面，我們先討論經(jīng)典力學(xué)中的不確定原理，再討論量子力學(xué)中的不確定原理，并根據(jù)玻爾量子化條件和德布羅意公式得到一種導(dǎo)出不確定關(guān)系式的新方法，證明不確定關(guān)系與測量對粒子的擾動有關(guān)。
一、經(jīng)典力學(xué)中的不確定原理
看到本段的標(biāo)題，也許有人會想：經(jīng)典力學(xué)是決定性的理論，怎么會存在不確定原理？對此疑問，首先必須指出的是：狀態(tài)之間的因果關(guān)系與狀態(tài)描述的確定程度是既有聯(lián)系又有區(qū)別的兩個概念。以往，由于牛頓方程給出了質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動狀態(tài)之間確定的因果關(guān)系，人們認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)完全是決定性的理論，但這隱含著一個如狄拉克所指出的假定：經(jīng)典力學(xué)假定對所有可觀測量都能同時賦予數(shù)值。[4]問題是：在經(jīng)典力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)，也就是質(zhì)點(diǎn)的位置和速度是否真的可以完全確定呢？
為簡便起見，討論一維運(yùn)動。我們知道，一維運(yùn)動中平均速度的定義是V=,（1）
而瞬時速度定義為平均速度的極限：
V=limt0（2）
我們知道，任何測量都是或長或短的過程，不可能是瞬時的，因此，我們能測得的總是平均速度而非瞬時速度，或者說，平均速度可測，（瞬時）速度不可測。這聽起來似乎有點(diǎn)怪，但事實(shí)如此。在物理學(xué)中，說一個不能準(zhǔn)確測定的物理量有確定值是沒有意義的，所以，我們把平均速度相對于速度的這種偏差叫做速度的不確定偏差：δV=V-.（3）
顯然，速度不確定偏差的存在與具體的測量技術(shù)無關(guān)。對上式兩邊取極限，可知不確定偏差δV是無窮小量，這就保證了速度的測定在具有不確定性的同時具有穩(wěn)定性。
也許有人會把速度不確定偏差的存在歸于測量技術(shù)的限制，那么我們要問，這種限制可否完全消除？顯然不能。因?yàn)椴淮_定偏差描述的是可測的平均速度相對于不可測的速度的偏差，這個偏差的存在與具體的測量技術(shù)無關(guān)，與通常所說的測量誤差是兩個概念。通常所說的速度測量誤差是平均速度的測量值與平均速度的真值的差，而所謂真值不過是多次測量的平均值罷了。
速度有不確定偏差，位置是否也有不確定偏差呢？利用V=可將牛頓方程=（4）
寫成V=,也就是dx=dV.
所以，當(dāng)速度有不確定偏差δV時，位置必有不確定偏差δx：
δx=δV.（5）
上式表明，僅當(dāng)質(zhì)點(diǎn)靜止時位置有確定值。此時,位置、速度都是完全確定的，或者說都是可測準(zhǔn)的。
上式還表明：當(dāng)力F足夠大時，δx足夠小，這就保證了位置的測定在具有不確定性的同時具有穩(wěn)定性。那么，所謂力F足夠大意味著什么呢？
設(shè)力場（Fx）有勢函數(shù)U(x)，即令
（Fx）＝－. （6）
將上式右邊的勢梯度在附近展開：
＝+x+A.（7）
所謂F（x）=足夠大，意味著上式右邊第一項(xiàng)后邊的那些項(xiàng)可以忽略，或者說，力場變化比較慢。所以，所謂給定初態(tài)和運(yùn)動方程，質(zhì)點(diǎn)以后的狀態(tài)就是確定的，其條件是力場F變化較慢。這個結(jié)論與量子力學(xué)關(guān)于可以用經(jīng)典力學(xué)描述微觀粒子運(yùn)動的條件完全相同[5]。
事實(shí)上，不僅在經(jīng)典力學(xué)中，在整個經(jīng)典物理學(xué)中不確定性都是普遍存在的。例如，測量電場或磁場時必須引入帶電粒子，測得的場是受到帶電粒子的場干擾的場，而非原來的那個場。又例如，測量一段電路的電壓時必須并聯(lián)一個伏特計(jì)，測得的電壓是并聯(lián)伏特計(jì)后的電壓，而非原來那段電路的電壓。諸如此類，不勝枚舉。這些不確定性并不是測量技術(shù)帶來的，也不是通過改進(jìn)測量技術(shù)能夠完全消除的，而是理論體系固有的，不可消除的，是客觀物質(zhì)運(yùn)動屬性的表現(xiàn)。
綜上所述可知，經(jīng)典物理學(xué)中的不確定性是一個客觀存在，是客觀物質(zhì)運(yùn)動屬性的反映。如前所說，狄拉克曾經(jīng)指出，經(jīng)典力學(xué)假定對所有可觀測量都能同時賦予數(shù)值。經(jīng)典力學(xué)的這個不自覺的假定使人們形成了一種根深蒂固的觀念，認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)完全是決定論的，與不確定性無關(guān)。許多學(xué)習(xí)了經(jīng)典力學(xué)的人開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)時對量子力學(xué)的不確定關(guān)系感到難以理解，其思想根源皆在于此。量子力學(xué)誕生以后，不確定原理引起了長期的激烈的爭論。爭論的結(jié)果之一是把舊名稱“測不準(zhǔn)原理”、“測不準(zhǔn)關(guān)系”改成了“不確定原理”，“不確定關(guān)系”，以免望文生義，把不確定“偏差”誤認(rèn)為測量“誤差”。看來，改得確有必要。不過，概念的建立重在內(nèi)涵的把握。不論在量子力學(xué)中還是在經(jīng)典力學(xué)中，不確定原理都應(yīng)被視為一個基本原理，都是客觀物質(zhì)運(yùn)動屬性的表現(xiàn)，只不過表現(xiàn)形式和表現(xiàn)程度不同罷了。不同之處在于，量子力學(xué)中的力學(xué)量大多是量子化的，不確定偏差有下限，不是無窮小量；經(jīng)典力學(xué)中的力學(xué)量大多是連續(xù)變化的，不確定偏差是一個無窮小量。正是由于經(jīng)典力學(xué)中的不確定偏差是一個無窮小量，忽略它不會給一般的技術(shù)工作帶來問題，但不能因此就否認(rèn)它的存在。
二、 量子力學(xué)中的不確定原理
我們知道，在量子力學(xué)中，算符x和算符不對易，坐標(biāo)x和動量Px不能同時有確定值。下面根據(jù)玻爾軌道量子化條件和德布羅意公式導(dǎo)出量子力學(xué)中的不確定關(guān)系式x?Px=t?E≥.（8）
不失一般性，設(shè)用光信號測量一個氫原子的位置。 顯而易見，從氫原子中電子吸收光子躍遷到較高能級到放出光子躍遷到較低能級，存在一個或長或短的時間間隔t。假設(shè)在此時間內(nèi)氫原子的位移是, 動量增量是x, 則有Px
t?Px＝x?F?t=t?E,（9）
其中F是t時間內(nèi)氫原子所受力的平均值,E 是氫原子能量的增量。上述過程等效于氫原子吸收了一個能量為hv的光子，于是有
E=hv=hω＝h,
即t?E=h?Ф.（10）
那么，上式中Ф的物理意義是什么呢？利用德布羅意公式p=mV=可將玻爾的軌道量子化條件mVr=nη寫成
2πr=nη=2n. （11）
這表明氫原子中電子的德布羅意波是一個沿著圓軌道的駐波，圓軌道上每兩個相鄰節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的圓心角是，如圖1所示。電子躍遷的末態(tài)能級
包含無限多個可能的軌道面，其中一個軌道面與初態(tài)軌道面的夾角為θ,0≤θ≤π ，如圖2所示。設(shè)這些軌道面是等幾率的，則初末態(tài)中相鄰節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的圓心角之差的平均值是
Ф=-≥-, （12）
其中n=1,2,3,L;m=n+1,n+2,L. 取n=2, 得
Ф≥.（13）
將上式代入（10）式即得（8）式。
由上述證明可知，不確定原理與測量對粒子的擾動有關(guān)，即與物體之間的相互作用有關(guān)。這與前面的分析一致。不過，由于應(yīng)用了玻爾軌道量子化條件，上述證明還不是完全量子論的證明。量子力學(xué)中對不確定原理的嚴(yán)格證明見各種標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)教科書[6]，這里不再贅述。
參考文獻(xiàn)
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[2] 時間簡史，（英）S.W. Hawking 著，許明賢 吳忠超譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2002第1版，53頁
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[5] 同[1]，148頁
量子力學(xué)基本原理范文4
Concepts and Methods of 2D
Infrared Spectroscopy
2011,296pp
Hardback
ISBN9781107000056
本書介紹了二維紅外（IR）光譜這一前沿技術(shù)，以及在能源科學(xué)、生物物理學(xué)和物理化學(xué)等不同學(xué)科的應(yīng)用。這本書帶領(lǐng)讀者對二維紅外光譜的基本概念一步一步建立起直觀的認(rèn)識，并深入進(jìn)行了解。該書用深入淺出的方法，介紹了復(fù)雜的數(shù)學(xué)概念，同時結(jié)合了實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作的條件，對實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。為幫助讀者更好理解書中所涉及的概念，本書還為讀者提供了用來模擬二維紅外光譜的計(jì)算機(jī)代碼和相關(guān)練習(xí)。通過此書，讀者將掌握如何準(zhǔn)確分析解釋二維紅外光譜，獨(dú)立設(shè)計(jì)自己的光譜儀，建立自己的脈沖序列。
書中內(nèi)容具體包含二維紅外光譜的基本原理、紅外光譜的多脈沖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、微擾密度矩陣展開、偏振控制、分子耦合、二維紅外光譜線形狀、二維紅外光譜動態(tài)交叉峰，以及具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集和處理；最后，還介紹了若干實(shí)用的模擬方法，并提供了有關(guān)脈沖序列設(shè)計(jì)的一些例子。其中，書中第二章和第三章主要介紹了密度數(shù)學(xué)方法，包括布洛赫矢量、密度矩陣和費(fèi)曼圖等；第八章和第九章介紹了二維紅外光譜線形狀和動態(tài)交叉峰等實(shí)驗(yàn)方面的知識。為了進(jìn)一步幫助讀者理解相關(guān)內(nèi)容，書中每一章的結(jié)尾均附有練習(xí)，所需的計(jì)算機(jī)代碼和練習(xí)答案均可以從作者的網(wǎng)站省略/9781107000056下載。
本書的作者是瑞士蘇黎世大學(xué)的彼得•哈姆和美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的馬丁•扎寧。作者依據(jù)自己多年的研究，系統(tǒng)描述了二維紅外光譜的應(yīng)用范圍，以及對科學(xué)研究所起到的重要作用，還提供了進(jìn)行二維紅外光譜實(shí)驗(yàn)的多種方法，包括研究飛秒脈沖序列相互作用過程中的密度矩陣方法。并且，作者通過介紹非線性光學(xué)和量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)的相關(guān)知識，使讀者充分理解二維紅外光譜的原理，并能利用二維紅外光譜技術(shù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，開展相關(guān)研究。
本書對于剛進(jìn)入二維紅外（IR）光譜研究領(lǐng)域的研究生和研究人員非常有幫助。閱讀本書，需要讀者具有非線性光學(xué)的基礎(chǔ)，以及量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本知識。
楊盈瑩，
助理研究員
（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）
量子力學(xué)基本原理范文5
關(guān)鍵詞 物理學(xué) 分析 前景
中圖分類號：G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Physics Professional Analysis
ZENG Daimin[1], LI Yong[2]
([1]Physics Department, Physics College, Chongqing University, Chongqing 400040;
[2]State Intellectual Property Bureau Patent Examination Coordination Center, Beijing 100190)
AbstractThis paper combine with the cultivation of students in Physics professional, takes a professional analysis on Physics major, including Physics professional direction settings, course setting, and cultivating specification as well as employment prospects of the students.
Key wordsPhysics; analyse; prospects
物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動和相互作用的規(guī)律的科學(xué)，是除數(shù)學(xué)外最基本的一門學(xué)科。物理運(yùn)動是自然界最普遍的一種現(xiàn)象，因此物理學(xué)研究的對象和內(nèi)容就是宇宙間各種物質(zhì)的性質(zhì)、存在狀態(tài)、各種物理運(yùn)動形式及其轉(zhuǎn)化現(xiàn)象、物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成部分，物理領(lǐng)域的各種基本相互作用及其規(guī)律。由于一切物理現(xiàn)象都在時間、空間中表現(xiàn)出來和發(fā)生運(yùn)動和轉(zhuǎn)化，所以物理學(xué)也要研究時間和空間的性質(zhì)、聯(lián)系等。 進(jìn)行物理學(xué)研究，首先是觀察各種客觀物理現(xiàn)象，再從許多表象性的現(xiàn)象中，揭示基本規(guī)律，建立較為系統(tǒng)的理論。物理學(xué)研究除了要依靠好的科學(xué)方法外，還要取決于認(rèn)知工具。工具越先進(jìn)，研究效率越高，成果越顯著。 物理學(xué)在發(fā)展過程中形成了一套完整的科學(xué)方法，它對其他學(xué)科的研究，乃至哲學(xué)發(fā)展，都有重要意義。①重慶大學(xué)物理學(xué)專業(yè)從2008年開始正式招生，到現(xiàn)在，第一屆學(xué)生即將進(jìn)入大四。通過這幾年對物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，我們有一些體會，與同行共勉。
1 專業(yè)方向設(shè)置
1.1 理論物理方向
理論物理學(xué)從各類物理現(xiàn)象的普遍規(guī)律出發(fā)，運(yùn)用數(shù)學(xué)理論和方法，系統(tǒng)深入的闡述有關(guān)概念，現(xiàn)象及其應(yīng)用。理論物理是從理論上探索自然界未知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律的學(xué)科。理論物理的研究領(lǐng)域涉及物理學(xué)所有分支的基本理論問題。理論物理是在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，以理論的方法和模型研究基本粒子、原子核、原子、分子等物質(zhì)運(yùn)動的基本規(guī)律，從而解決學(xué)科本身和在高科技探索中提出的基本理論問題。重慶大學(xué)物理學(xué)院理論物理方向目前包括：高能物理、引力波、天體物理、量子信息與量子通信等幾個分支。
1.2 凝聚態(tài)物理方向
凝聚態(tài)物理學(xué)是從微觀角度出發(fā)，研究由大量粒子（原子、分子、離子、電子）組成的凝聚態(tài)的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)過程及其與宏觀物理性質(zhì)之間的聯(lián)系的一門學(xué)科。凝聚態(tài)物理是以固體物理為基礎(chǔ)的外向延拓。凝聚態(tài)物理的研究對象除晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體等固相物質(zhì)外還包括從稠密氣體、液體以及介于液態(tài)和固態(tài)之間的各類居間凝聚相，例如液氦、液晶、熔鹽、液態(tài)金屬、電解液、玻璃、凝膠等。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，目前已形成了比固體物理學(xué)更廣泛更深入的理論體系。特別是上世紀(jì)八十年代以來，凝聚態(tài)物理學(xué)取得了巨大進(jìn)展，研究對象日益擴(kuò)展，更為復(fù)雜。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的固體物理各個分支如金屬物理、半導(dǎo)體物理、磁學(xué)、低溫物理和電介質(zhì)物理等的研究更深入，各分支之間的聯(lián)系更趨密切；另一方面許 多新的分支不斷涌現(xiàn)，如強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系物理學(xué)、無序體系物理學(xué)、準(zhǔn)晶物理學(xué)、介觀物理與團(tuán)簇物理等。從而使凝聚態(tài)物理學(xué)成為當(dāng)前物理學(xué)中最重要的分支學(xué)科之一。由于凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)性研究往往與實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系，凝聚態(tài)物理學(xué)的成果是一系列新技術(shù)、新材料和新器件，在當(dāng)今世界的高新科技領(lǐng)域起著關(guān)鍵性的不可替代的作用。
2 主干課程設(shè)置
重慶大學(xué)物理學(xué)專業(yè)的主干課程有力學(xué)：使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握力學(xué)基礎(chǔ)知識，且能比較靈活加以應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題與解決問題能力，初步培養(yǎng)學(xué)生的唯物主義世界觀。主要內(nèi)容有質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)、牛頓運(yùn)動定律、動量守恒定律和動量定理、功和能與碰撞問題、角動量、剛體力學(xué)、振動和波。熱學(xué)：使學(xué)生掌握物質(zhì)熱運(yùn)動形態(tài)的規(guī)律性和熱運(yùn)動與機(jī)械運(yùn)動，電磁運(yùn)動等其它基本運(yùn)動形式之間轉(zhuǎn)化的規(guī)律性。掌握統(tǒng)計(jì)規(guī)律性和統(tǒng)計(jì)的方法以及物性方面的知識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。主要內(nèi)容有熱力學(xué)第零、第一、第二定律和熵、分子運(yùn)動論、輸運(yùn)過程、固體和液體及相變。電磁學(xué)：使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握電磁運(yùn)動的基本現(xiàn)象、基本概念和基本規(guī)律，具有一定的分析和解決電磁問題的能力，為后繼課程奠定必要的基礎(chǔ)。主要內(nèi)容有靜電場、靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì)。穩(wěn)恒電流、穩(wěn)恒磁場、電磁感應(yīng)、磁介質(zhì)、交流電初步、麥克斯韋電磁理論和電磁波、電磁單位制。光學(xué)：使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握光學(xué)的基本知識，主要講授幾何光學(xué)、波動光學(xué)、量子光學(xué)初步和光學(xué)應(yīng)用。原子物理學(xué)：使學(xué)生掌握原子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和一般規(guī)律，掌握和了解核的性質(zhì)與核能利用，了解粒子的基本性質(zhì)。講授盧瑟福模型、氫原子的玻爾理論、量子力學(xué)初步、原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)、多電子原子、X射線、原子核物理概論。理論力學(xué)：使學(xué)生掌握力學(xué)的基本理論，培養(yǎng)學(xué)生理性思維能力。講授質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)組力學(xué)、剛體力學(xué)、非慣性系動力學(xué)與分析力學(xué)等基本理論。熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理：使學(xué)生掌握物質(zhì)的熱運(yùn)動規(guī)律及熱運(yùn)動對物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響。講授熱力學(xué)的基本定律，熱力學(xué)函數(shù)、平衡及穩(wěn)定條件，相平衡及化學(xué)平衡，不可逆過程熱力學(xué)，最可幾統(tǒng)計(jì)法――玻爾茲曼分布、費(fèi)米分布、玻色分布，氣體和固體的熱容量理論，金屬中的電子氣體、平衡輻射，系統(tǒng)理論，熱力學(xué)的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式，非理想氣體態(tài)式，漲落理論，非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理簡介。電動力學(xué)：使學(xué)生掌握電磁場的基本屬性及運(yùn)動規(guī)律以及它和帶電物質(zhì)之間的相互作用。講授電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律，靜電場和穩(wěn)定電流磁場，電磁波的傳播，電磁波的輻射，狹義相對論及帶電粒子和電磁場的相互作用。量子力學(xué)：了解微觀客體運(yùn)動特點(diǎn)，初步掌握量子力學(xué)的基本原理和方法。課程內(nèi)容包括波函數(shù)、薛定鄂方程，量子力學(xué)中的力學(xué)量，態(tài)和表象理論，微擾理論等。固體物理：初步掌握固體物理的基本原理和特點(diǎn)。課程內(nèi)容包括晶體、晶體的缺陷和擴(kuò)散、晶體振動、相圖、能帶論、金屬和半導(dǎo)體電子論、固體的磁性和介電性等。數(shù)學(xué)物理方法：掌握有關(guān)復(fù)變函數(shù)、復(fù)變函數(shù)的積分、冪級數(shù)展開、留數(shù)定理、傅里葉級數(shù)、積分變換、數(shù)學(xué)物理方程定解問題、分離變數(shù)法、二階常微分方程的級數(shù)解法、本征值問題、球函數(shù)、柱函數(shù)、格林函數(shù)、積分變換法等數(shù)學(xué)物理方法的基本知識。
3 培養(yǎng)規(guī)格及要求
通過四年的物理學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握數(shù)學(xué)的基本理論和基本方法，具有較高的數(shù)學(xué)修養(yǎng)；掌握堅(jiān)實(shí)的、系統(tǒng)的物理學(xué)基礎(chǔ)理論及較廣泛的物理學(xué)基本知識和基本實(shí)驗(yàn)方法，具有一定的基礎(chǔ)科學(xué)研究能力和應(yīng)用開發(fā)能力；了解相近專業(yè)的一般原理和知識；了解物理學(xué)發(fā)展的前沿和科學(xué)發(fā)展的總體趨勢；了解國家科學(xué)技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)等有關(guān)政策和法規(guī)；掌握資料查詢、文獻(xiàn)檢索及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法；具有一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，歸納、整理、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫論文，參與學(xué)術(shù)交流的能力。具有計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基本技能。較熟練地掌握一門外國語言，具有良好的聽、讀、寫作和會話能力，能夠較順利地閱讀本專業(yè)的外文資料。
4 學(xué)生就業(yè)前景分析
重慶大學(xué)物理學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)具有寬厚扎實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)、綜合素質(zhì)優(yōu)秀，并且具有良好數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能，能在物理學(xué)或相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中從事科研、教學(xué)、技術(shù)和相關(guān)管理工作的高素質(zhì)專門人才；培養(yǎng)良好的創(chuàng)新意識和科學(xué)的思維方式，以及分析和解決實(shí)際問題的能力以適應(yīng)學(xué)科交叉和社會的各種需要。
物理學(xué)專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后主要從事以下一些行業(yè)：（1）繼續(xù)物理方向的深造，成為一名物理學(xué)家、物理教師。（2）從事與物理相關(guān)的一些工作，如技術(shù)工程師、發(fā)明家、研究助理等。（3）與物理關(guān)系不大的一些行業(yè)，如公務(wù)員、管理人員等。就業(yè)領(lǐng)域主要是：科研院所、高等院校、企事業(yè)單位、政府機(jī)關(guān)等。
總之，重慶大學(xué)成立物理學(xué)專業(yè)的主要目的是發(fā)現(xiàn)與培養(yǎng)真正熱愛物理的好苗子，讓他們打好基礎(chǔ)，再繼續(xù)深造，為物理學(xué)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在學(xué)習(xí)的過程中，有部分同學(xué)發(fā)現(xiàn)自己并不是很適合學(xué)物理，可以申請轉(zhuǎn)專業(yè)，找到適合自己發(fā)展的方向。最后留下來的絕大部分同學(xué)都會繼續(xù)讀研深造，向著他們心中神圣的物理殿堂繼續(xù)努力。實(shí)踐表明，物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生物理基礎(chǔ)打得非常堅(jiān)實(shí)，為將來的繼續(xù)深造做好了準(zhǔn)備，即將畢業(yè)的學(xué)生將有部分保送到中國科學(xué)院及各大高校，其余的同學(xué)也成為了本校碩士生導(dǎo)師爭搶的對象。物理學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)是成功的，并且也已經(jīng)成為重慶大學(xué)的一個優(yōu)勢特色專業(yè)，它將為全國培養(yǎng)和輸送更多、更好的物理方面人才。
基金項(xiàng)目：重慶大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動基金（0903005104675）資助
量子力學(xué)基本原理范文6
關(guān)鍵詞：量子定位 量子糾纏 Hong-Ou-Mandel干涉
中圖分類號：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0007-02
Abstract：For the traditional satellite navigation and global positioning system， the positioning accuracy is limited by the energy and bandwidth of electromagnetic pulses. With the development of quantum mechanics， laser pulses are used to replace the electromagnetic pulse signal and realize a high positioning precision approximating the physical limits because of their quantum entanglement properties， which is named as“quantum positioning system”. To describe the basic principle and characteristics of the quantum positioning advantages， while its key technologies and the broad application prospect in the future are analyzed as well.
Key Words：Quantum Positioning；quantum entanglement；Hong-Ou-Mandel interference
衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)以天基人造衛(wèi)星為基本平臺，能夠?yàn)槿蚝！㈥憽⒖铡⑻旄黝愜娒裼幂d體提供全天候、二十四小時連續(xù)不間斷的高精度三維位置、速度和時間信息。目前技術(shù)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括美國的全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS），歐洲導(dǎo)航定位衛(wèi)星系統(tǒng)，我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于交通導(dǎo)航、衛(wèi)星授時應(yīng)用、應(yīng)急指揮、民用水情測報(bào)服務(wù)等，發(fā)揮了非常重要的作用。
雖然GPS在導(dǎo)航定位領(lǐng)域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個方面的問題。
（1）定位精度仍然不夠高，系統(tǒng)體制仍存在著物理極限。因?yàn)镚PS定位的原理是通過重復(fù)地向空間發(fā)射電磁波信號，檢測電磁波到達(dá)待測點(diǎn)的時間延遲來實(shí)現(xiàn)的，這種以經(jīng)典物理學(xué)為基礎(chǔ)的方法受到所能實(shí)現(xiàn)的可利用功率及帶寬的限制，其測量精度很難獲得進(jìn)一步的提高。此外，電磁波信號受到電離層和對流層的干擾，特別在城市、山區(qū)等復(fù)雜自然環(huán)境下，由于高層建筑、樹木等對信號的影響，會導(dǎo)致信號的非直線傳播，從而使得不同環(huán)境下的導(dǎo)航效果具有比較大的差異。
（2）保密性較差，美國斯坦福大學(xué)設(shè)立有一個專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，主要截獲并分析全球所有的衛(wèi)星信號，華裔學(xué)者Grace Xingxin Gao在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites： analyzing the new signals》，較為詳細(xì)地闡述了衛(wèi)星信號的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機(jī)碼，但至少是可以部分破譯的。
（3）抗干擾能力差，與其他傳感器系統(tǒng)相比，GPS信號強(qiáng)度很弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)存在穩(wěn)定性漏洞。
由于存在著這些缺陷，美國投入巨資完善并發(fā)展GPS系統(tǒng)。基于量子技術(shù)的量子定位系統(tǒng)（Quantum Positioning System， QPS）作為一種定位精度高、保密性能強(qiáng)的導(dǎo)航定位技術(shù)，就是其發(fā)展重點(diǎn)之一。量子定位的概念最先是由美國麻省理工學(xué)院研究人員于2001年提出，其與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別在于所采用信號的不同。傳統(tǒng)定位如GPS系統(tǒng)采用的是基于重復(fù)發(fā)送電磁波脈沖測量信號達(dá)到時間，通過計(jì)算得到距離信息，而量子定位系統(tǒng)采用的是具有量子特性的光子脈沖。利用光子的微觀量子特性，如量子糾纏和量子壓縮態(tài)，量子定位系統(tǒng)就能夠超越經(jīng)典測量中能量、帶寬和精度的限制，精度可接近海森堡測不準(zhǔn)原理所限定的物理極限。
1 量子定位技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)
1.1 量子定位系統(tǒng)的原理
量子定位技術(shù)利用具有量子特性的激光脈沖，取代傳統(tǒng)GPS的微波信號來實(shí)現(xiàn)精確定位。區(qū)別于微波信號的長波長波束覆蓋寬，激光的波長很短指向性很高，衛(wèi)星與用戶間的傳統(tǒng)同步方法不再適用。因此量子定位系統(tǒng)的定位不應(yīng)是取代現(xiàn)有GPS，而是與GPS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全高精度的定位目的。通過對量子定位技術(shù)原理的研究與優(yōu)選，提出具有實(shí)用性的量子定位系統(tǒng)體系架構(gòu)以及面向用戶的應(yīng)用模式，才能將量子定位系統(tǒng)推廣應(yīng)用。
量子定位系統(tǒng)由量子糾纏態(tài)光源、HOM干涉測量部分以及系統(tǒng)控制部分組成，其基本原理與關(guān)鍵特性如下。
（1）高性能量子糾纏態(tài)光源。在光與非線性晶體相互作用的過程中，能夠產(chǎn)生一種非線性光學(xué)效應(yīng)，這種效應(yīng)一對低頻率光子具有很強(qiáng)的量子糾纏、關(guān)聯(lián)和非定域特性，可實(shí)現(xiàn)時間和空間上的高精度測量。作為光源，光子糾纏態(tài)的糾纏純度、退相干時間對系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大的影響。
（2）高穩(wěn)定HOM干涉測量與處理。在量子力學(xué)的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉中，由于雙光子的糾纏特性，干涉是不可區(qū)分的雙光子整體態(tài)。當(dāng)兩個光子在時域上同時到達(dá)分束片上時，雙光子態(tài)不可區(qū)分，此時干涉出現(xiàn)，兩個探測器的計(jì)數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)。反之，當(dāng)我們改變一條鏈路中的延時，致使復(fù)合計(jì)數(shù)出現(xiàn)強(qiáng)的反關(guān)聯(lián)時，即可知道此時兩個光子在時域上不可區(qū)分。這正是利用HOM干涉實(shí)現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的基本原理。
（3）高精度ATP與時間同步技術(shù)：在單組基線的系統(tǒng)中，需通過改變可控反射模塊來實(shí)現(xiàn)基線與待測點(diǎn)r0之間建立穩(wěn)定的光鏈路。二者的精確指向?qū)⒂绊懙阶罱K定位的精度，因此對反射模塊的反射角度需要進(jìn)行反饋控制。在利用參考光實(shí)現(xiàn)對于待測點(diǎn)ATP（獲取、跟蹤、瞄準(zhǔn)）之后，定位過程將通過精密調(diào)整延時并觀測探測器的復(fù)合計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
1.2 量子定位系統(tǒng)與量子保密通信的結(jié)合技術(shù)
原理上，量子定位系統(tǒng)與量子保密通信都是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與后處理。因此，在同一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)兩種功能具有可行性。研究在量子定位過程中引入量子保密通信的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對交互信息的保密處理，提高量子定位系統(tǒng)的安全性。兩者相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮量子定位系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢的方法，能有效提升量子定位的使用程度，是未來量子定位系統(tǒng)的一個應(yīng)用方向。
1.3 大氣、重力場環(huán)境的干擾校正技術(shù)
與GPS類似，為了實(shí)現(xiàn)寬覆蓋、全天候工作，星載平臺將是未來量子定位系統(tǒng)走向?qū)嵱没淖罴哑脚_。對于LEO低軌衛(wèi)星等自由空間傳輸?shù)男堑劓溌范裕髿獾膿p耗、湍流、散射，重力場對于授時的影響都是系統(tǒng)中必須考慮的因素，必須通過對環(huán)境的建模與仿真，分析對信息傳輸鏈路的影響，以實(shí)現(xiàn)量子定位系統(tǒng)的校正。
2 量子定位技術(shù)的發(fā)展前景
量子定位技術(shù)作為一種不同于傳統(tǒng)GPS的新型精確定位技術(shù)，是量子光學(xué)和通信導(dǎo)航技術(shù)相融合的典范。這項(xiàng)技術(shù)的深入研究，能為下一代高精度導(dǎo)航系統(tǒng)提供量子水平的定位精度。特別是在以下兩個方面。
（1）量子定位系統(tǒng)技術(shù)理論和工程實(shí)現(xiàn)將促進(jìn)電子信息系統(tǒng)進(jìn)入量子時代。
隨著信息化社會的發(fā)展，未來將逐步進(jìn)入量子的時代。在量子領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程中，高性能、大規(guī)模的量子設(shè)備（如星地量子保密通信、量子計(jì)算處理芯片、高性能糾纏源）已逐步面世。這也為量子定位技術(shù)逐步實(shí)用化提供了良好的基礎(chǔ)。
（2）量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術(shù)的結(jié)合是未來實(shí)用化的最佳途徑。
目前量子密碼是目前最具有實(shí)用性的量子技術(shù)。將量子定位系統(tǒng)與量子密碼技術(shù)相結(jié)合，擴(kuò)展研發(fā)系統(tǒng)的功能，改善系統(tǒng)的安全性與抗干擾性。這對于軍用安全電子以及電子對抗裝備意味著創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)。同時作為一種全新的交叉領(lǐng)域的產(chǎn)物，針對量子定位系統(tǒng)技術(shù)的深入研究和實(shí)際系統(tǒng)研制，將大力促進(jìn)我國在量子領(lǐng)域、激光通信等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展。
