时间的量子跃迁
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时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
时间行走像一支箭。“时间之箭”——这意味深长的词，是 英国天体物理学家爱丁顿（ Arthur Eddington）在1927 年首 先提出 的。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 量子论的诞生
• 量子力学以一种迂回的方式，出来搭救这些自我毁灭的经典原子。它 始于一个并非存心要闹革命的德国物理学家普朗克（Max Planck）。 普朗克的工作实际上要比卢瑟福的原子模型早十年。当时所有的理论 都不能够解释一个物体的温度和它发出的电磁辐射的量之间的关系： 比如，一个烧红了的火钳，当再加热时为什么会变白。当时的理论学 家是根据一种理想的模型来作出预言的，这种模型叫做“黑体”，它 百分之百地发出或吸收辐射。在辐射谱的红端也就是低频部分，黑体 模型与实验符合得很好。对于高频部分，它预言物体将发出无穷大的 能量。这个荒谬的结果被戏称为“紫外灾难”。事实上，观测表明， 辐射的密度在高频和低频端都很小，而在中间某个地方出现有一个峰， 峰的位置决定于发出辐射的物体的温度。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 所谓的量子跃迁就是微观状态发生跳跃式变化的过程。由于微观粒子 的状态常常是分立的， • 所以从一个状态到另一个状态的变化常常是跳跃式的。量子跃迁发生 之前的状态称为初态， • 跃迁发生之后的状态称为末态。例如，原子在光的照射下从高能态放 出一个光子而跃迁到低， • 能态就是一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 量子跃迁发生之前的状态称为初态，跃迁发生之后的状态称为末态。 • 例如，原子在光的照射下从高能态放出一个光子而跃迁到低能态就是 一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。反之，在光照下原子 从低能态吸收一个光子而跃迁到高能态，则称为“吸收”过程。在这 些过程中放出或吸收的光子的能量等于原子的初态和末态两个能级之 差，这是能量守恒定律在微观现象中的体现。不受到光的照射，处于 激发态的原子也可能自动跃迁到低能态，同时放出一个光子，此过程 称为“自发辐射”。此外在原子核和基本粒子现象中也存在许多量子 跃迁现象，如原子核和基本粒子的衰变过程、聚变过程和裂变过程等。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 爱因斯坦出场
• 他这一成就解决的中心问题，是所谓的光电效应。实验表明，照射在 固体金属表面上的光，可以使金属发射出电子。这些电子的能量不随 光的强度变化，而是随光的颜色变化。这样的行为完全不能用经典的 电磁理论来说明，因为按照这一理论，光的强度越大，从金属里面打 出的电子的速度也就越大。但实际观测到的是，当颜色给定时增加光 的强度，只会打出更多的电子，而电子的能量却保持不变。为了解释 这个现象，爱因斯坦认为，能量是以微小份额的形式由光线携带的， 他把这称为“光量子”。比较亮的光线表明有更多的量子——所以能 从金属中打出更多的电子。频率比较高的光意味着更大的量子，所以 逃逸出来的电子会具有更大的速度。在某一量子尺度下，电子就完全 不能够获得足够的能量而离开金属表面。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
在这一章中，我们概括地评述了量子论令人 困惑的课题。我们的结论是，它充其量也只是一 个完备的理论。主要的困难是围绕着测量行为， 因为在测量过程中，包括所有可能结果的波函数 坍缩到单一的现实结果——例如著名的薛定谔思 维实验中那只猫的死亡。由于测量过程内在的不 可逆性，它不可能在现有的可逆性的理论框架中 得到体现。
• 为了导出他的定律，普朗克确实不得不假定，电磁辐射所携带的能量 是一份一份的，他把这叫做量子。他发现，像物质一样，能量也只能 被分成为有限的份数，而不是无限多份。他这个工作的中心点是一个 数学关系，它表明，量子的能量可以用辐射的频率，乘以一个新的基 本自然常数来计算，现在这个常数就被称为普朗克常数。能量和辐射 频率之间的这一简单的“普朗克关系”，实际上说明了能量和频率是 同一种东西，只不过是用不同的单位来表示罢了。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 在外界作用下，任何一种量子力学体系状态发生跳跃式变化的过程。 原子在光的照射下从高(低)能级跳到低（高）能级，就是一种典型的 量子跃迁过程，通常称为能级跃迁。在原子状态发生跃迁的同时，将 放出（吸收）一个光子，其能量hv 等于跃迁前后两状态的能量差。 • 这是能量守恒定律在基元过程中的具体表现。即使不受光的照射，处 于激发状态的原子在电磁场真空（电磁场中一个光子也没有的状态） 的作用下仍能跃迁到较低能级，同时放出一个光子，这称为自发跃迁 或自发辐射。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
wenku.baidu.com• 波和粒子
• 波-粒子双重性对显示光的波动本质的经典实验来说，是一个意想不 到的周折。这个实验是杨（Thomas Young）在十九世纪初进行并分 析的。他让从一个光源发出的光，投射到一个开有两条狭缝的不透明 的屏上。这两条狭缝就像一个二次光源，光穿过它们之后继续传播， 最后投射到一个屏幕上，形成明显的明暗相间的带状条纹，这是一种 典型的干涉作用。这个实验是光的波动本质的一个很好说明：让一列 并行的水波通过水中开有两条狭缝的屏障，也能够产生出类似的干涉 图样。当水波从这对挨得很近的狭缝中通过后，有些地方的波相消， 另一些地方的波相长，这就出现了动静相间的干涉条纹。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 玻尔原子和量子论
针对经典力学不能对付卢瑟福的自我毁灭的原子，玻尔提出 了一个尽管不优雅，但是带有根本性变革的解决办法，这个办法 介于经典力学和现代量子力学之间。他对围绕原子核旋转的电子， 简单地提出了一个人为的假定——用新的量子法则取代牛顿力学。 像以前认为的那样，电子在不同的轨道上运行，颇像围绕太 阳的行星。但是当原子接收到电磁能量时，例如吸收了一个光子， 则其中一个电子会立即跳到离原子核更远的另一个轨道上。这就 解释了独特的分立谱线，因为只有当电子再跳回到它原来的轨道， 即“稳定的量子态”时， 才会有光辐射出来。这里我们可以看到 量子体系的一个主要特征：能量不是以一种连续的方式被吸收或 者辐射出来，而是只能在发生突然的量子跃迁时，按照原子的能 级而改变。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 玻耳兹曼首先创立了一种统计力学方法作为热力学的基础，这种方法 的根据是假设原子和分子存在。作为一个原子论的反对者，普朗克当 时拒绝用这种方法。其实早在1891 年的一次偶然见面中，玻耳兹曼 就曾对普朗克和奥斯特瓦尔德谈到，在他看来，“没有理由认为，能 量不是分成一个一个‘原子’的”。作为一个老派物理学家的普朗克， 最终反悔而接受了玻耳兹曼的建议。他最后得到的定律对黑体谱给出 了十分漂亮的描述。
时间行走像一支箭。“时间之箭”——这意味深长的词，是 英国天体物理学家爱丁顿（ Arthur Eddington）在1927 年首 先提出 的。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 量子论的诞生
• 量子力学以一种迂回的方式，出来搭救这些自我毁灭的经典原子。它 始于一个并非存心要闹革命的德国物理学家普朗克（Max Planck）。 普朗克的工作实际上要比卢瑟福的原子模型早十年。当时所有的理论 都不能够解释一个物体的温度和它发出的电磁辐射的量之间的关系： 比如，一个烧红了的火钳，当再加热时为什么会变白。当时的理论学 家是根据一种理想的模型来作出预言的，这种模型叫做“黑体”，它 百分之百地发出或吸收辐射。在辐射谱的红端也就是低频部分，黑体 模型与实验符合得很好。对于高频部分，它预言物体将发出无穷大的 能量。这个荒谬的结果被戏称为“紫外灾难”。事实上，观测表明， 辐射的密度在高频和低频端都很小，而在中间某个地方出现有一个峰， 峰的位置决定于发出辐射的物体的温度。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 所谓的量子跃迁就是微观状态发生跳跃式变化的过程。由于微观粒子 的状态常常是分立的， • 所以从一个状态到另一个状态的变化常常是跳跃式的。量子跃迁发生 之前的状态称为初态， • 跃迁发生之后的状态称为末态。例如，原子在光的照射下从高能态放 出一个光子而跃迁到低， • 能态就是一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 量子跃迁发生之前的状态称为初态，跃迁发生之后的状态称为末态。 • 例如，原子在光的照射下从高能态放出一个光子而跃迁到低能态就是 一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。反之，在光照下原子 从低能态吸收一个光子而跃迁到高能态，则称为“吸收”过程。在这 些过程中放出或吸收的光子的能量等于原子的初态和末态两个能级之 差，这是能量守恒定律在微观现象中的体现。不受到光的照射，处于 激发态的原子也可能自动跃迁到低能态，同时放出一个光子，此过程 称为“自发辐射”。此外在原子核和基本粒子现象中也存在许多量子 跃迁现象，如原子核和基本粒子的衰变过程、聚变过程和裂变过程等。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 爱因斯坦出场
• 他这一成就解决的中心问题，是所谓的光电效应。实验表明，照射在 固体金属表面上的光，可以使金属发射出电子。这些电子的能量不随 光的强度变化，而是随光的颜色变化。这样的行为完全不能用经典的 电磁理论来说明，因为按照这一理论，光的强度越大，从金属里面打 出的电子的速度也就越大。但实际观测到的是，当颜色给定时增加光 的强度，只会打出更多的电子，而电子的能量却保持不变。为了解释 这个现象，爱因斯坦认为，能量是以微小份额的形式由光线携带的， 他把这称为“光量子”。比较亮的光线表明有更多的量子——所以能 从金属中打出更多的电子。频率比较高的光意味着更大的量子，所以 逃逸出来的电子会具有更大的速度。在某一量子尺度下，电子就完全 不能够获得足够的能量而离开金属表面。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
在这一章中，我们概括地评述了量子论令人 困惑的课题。我们的结论是，它充其量也只是一 个完备的理论。主要的困难是围绕着测量行为， 因为在测量过程中，包括所有可能结果的波函数 坍缩到单一的现实结果——例如著名的薛定谔思 维实验中那只猫的死亡。由于测量过程内在的不 可逆性，它不可能在现有的可逆性的理论框架中 得到体现。
• 为了导出他的定律，普朗克确实不得不假定，电磁辐射所携带的能量 是一份一份的，他把这叫做量子。他发现，像物质一样，能量也只能 被分成为有限的份数，而不是无限多份。他这个工作的中心点是一个 数学关系，它表明，量子的能量可以用辐射的频率，乘以一个新的基 本自然常数来计算，现在这个常数就被称为普朗克常数。能量和辐射 频率之间的这一简单的“普朗克关系”，实际上说明了能量和频率是 同一种东西，只不过是用不同的单位来表示罢了。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 在外界作用下，任何一种量子力学体系状态发生跳跃式变化的过程。 原子在光的照射下从高(低)能级跳到低（高）能级，就是一种典型的 量子跃迁过程，通常称为能级跃迁。在原子状态发生跃迁的同时，将 放出（吸收）一个光子，其能量hv 等于跃迁前后两状态的能量差。 • 这是能量守恒定律在基元过程中的具体表现。即使不受光的照射，处 于激发状态的原子在电磁场真空（电磁场中一个光子也没有的状态） 的作用下仍能跃迁到较低能级，同时放出一个光子，这称为自发跃迁 或自发辐射。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
wenku.baidu.com• 波和粒子
• 波-粒子双重性对显示光的波动本质的经典实验来说，是一个意想不 到的周折。这个实验是杨（Thomas Young）在十九世纪初进行并分 析的。他让从一个光源发出的光，投射到一个开有两条狭缝的不透明 的屏上。这两条狭缝就像一个二次光源，光穿过它们之后继续传播， 最后投射到一个屏幕上，形成明显的明暗相间的带状条纹，这是一种 典型的干涉作用。这个实验是光的波动本质的一个很好说明：让一列 并行的水波通过水中开有两条狭缝的屏障，也能够产生出类似的干涉 图样。当水波从这对挨得很近的狭缝中通过后，有些地方的波相消， 另一些地方的波相长，这就出现了动静相间的干涉条纹。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 玻尔原子和量子论
针对经典力学不能对付卢瑟福的自我毁灭的原子，玻尔提出 了一个尽管不优雅，但是带有根本性变革的解决办法，这个办法 介于经典力学和现代量子力学之间。他对围绕原子核旋转的电子， 简单地提出了一个人为的假定——用新的量子法则取代牛顿力学。 像以前认为的那样，电子在不同的轨道上运行，颇像围绕太 阳的行星。但是当原子接收到电磁能量时，例如吸收了一个光子， 则其中一个电子会立即跳到离原子核更远的另一个轨道上。这就 解释了独特的分立谱线，因为只有当电子再跳回到它原来的轨道， 即“稳定的量子态”时， 才会有光辐射出来。这里我们可以看到 量子体系的一个主要特征：能量不是以一种连续的方式被吸收或 者辐射出来，而是只能在发生突然的量子跃迁时，按照原子的能 级而改变。
时间之箭---第四章 时间的量子跃迁
• 玻耳兹曼首先创立了一种统计力学方法作为热力学的基础，这种方法 的根据是假设原子和分子存在。作为一个原子论的反对者，普朗克当 时拒绝用这种方法。其实早在1891 年的一次偶然见面中，玻耳兹曼 就曾对普朗克和奥斯特瓦尔德谈到，在他看来，“没有理由认为，能 量不是分成一个一个‘原子’的”。作为一个老派物理学家的普朗克， 最终反悔而接受了玻耳兹曼的建议。他最后得到的定律对黑体谱给出 了十分漂亮的描述。