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标  题: 量子物理学
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年04月17日18:38:37 星期二), 站内信件


量子物理学
　
1998年10月13日，瑞典皇家科学院将1998年诺贝尔物理学奖授予三位在美国工作的物理
学家。他们是德国人施特默庚籍华人崔琦和美国人劳克林。这三位科学家发现了在强磁
场中共同发生作用的普通电子在极低的温度下可以浓缩成为新的亚原子粒子类型。这些
新粒子具有类似于流体的特性。也就是说他们发现了一种新的“量子流”，即像液氦那
样具有某些共同特性,例如超流动性,的流体。这个研究成果对于开发体积更小的电子元
件十分重要、并可能研究出操纵这种改变了状态的电子的技术，从而改善计算机存储器
的性能。此外，这一成果对人们更深刻地理解物质的内部结构和动力学原理提供了更多
的信息。
三位科学家的成就是建立在量子力学研究的成果之上，特别是70年代德国物理学家克利
青实验的基础之上的。他们的成果是量子论理学领域内的重大突破，它为现代物理学许
多分支中新的理论发展做出了重要贡献。
　
量子力学的兴起
量子力学是与20世纪一起来到人间的， 1900年12月14日德国物理学家普朗克在德国物理
学会上,做了有关尝试克服热辐射理论中的困难的报告。报告中他假设能量不再是连续的
，能量只能取一定的分立值。这是一个革命性的假设，它把经典物理中一切因果关系都
是在连续的这个基础上所建立的物理学思想方法彻底变革了。这个能量的最小单元，就
是能量子。这一天就被看做是量子论的诞生之日量子论的诞生，冲击了经典物理学长期
信奉的"一切自然过程都是连续的”这条原理，因此当时的物理学界的大多数人对此反映
极为冷漠。他们不接受普朗克的量子假说。
但是爱因斯但独居慧眼，他意识到，量子概念带来的将是整个物理学理论基础的根本变
革，而不是对个别“定律进行的局部修改。爱因斯但用光量子假设研究了“光电效应”
问题。
光量子假设遭到许多著名物理学家的反对，幸好美国实验物理学家密立根和康普顿用实
验证实了光量子假说的成立。爱因斯但于1921年,密立根于1923年、康普顿于1927年都获
得了诺贝尔物理学奖。
此后，很多科学家为量子力学的发展做出了贡献：卢瑟福提出原子的行星模型；波尔用
量子理论解释光的发射和光谱，提出电子轨道概念。然而只有德布罗意1923年提出波粒
二象性概念才开创了现代量子力学的时代。德布罗意是把爱因斯但关于光子的波粒二象
性推广到所有的粒子。他认为爱因斯但的公式不仅适用于光子，而且也适用于电子，一
向被认为是粒子的电子，也具有波动性质。他很谨慎地指出：‘从很小的孔穿过的电子
柬能够呈现衍射现象。"美国的戴维逊和英国的汤姆逊分别完成了电子衍射实验，证实了
电子的波粒二象性。德布罗意物质波的假设得到了直接验证。
1929年德布罗意获诺贝尔物理学奖。1937年戴维逊和汤姆逊分享了诺贝尔物理学奖。德
布罗意关系式只描述了粒子的波长而没有涉及到粒子运动的状况。薛定愕和海森堡首先
在这方面取得成就。海森堡发明了量子力学的矩阵表述。薛定谔改变了波动方程，使得
德布罗意波的微粒味道也被包括进来，这个新的方程就叫做薛定愕方程，它是量子力学
最常见的公式。
1923年海森堡获诺贝尔物理奖。1933年薛定愕获诺贝尔物理学奖。量子力学经过众多科
学家的努力逐渐发展起来了。
　
霍尔效应和量子吕尔效应
1897年，年仅24岁的美国人霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时，发现了一种电
磁效应，即如果在电流的垂直方向加上磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上将形成
一个电场。霍尔将自己的工作以“论磁铁对电流的新作用”为题，发表在《美国数学杂
志》。这个效应后来被称为霍尔效应。霍尔效应以及利用这个效应制成的元件－－霍尔
元件，在科学技术中已得到广泛的应用。
霍尔的实验是在室温和中等强度磁场条件下进行的。本世纪70年代，研究人员在极低温
和非常强的磁场下，进行了霍尔的实验。1980年德国物理学家冯·克利青在实验中发现
，半导体硅片中的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随着磁场强度的变化呈“台阶式
跃升”，即金属一氧化物一半导体场效应晶体管的霍尔电阻（霍尔电压与馈给器件的电
流之比）在低温和强磁场下变为量子化了。因为克利青发现的量子霍尔效应量子数为整
数，所以称为整数量子霍尔效应。为此克利青获得1985年诺贝尔物理学奖。由于这种效
应中霍尔电阻仅由精细结构常数和光速c决定，所以这种效应可以极精确地测定精细结构
常数。量子霍尔效应还可以提供一种电阻的精确绝对单位－－量子电阻标准。1988年9月
召开的第77届国际计量标准委员会会议上，将由量子霍尔效应测得的值定义为克利青常
数，并建议从1990年1月1日起用它来做电阻单位的标准。
　
量子物理学的重大突破:
分数量子霍尔效应的发现
1982年崔倚和施特默利用半导体砷化镑和砷铝化镍进行霍尔效应实验时，首先观测到分
数量子霍尔效应。他们实验的温度更低，磁场强度更大。他们将两种半导体晶片压在一
起，一面是砷化镑，另一面是砷铝化橡，这样大量电子就在两种晶片交界处聚集。他们
将这种晶片结合体放置在仅比绝对零度高0．1度的超低温环境中，然后加上相当于地球
磁场强度100万倍的超强磁场。他们发现，在这种条件下大量相互作用的电子可以形成一
种新的量子流体，这种量子流体具有一些特异性质，出现分数电荷值，并类似于液氦那
样具有超流动性。在实验现象上，整数, 分数量子霍尔效应是极为相似的。除温度、磁
场强度等外界条件外，在实际样品中是观测到整数量子霍尔效应还是分数量子霍尔效应
，主要由样品中杂质的变化幅度、与电子间的平均库仑势的大小关系决定。库仑势由电
子间的平均距离决定。量子霍尔效应的发现是由于科学技术的不断进步，样品制备工艺
的不断提高，使得像高速场效应晶体管材料的制备成为可能。整数量子霍尔效应是样品
中的电子在强磁场中回旋轨道量子化的直接结果，这时电子的动能不连续变化，呈量子
化变化。它是单电子效应。而分数量子霍尔效应则是在强磁场中电子回旋轨道量子化的
间接结果，是多体效应，必须考虑电子间的相互作用。
1983年，分数量子霍尔效应发现一年后，美国物理学家劳克林从理论上做出了解释。在
此之后，有许多重要的发展，这些发展都是以劳克林理论为基础，在不同程度上对劳克
林理论的修正和扩充。因此，劳克林理论被称为分数量子霍尔效应的标准理论。
　
华人世界的捷报
1998年诺贝尔物理学奖获得者之一的崔琦是继杨振宁、李政道、丁肇中、李远哲、朱棣
文之后第6位获得诺贝尔奖的华裔科学家。
崔琦1939年维于河南省宝丰县，在香港完成中学学业， 1958年19岁时到美国伊利诺斯州
罗克岛的奥古斯塔纳学院学习，在芝加哥大学获得物理学博士学位。1982年任普林斯顿
大学教授。他是普林斯顿大学第29位诺贝尔奖得主，也是该大学第18位诺贝尔物理奖获
得者。
崔琦在中学学习期间，成绩一直非常优秀。老师在评语中写道：“学习努力，讲礼貌，
表现出色，成绩优秀”。崔倚认为：“华人研究科学应该中英文交错使用。才可兼容并
蓄，收到真正学习效果。只懂得中文会令科学家无法跟踪最新的科研报告，而完全放弃
中文却是舍本逐未。”他早年在私塾读过《四书》人五经》．对中国传统文化有较深的
根底。后来虽然多年生活在国外，在教学和科研中却经常引用《四书》中的章句。看来
中国的文化对他的成功也起着很大的作用。芝加哥大学的史达克教授和贝尔实验室的罗
威尔教授是引导崔琦走向成功的两位恩师。这两位教授把物理实验变成趣味盎然、令人
无限投入的事情。现在崔琦仍然视做物理实验如玩游戏。他认为，能随心所欲设计新模
型，能制造出一个个用钱都买不到的新产品，那种满足感难以形容。他说：“做实验又
有何难？做研究报告才烦人呢！”因此，他很投人物理研究，喜欢做实验。由于研究需
要，他四处奔波，寻找实验场所，进行他的“量子液体实验”。
崔琦的成功是东西方文化相结合的成功。

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