0 前言不确定性原理是的基本原理，又名“测不准原理”和“不确定关系”，是由海森堡于1927年提出。是说：粒子的位置与动量不可同时被确定，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大，其数学关系式为△P&△x≥h。可以说，不确定性原理颠覆了物理学所必须遵守的因果关系，它是科学史上最让人难以理解的原理。对该原理的进一步理解，存在着以（决定论学派）与波尔（歌本哈根学派）这两大科学巨匠为首两大学派的两种不同的看法，并由此引起了科学史上最为精彩的巅峰对决。爱因斯坦在致玻恩的信中写道：“我不能容忍这样的想法：受到一束光照射的一个电子，会由它自己的自由意志来选择它想要跳开的时刻和方向。如果是那样，我宁可做个补鞋匠或赌馆里的一名佣人，也比当个物理学家强”。波尔则认为：和量子理论是不可调和的；决定量子力学的规律只能是几率性的；为了描述微观客体，必须抛弃决定性的因果原理。最后，爱因斯坦以“上帝永远不会掷骰子”对歌本哈根学派进行驳斥。波尔则以“请不要指挥上帝”做为回答。从以上爱因斯坦与波尔的辩论片段中可以看出，他们都承认不确定性原理。但爱因斯坦是从发展的角度看待科学的认知过程，认为终有一天人们会认识到，不确定性原理必须是符合因果律的。而波尔则是从实验的角度，对物理机制进行解释。可见，波尔是用静止的观点看问题，而爱因斯坦则是用发展的观点看问题。波尔给人类留下了原子结构的具体规律，而爱因斯坦的则促使人类对微观世界进行更为深刻的思考。这是场出发点不同的辩论，属于‘关公战秦琼’式的辩论。这场科学辩论最后以语言的巧辩而结束，成为一场没有输赢的辩论。量子力学是最为奇怪的理论，就算是世界最顶级量子论专家，也说不清它的内在关系，更奢谈普及了。我们暂且抛开与波尔的争论内容，只关心他们争论的焦点：不确定性原理是否有其内在的物理机制？回答了这个问题，其它内容也就不辩自明了，这对量子理论的发展或对微观世界的认识具有极为重大的意义。1 量子力学起源的回顾先回顾下粒子和波的特性。运动的粒子具有动量（mv），有力的属性(F=△mv/△t)，这是粒子的最显著特征。而衍射或干涉，则是波的特有特征。1924年，德布罗意提出一个假说，指出一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都有波粒二象性。三年后，乔治&汤姆孙将电子束照射穿过薄金属片，观察到了预测的干涉图样。克林顿&戴维森和雷斯特&革末将低速电子入射于镍晶体，取得电子的衍射图样，结果符合理论预测，波粒二象性得以证实。如光具有光压，所以光是粒子流。后来，对于中子、质子、直至大分子，也做了类似实验。虽然也观测到了衍射图样，但可惜的是，并能未明确强调其结果符合理论预测，这有待以后进一步检验。目前一般理解为这是实验误差或是大质量微观粒子的波性变得不明显所致。海森堡倚靠德布罗意假说，提出了不确定性原理。海森堡原本解释他的不确定性原理为测量动作的后果。根据海森堡的表述，测量动作不可避免的搅扰了被测量粒子的运动状态，因此产生不确定性。但是现今的物理学者认为，测量造成的搅扰只是其中一部分解释，不确定性是粒子内秉的性质，在测量动作之前就已存在。1926年玻恩提出概率波解释，认为描述粒子波动性所用的波函数Ψ(x、y、z、t)是概率波，强度（|ψ|²）大的地方出现粒子的概率大，相应的粒子数多，强度弱的地方，出现粒子的概率小，相应的粒子数少。玻恩较好地解决了微观系统所表现出的一个规律性，这也是对不确定原理的一个较好诠释，但并没有从理论上回答为什么会是这样？这种不符合因果论的概率论，对建立在逻辑推理基础上的科学体系，是个巨大挑战。2 歌本哈根学派遗留的问题歌本哈根学派虽然回答了微观世界所表现出的量子性规律，但并没有回答为什么会这样？就如同当年的开普勒发现了行星运动定律，但并没能回答为什么会这样。直至发现万有引力定律后，这个问题才得以回答。这就引出了个想法：假果没有后来万有引力定律的发现，而是把开普勒定律当做理论的终极，那么很难想象今天的理论会发展成什么样子，我们今天的量子理论是不是也正在面临着这样的问题呢？海森堡不确定性原理，归根结底是波性与粒子的统一问题，连接粒子与波的桥梁就是德布罗意公式，这也是量子理论建立的基础。但并没有回答为什么会这样？目前的量子理论，存在有许多不可思议的结论。如单光子干涉实验，按目前的解释，一个光子同时穿过了两条狭缝，后来又出个什么宇宙中还存在另一个你，应该就是这种解释的延伸。围绕量子理论的不可思议有太多了。有人说，量子理论下的世界从来就是让人困惑的，波尔也说，“如果某人对量子力学没有产生困惑，那他就从来没有懂过量子力学”。而这些困惑产生的源头，就是海森堡不确定性原理，或说，是波性与粒子性如何统一的问题？科学的理论是要让人看懂的，而不是让人困惑的，或说，困惑只是暂时的。所以说，揭示不确定性原理的物理机制，是量子理论建康发展所必须解决的根本问题。量子理论是建立在各种实验的基础上，其系统性远不如经典理论和相对论。由于该理论的内容主要是建立在数学上的抽象推理上（极易让人摸不着头绪），非常晦涩难懂，不利于普及。下面只就一般科学爱好者较易接受的象形推理，阐述下粒子性与波性的统一过程中，存在的三个主要困难（目前的一些专著，基本上是回避这些问题的）：a 一个是群体效果，一个是个体效果：从波概念的起源(机械波)看，波只能通过媒质进行传播，其本质是，组成媒质的各质点，围绕平衡位置的往复运动，并将这种往复运动向前不断地向前传递（注意：不是运动）的过程。可见，经典的波是种群体的效应，单个质点的往复运动只能称之为振动，而不能称为波。波只是一种运动的形式，也被当做存在的形式，甚至只是空洞抽象的数学表达式（）。而粒子性，则是单个运动质点的固有属性（动量）。可见，粒子性与波性似乎并不能统一在一起，但实验显示，运动的微观粒子确实具有波粒二象性。波粒二象性中的波，又称为物质波，是由单独的粒子形成，这与机械波有着本质上的不同。在量子力学中，虽然也承认物质波与机械波是不同的，但整个理论中，并没有丝毫顾忌到物质波与机械波的不同，物质波完全保持着机械波所涵盖的全部内容，其所依托的概念来源，及所依赖的数学式，全部源于机械波。那么，波性和粒子性是如何统一在一起的，则成了一个重大疑难，这也是微观世界让人不解的一个重要原因。也是以太被否定百多年后的今天，仍有许多学者还在坚持着以太观念的原因。b 违背能量守恒定律：机械波干涉的本质是波振幅的叠加，波峰与波谷重合时，振动最弱，两波峰或者两波谷重合时，振动最强，由此形成干涉图像。而光（或物质波）的干涉，则不能存在振幅的叠加，否则将形成违背能量守恒定律的光子（或粒子）消失（干涉图像的暗纹处）[1]，因此狄拉克断言“每个光子只与自身干涉，两个不同光子决不发生干涉”。在单光子通过双狭缝或单狭缝的实验中，当打在光屏上光子的数量足够多时，图样的叠加与光子流干涉图样完全相同。而用水波做类似实验，则不会得到的上述的图样，因为水波是靠波振幅的叠加形成干涉图样的。所以说，物质图像绝不可能是简单的振幅叠加，物质波与机械实验，现象虽然相同，但本质上绝然是不同的。c 理论上无法自圆其说。量子理论用波粒二象性诠释的光本质，还会出现波坍塌的困惑，即物质波如何在观测瞬间使物质波呈现为粒子的。如果认为微观世界原本就不遵经典的物理规律，那么把微观的现象转变成了宏观现象的薛定谔猫这个思想实验，就让人不得不正视的解释是否还合理了。在量子理论中，把一切微观粒子假设成为一个个的波包，每个包就是一个粒子，以期把波性与粒子性统一起来。那么人们不禁要问，这个波包中的波又是靠什么形成的呢？‘们’便想象出了弦、膜的概念。那么弦、膜又是什么呢？如此便又回到了从经典到微观的认知模式，这样的认知循环，简直把科学带入了死胡洞，是非常可笑的。在后来的量子场论中，对波的内容仍无丝毫改变。为了让理论与实际符合，虽然进行了不断的假设、再假设，但仍是去除不了量子场论最终的发散困难这个死结。3 波粒二象性的统一难道自然界真的如波尔认为的那样，和量子理论是不可调和，波性与粒子性不能统一吗？不，上帝绝不会赋予自然界两套物理规律，波性与粒子性最终必将走向统一。去年发表的一篇论文《惯性的本源及光本质探析》中[2]，便回答了微观粒子为什么具有波粒二象性：物质波并不是通常所说的波，而是谐振动，或称谐振子，或者说，运动的微观粒子，是平动与振动的复合运动。谐振动是波动理论的建立基础，正因为量子理论完全忽视了这个基础，使后来几乎所有的困惑皆产生于此。从波在媒质中的传播形式看，完全等价于匀速运动的谐振子，或说，机械波的图像与匀速运动的谐振子的运行轨迹完全吻合，匀速运动谐振子方程与波运动方程完全等同，振幅、相位等的合成规律，也完全相同。德布罗意波的波长，不过是振子运行轨迹所形成的波图像的波长。就是说，如果物质波就是谐振动，则第2节中所说的三个困难，皆可迎刃而解。不但如此，波恩提出的概率波说法，也便有了合理的解释、微观粒子穿过势垒的现象或称隧道效应及量子理论中的其它诸多困难，皆迎刃而解。再分析下光子衍射实验。由于单光子发射时，其振动相位是随机的，则到达狭缝时的相位由发射时的相位决定。相位不同，与狭缝作用效果也不同，则到达光屏的位置不同，或说，到达光屏的位置由发射时的相位决定，这便是单光子的自身干涉机理。由谐振动规律可知，振幅越大，振子的速度越小，振子的停留时间越长，即振幅大的位置，振子出现的几率大。将振子看做微观粒子，则符合波函数分布的概率波（也称几率波）。而此时，微观粒子最接近它的平动速度，则测得的动量越准确，但此时粒子的位置偏离也最大，不确定原理△P&△x≥h得到了很好的解决。有人会说，谐振动的能量与波动的能量是不同的。在谐振动系统中，是动能和势能相互转换。而波动情况下，则动能与势能同步变化，即任一时刻动能与势能都相等，动能与势能也同时为零，这便是波能量传播的零点困难，所以说上面的说法还是存在瑕疵的。其实这个问题已得到了解决。其原因是：在波能量传输的运算过程中，将偏微商?y/?x，当做了质元的线应变ΔL/L（注意，?x是变量，而L是常量。请参考波动理论的相关教材），这是完全错误的，也是得出机械波的机械能不守恒结论的错误原因。修改后，便可得出机械波与谐振动系统完全相同的动势能相互转换的能量方程[3]。还有人会说，理论的证明，必须靠实验来验证，那么谐振子能否产生衍射图样呢？其实谐振子衍射实验是极难实现的，因为当前情况，几乎没有可能制造出数以万计且大小可忽略的谐振子，所以目前只能以为参考基准。再说，由于实验上误差的存在，一个理论单靠各种不同的实验去检验，将是不能穷尽的，效率也是极低下的。在科学发展的今天，检验一个理论的更好方法，只需用该理论推导出经过众多实验验证的方程就完全可以了，如修正后的狭义相对论，推导出了任意速度下都成立的洛仑兹力方程（f=qvB），便是对修正后狭义相对论的完美检验[4]。（将物质波看做谐振动后，是否还会存在其它什么冲突？在此欢迎广大学者和科学爱好者，提出反例，以做更为深入的研究。谢谢！）4 总结一个完美的科学理论首先必须是合理的，存在疑问的科学理论一定是不完善的。现代物理学（指旧的相对论、量子论和宇宙学）的许多结论，不但疑问多多，且早已玄到了无以复加的地步。如时间倒流，它的基础前提是时间向前流逝，这种互相否定且相反的论断出现在了科学理论中，足见其是多么的荒唐可笑。记得上时，老师常告诫学生，多做基础题，少做难题，可见扎实基础在科学理论中的重要性。但很多学生并不以为然，认为基础题太简单了，没劲。在现代物理的发展过程中，又何尝不是如此，结果造成了越来越说离奇，越来越不可思议。一些复杂的推理，全世界几乎已没几人真正看的懂了，但这百多年来又有几人研究过它的基础是否坚实呢？如旧的狭义相对论中，力与加速度不平行（往什么方向运动也不知）这个不可能成立的结论，基本上已明示了它的前提存在问题，却仍被学术界乐此不疲百来年。而当狭义相对论被修正并验证后才恍然大悟，它的错误竞源自一个普通运算和力定义的应用（见拙文《1小时看懂狭义相对论》）。可见基础的学习和应用，即使在前沿领域，也是极其重要的。目前国内科学工作者和工作者们，不顾客观现实，盲目仿效国外教学理念，高中教课书的内容，已从早前的注重基础训练为现在的注重实验训练（国内大多学校根本不具备相应的实验条件）。以致产生了许多连基本概念都不懂的‘民科大神’和一些毫无推理能力的当代研究生。不知这算不算丢捡式的。最近看了部《领袖》，是描写红军第五次反围剿的。由于当初的共产国际对的状大发展起了极大的作用，这使得红军指战员们过于盲目的相信共产国际，结果导致红军遭受了巨大损失。即使这样，也还是有人认为，虽然吃了败仗，指挥也是正确的。血的教训使得红军指战员们逐渐觉醒，但最后还是在红军面临灭顶之灾的情况下，才不得不将重新推上领导岗位。后来才知道，当时的所谓共产国际不过是由几个白面书生组成，那个苏联军事顾问李德，也不过是个搞情报工作的。由此到，当今的中国学术界是否也有个‘共产国际’？国内有个相对论专家不就声称，相对论中的佯谬（自相矛盾）不是错误吗。真可笑之至。许多的科学成果似乎也都在等这个‘共产国际’的点头，如屠哟哟，韩春雨等。中国几千年来的嫉贤妒能和内斗，何时才能终止？比人才更重要的“伯乐”，在中国是否还有生存的土壤？国家何时才能建立起相应的“伯乐”激励机制？是最关心国家的主席，但是，一个“伯乐”奇缺的国家，即使有创新产品，又如何能被世人所认知呢？当一个有成果的普通科技工作者，不得不分出大量精力，去做些自己极不擅长的宣传工作的时候，这是何等的悲哀啊！ 文献来源：[1]陈光冶. 光干涉的历史性误解[J]. 应用物理, 9-194. [2]田树勤. 惯性的本源及光本质探析[J]. 现代物理, -87[3]田树勤. 理论重探及宇宙模型重建[J]. 现代物理, -49.[4]田树勤. 狭义相对论变换式修正结果的验证[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版）, ): 212-216将为您减少类似内容我要收藏1个赞不感兴趣分享到分享到：投诉相关文章还可以输入140字热门频道20.4万人订阅903.3万人订阅52.9万人订阅25.9万人订阅1066.8万人订阅你还可用第三方账号来登录请输入你注册的电子邮件地址绑定密保手机*您可用使用此密保手机找回密码及登录*请勿随意泄露手机号，以防被不法分子利用，骗取帐号信息手机号码发送验证码确定电子邮件请输入您的意见和建议请您输入正确的邮箱地址，以便我们和您联系，帮您解决问题。扫描下载手机客户端热门搜词您所在位置： &
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波动基本概念-波函数-波的能量分析.ppt 71页
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第七章本章内容振动和波动的关系：机械波、电磁波、物质波振动——波动的成因波动——振动的传播波动的种类：第一节机械波的产生产生机械波的必要条件：弹性媒质是指由弹性力组合的连续介质波源——波源处质点的振动通过弹性媒质中的弹性力，将振动传播开去，从而形成机械波波动（或行波)是振动状态的传播，是能量的传播，而不是质点的传播。弹性力：有正弹性力（压、张弹性力）和切弹性力；液体和气体弹性媒质中只有正弹性力而没有切弹性力机械波的产生产生机械波的必要条件：这里波长远大于媒质分子间距离，即假设弹性媒质是连续的，媒质中一个波长的距离内有无数分子在陆续振动，宏观上看来媒质就象连续的一样。如果波长小到等于或小于分子间距离时，相距约为一波长的两个分子之间，不再存在其它分子，我们就不能认为媒质是连续的了，这时媒质就再也不能传播弹性波了。因此有一个频率上限存在。高度真空中分子间距离极大，不能传播声波，就是由于这原因。横波软绳抖动一下，产生一个脉冲横波连续抖动，产生连续横波软绳纵波抽送一下，产生一个脉冲纵波软弹簧软弹簧连续抽送，产生连续纵波机械波传播特征几何描述性质（3）各向同性介质中，波线垂直于波面.（2）波面的推进即为波的传播.（1）同一波面上各点振动状态相同.波长周期波速机械波的传播速度完全取决于介质的弹性性质和惯性性质。即介质的弹性模量和介质的密度,亦即决定于这种波在媒质中传播的机构。描述弹性的物理量—弹性模量S为棒之横截面积1杨氏弹性模量Y弹性势能：单位体积的弹性势能：应力线应变在弹性限度内应力与应变成正比,比例系数称为材料的弹性模量2切变弹性模量N切变时，单位体积的弹性势能：切应力切应变3容变弹性模量Bf表示正压力S受力面积胁强容变弹性模量定义为：应变时，单位体积的弹性势能：体应力体应变可以证明：对于柔软的绳索和弦线中横波波速为T为绳索或弦线中张力;细长的棒状媒质中纵波波速为Y为媒质的杨氏弹性模量;各向同性均匀固体媒质横波波速N为媒质的切变弹性模量;在同一种固体媒质中，横波波速比纵波波速小些量纲!在液体和气体只能传播纵波，其波速为：B为媒质的体变弹性模量;理想气体纵波波速M为气体的质量；R为气体的摩尔常数T为热力学温度；模量理想气体纵波波速与温度有关第二节平面简谐波波经过原点时，该处质点的位移y0和时间t的关系可表示为：当该波以速度u向x正向传播，则与原点相距为x的质点P“感受到”该位移（即和原点具有相同的位移）是在时间x/u后，（行波是质点运动状态的传播）。反过来，质点P在时刻t的位移应是原点在(t-x/u)时刻发生的，即：—正号表示向反方向传播正向波相位落后波函数三种表达式平面简谐波函数几种等价形式：例负向波例一般形式例例正向波反向波例例物理意义物理意义距O分别为x1和x2的两质点的相位为：（波走过的路程之差）波程差方程表示在不同时刻各质点的位移，即不同时刻的波形，体现了波的传播.x+△x处（）的质点在t+△t时刻的振动状态是x处的质点在t时刻振动状态的重复，即波动是振动的传播。——满足该条件的波又称为行波y(x+△x,t+△t)=y(x,t)的物理涵义：若这两处相位相同，则有：可见波速就是相位传播的速度平面波的波动方程波动的动力学方程将平面波的波函数对空间和时间求导，可得左式就是波动方程。它是各种平面波所必须满足的线性偏微分方程。实际上，这是实验事实的概括：若有几列波同时在介质中传播，则它们各自将以原有的振幅、频率和波长独立传播；在几列波相遇处，质元的位移等于各列波单独传播时在该处引起的位移的矢量和。以一维纵波为例讨论波动方程。质元的运动方程为：根据弹性模量的定义：代入运动方程得例例例例例例第三节theenergyofwave12-3动画未起振的体积元有一行波：质元的速度以棒内传播纵波为例讨论弹性势能：?媒质中单位体积中的能量单位体积媒质中弹性势能等于弹性模量与应变平方乘积的一半。其势能为：动能为：总机械能为：对于横波，推导过程中只需用切变模量代替杨氏模量，其结果相同。定义：能量密度＝单位体积内的总机械能定义：平均能量密度（对时间平均)其中能量密度*任意时刻，体元中动能与势能相等，即动能与势能同时达到最大或极小。即同相的随时间变化。这不同于孤立振动系统。讨论：因为波是能量传播的一种形式波动的能量与振动能量是有区别的。孤立振动系统的质元动能最大时，势能最小，总机械能守恒，不向外传播能量;而对于波动来说，由于媒质中各部分由弹性力彼此相联，使得振动在其中传播。任一质元总机械能随时间周期性的变化，动能最大时，势能也最大，动能为零时，势能也为零；波是能量传播的一种形式振动系统：系统与外界无能量交换。波动质元：每个质元都与周围媒质交换能量。对于某一体元，它的能量从零达到最大，这是能量的输入过程，然后又从最大减到零，这是能量输出的过程，周而复始。平均讲来
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