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量子力学令人惊诧的一个发现是电子的波函数对于电子交换变号。其结果是戏剧性的，两个电子处于相同的量子态，其波函数相反，因此总波函数为零，也就是说两个电子处于同一状态的概率为0，此即泡利不相容原理。所有半整数自旋的粒子（包括电子）都遵循这一原理，并称为费米子。自旋为整数的粒子（包括光子）的波函数对于交换不变号，称为玻色子。电子是费米子，因而在原子中分层排列；光由玻色子组成。所以激光光线呈现超强度的光束（本质上是一个量子态）。最近，气体原子被冷却到量子状态而形成玻色…爱因斯坦凝聚。这时体系可发射超强物质束，形成原子激光。
这一观念仅对全同粒子适用。因为不同粒子交换后波函数显然不同。因此仅当粒子体系是全同粒子时才显示出玻色子或费米子的行为。同样的粒子是绝对相同的，这是量子力学最神秘的侧面之一，量子场论的成就将对此作出解释。
二次革命
在20年代中期创立量子力学的狂热年代里，也在进行着另一场革命，量子物理的另一个分支——量子场论的基础正在建立。不像量子力学的创立那样如暴风疾雨般一挥而就，量子场论的创立经历了一段曲折的历史，一直延续到今天。尽管量子场论是困难的，但它的预测精度是所有物理学科中最为精确的，同时。它也为一些重要的理论领域的探索提供了范例。
激发提出量子场论的问题是电子从激发态跃迁到基态时原子怎样辐射光。1916年，爱因斯坦研究了这一过程，并称其为自发辐射，但他无法计算自发辐射系数。解决这个问题需要发展电磁场（即光）的相对论量子理论。量子力学是解释物质的理论，而量子场论正如其名，是研究场的理论，不仅是电磁场，还有后来发现的其它场。
1925年，玻恩。海森堡和约当发表了光的量子场论的初步想法，但关键的一步是年轻且本不知名的物理学家狄拉克于1926年独自提出的场论。狄拉克的理论有很多缺陷：难以克服的计算复杂性，预测出无限大量，并且显然和对应原理矛盾。
40年代晚期。量子场论出现了新的进展，理查德。费曼（richardfeynman），朱利安。施温格（jliansger）和朝永振一郎（sinitirotonaga）提出了量子电动力学（缩写为qed）。他们通过重整化的办法回避无穷大量。其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程复杂，无法找到精确解。所以通常用级数来得到近似解，不过级数项越来越难算。虽然级数项依次减小。但是总结果在某项后开始增大，以至于近似过程失败。尽管存在这一危险，qed仍被列入物理学史上最成功的理论之一，用它预测电子和磁场的作用强度与实验可靠值仅差2/1；000；000；000；000。
尽管qed取得了超凡的成功，它仍然充满谜团。对于虚空空间（真空），理论似乎提供了荒谬的看法，它表明真空不空，它到处充斥着小的电磁涨落。这些小的涨落是解释自发辐射的关键，并且，它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质产生可测量的变化。虽然qed是古怪的，但其有效性是为许多已有的最精确的实验所证实的。 对于我们周围的低能世界，量子力学已足够精确，但对于高能世界，相对论效应作用显著，需要更全面的处理办法，量子场论的创立调和了量子力学和狭义相对论的矛盾。 量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米子这两类基本粒子，它们的性质与内禀自旋有何关系；它能描述粒子（包括光子，电子，正电子即反电子）是怎样产生和湮灭的；它解释了量子力学中神秘的全同性，全同粒子是绝对相同的是因为它们来自于相同的基本场；它不仅解释了电子，还解释了μ子，t子及其反粒子等轻子。
qed是一个关于轻子的理论，它不能描述被称为强子的复杂粒子，它们包括质子、中子和大量的介子。对于强子，提出了一个比qed更一般的理论，称为量子色动力学（qcd）。qed和qcd之间存在很多类似：电子是原子的组成要素，夸克是强子的组成要素；在qed中，光子是传递带电粒子之间作用的媒介，在qcd中，胶子是传递夸克之间作用的媒介。尽管qed和qcd之间存在很多对应点，它们仍有重大的区别。与轻子和光子不同，夸克和胶子永远被幽禁在强子内部，它们不能被解放出来孤立存在。 qed和qcd构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有的粒子实验，然而许多物理学家认为它是不完备的，因为粒子的质量，电荷以及其它属性的数据还要来自实验；一个理想的理论应该能给出这一切。（。。）
269 物理学之量子力学 4（）
21世纪，寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点，使人不自觉地想起创造量子力学那段狂热的奇迹般的日子，其成果的影响将更加深远。现在必须努力寻求引力的量子描述，半个世纪的努力表明，qed的杰作——电磁场的量子化程序对于引力场失效。问题是严重的，因为如果广义相对论和量子力学都成立的话，它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在我们周围世界中不会有任何矛盾，因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略，经典描述足够完美；但对于黑洞这样引力非常强的体系，我们没有可靠的办法预测其量子行为。
一个世纪以前，我们所理解的物理世界是经验性的；20世纪，量子力学给我们提供了一个物质和场的理论，它改变了我们的世界；21世纪，量子力学将继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为量子力学为我们周围的世界提供了精确的完整的理论；然而，物理学与1900年的物理学有很大的共同点：它仍旧保留了基本的经验性，我们不能彻底预测组成物质的基本要素的属性，仍然需要测量它们。
超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论，它是量子场论的推广，通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体来消除所有的无穷大量。无论结果何如，从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动力。从现在开始的一个世纪，不断地追寻这个梦。其结果将使我们所有的想象成为现实。
整体生成论特征
系统论被认为是现代整体论，但它遇了整体悖论的困难。而这种困难根源于系统论的构成论特征。如何克服这一困难？量子物理学的进展示给我们的启示是，把整体论建立在生成论的基础上。发展一种整体生成论或者生成整体论。
生成论和构成论是理解“变化”的两种不同的观念，前者主张变化是“产生”和“消灭”或者“转化”，而后者则主张变化是不变的要素之结合和分离。构成论的确使现代科学获得了巨大的成功，但在量子物理学的发展过程中越来越困难。
量子现象的非定域特征，在量子力学建立的过程中有过激烈的争论， epr 把争论推进到高峰。虽然量子力学的非定域（即整体性的一种表现）观念迄今还没有取得完全共识，但人们不得不承认量子世界的生成论特征。
放射性物质发射的电子，它不是作为原子核的结构要素存在着的，而是在过程中产生的。原子或分子发射的光子。它不是作为原子或分子的结构存在着的，而是过程中产生的。基本粒子碰撞的现象，难以用构成论的观念理解，而容易用生成论的转化观念理解。
量子场论是一种具有构成论特征的数学理论，因为它的基本精神是描述粒子的产生和湮灭。夸克模型建立的思路也是生成论的，因为它是根据粒子碰撞现象的整体表现推测强子的内部结构要素及其行为的，与气体分子运动论的构成论思路正好相反。
对量子物理学的这种整体生成论或生成整体论的特征，玻尔、海森伯和派斯等量子物理学的贡献者已明确意识到，但大多数物理学家却是远没有自觉到量子物理所蕴涵的这种新观念。也没有思想深邃的哲学家系统地研究这种科学思想的新动。
争议
量子力学意味着什么？波函数到底是什么？测量是什么意思？这些问题在早期都激烈争论过。直到1930年，玻尔和他的同事或多或少地提出了量子力学的标准阐释，即哥本哈根阐释；其关键要点是通过玻尔的互补原理对物质和事件进行概率描述，调和物质波粒二象性的矛盾。爱因斯坦不接受量子理论。他一直就量子力学的基本原理同玻尔争论，直至1955年去世。
关于量子力学争论的焦点是：究竟是波函数包含了体系的所有信息，还是有隐含的因素（隐变量）决定了特定测量的结果。60年代中期约翰。s。贝尔证明。如果存在隐变量，那么实验观察到的概率应该在一个特定的界限之下。此即贝尔不等式。多数小组的实验结果与贝尔不等式相悖，他们的数据断然否定了隐变量存在的可能性。这样。大多数科学家对量子力学的正确性不再怀疑了。
然而，由于量子理论神奇的魔力，它的本质仍然吸引着人们的注意力。量子体系的古怪性质起因于所谓的纠缠态，简单说来，量子体系（如原子）不仅能处于一系列的定态，也可以处于它们的叠加态。测量处于叠加态原子的某种性质（如能量），一般说来，有时得到这一个值，有时得到另一个值。至此还没有出现任何古怪。
但是可以构造处于纠缠态的双原子体系，使得两个原子共有相同的性质。当这两个原子分开后，一个原子的信息被另一个共享（或者说是纠缠）。这一行为只有量子力学的语言才能解释。这个效应太不可思议以至于只有少数活跃的理论和实验机构在集中精力研究它，论题并不限于原理的研究，而是纠缠态的用途；纠缠态已经应用于量子信息系统，也成为量子计算机的基础。
价值
20世纪物理学的发展表明，量子物理是人们认识和理解微观世界的基础。量子物理和相对论的成就使得物理学从经典物理学发展到现代物理学，奠定了现代自然科学的主要基础。
当然，随着物理学和其它自然科学的进一步发展，人们认识的逐步深化，量子物理学也会进一步地丰富和发展。至今为止、量子力学的某些基本观念和哲学意义，科学家们仍然继续争论不休，这是一门科学在走向成熟过程中的一个必经的阶段。（。。）
270 物理学之固体物理学（）
固体物理学，是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学，它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科，固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。
研究历史？
早在18世纪r。j。阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识，后来a。布喇菲在1850年导出14种点阵。e。c。费奥多罗夫在1890年和a。熊夫利在1891年以及巴洛在1895年各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到基本的数学影响深远。 1912年von劳厄等发现x射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到50年代Α。Β。舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。
第二次世界大战后发展的中子衍射技术，是磁性晶体结构分析的重要手段。70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，在致力于晶体结构的观察方面有所进步。60年代起人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善成为研究晶体表面的有力工具。近年来发展的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。
主要特点
在固体中，粒子之间种种各具特点的耦合方式。导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，造成不同的固体有千差万别的物理性质。r。哈密顿在1839年讨论了排成阵列的质点系的微振动。人们称此模式为电磁耦合场振荡，相应的能量量子称为极化激元。 在很低的温度。由于热扰动强度降低，在某些固体中出现宏观量子现象，某些半导体中的电子－空穴液滴，以及若干二维体系中的分数量子霍耳效应等都是宏观的量子现象。
通过巡游电子耦合趋于平行排列，产生铁磁性。居里温度很低的弱铁磁体，其中没有局域磁矩，它的铁磁性同自旋密度的起伏有关。过渡金属的铁磁性是一个困难又复杂的多体问题，还没有比较满意的理论处理。
相变在固体物理学中相变占有重要地位，它涉及熔化、凝聚、凝固、晶体生长、蒸发、相平衡、相变动力学、临界现象等。某些固体其特征物性沿一定方向周期变化，此周期与点阵的周期可能通约或不可通约，分别形成有公度相和无公度相。
晶体缺陷
实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。依照传统的分类有：点缺陷、线缺陷（见位错）和面缺陷。它们对固体的物性以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷。大规模集成电路的工艺中控制（和利用）杂质和缺陷是极为重要的。 硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同；但其技术性能之所以强或硬；却都依赖于材料中一种缺陷的运动。在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁（面缺陷），在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。
高分辨电子显微术正促使人们在更深的层次上来研究杂质、缺陷和它们的复合物。电子顺磁共振、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术等已成为研究杂质和缺陷的有力手段。在理论上借助于拓扑学和非线性方程的解，正为缺陷的研究开辟新的方向（见晶体缺陷）。
界面有固体－固体、固体…液体、固体…气体界面之分。固体器件的基础是在界面发生的物理过程，随着微电子技术发展。器件的尺寸日益缩小，表面和界面的物理效应更加突出。特别是硅场效应管的硅－二氧化硅界面形成表面势阱，在其中的电子构成二维运动的电子气，具有独特的性质。包括电子态局域化和 k。von克利青在1980年发现的量子霍耳效应以及d。c。崔琦在1981年发现的分数量子霍耳效应，涉及固体物理基本问题的现象。许多电化学过程发生在固体…电解液界面；腐蚀则常发生于固体…气体和固体…液体界面，因此界面物理和表面物理一样具有巨大的实际意义。
非晶态固体
非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别。这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。从结构上来分，非晶态固体有两类（见无序体系）。一类是成分无序。在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子（如二元无序合金）或者不同的磁矩（如无序磁性晶体）。在这类体系中物理量不再有平移对称性。另一类是结构无序，表征长程序的周期性完全破坏。点阵失去意义。 非晶态合金具有特殊的物理性质。非晶态磁性固体可以在较低的外磁场下达到饱和，磁损耗减小。所以非晶态合金具有多方面用途，无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。
亚稳状态
无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。
由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。（。。）
271 闪电学 1（）
“想不到物理学这么多学科啊，这辈子也学不完啊，哈哈哈。”king警官听着贝斯特的讲座感叹道。
“哎，还好我是学艺术的，要是学理科估计会死的很惨啊。”恶魔雕塑家奥修自愧不如的说道。
“哎，连我也学不完全呢，物理确实是基础也是很实用的。”贝斯特说道。
“那么我们就去这24个人当中找出那个闪电之王出来吧。”king警官说道。
“在此之前，我再说下闪电的特性，这并不是属于物理的，是自然科学呢。”贝斯特说道。
闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象（一般发生在积雨云中）。
积雨云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。正电荷奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上，企图和带有负电的云层相遇；负电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。最后正负电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数百米（最短的为100米），但最长可达数千米。闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的3~5倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成