第9讲量子世界探险记 The Quantum Adventure Does God Play Dice? Alex Montujill-Ann Breslin Imperial College Press 2012
第9讲 量子世界探险记 The Quantum Adventure Does God Play Dice? Alex Montujill•Ann Breslin Imperial College Press （2012）
Chapter1:前史 lsaac Newton Nicolaus Copernicus (1473- 1543) ·1543年，哥白尼出版《天 球运行论》 ·提出了太阳中心论 ·认为地球不是宇宙中心 只有月亮环绕地球 。 而非太阳与群星环绕地球 ·日心体系简单优美 ·并有观察与详尽计算支持 NICOL AV&COPERNICVS
Chapter 1：前史——Isaac Newton • Nicolaus Copernicus (1473- 1543) • 1543年，哥白尼出版《天 球运行论》 • 提出了太阳中心论 • 认为地球不是宇宙中心 • 只有月亮环绕地球 • 而非太阳与群星环绕地球 • 日心体系简单优美 • 并有观察与详尽计算支持
Galileo Galilei (1564-1642) 伽利略是将数学论证应用 于物理理论的先驱 他强烈地支持哥白尼模型 这是被托勒密的“地球固 定体系”的支持者强烈反 LILEI 对的。 LINCEO 托勒密体系与比萨斜塔上 石头垂直下落，而非随着 地球运动偏离一个角度的 实验相符合。 vaoyas Tid 伽利略为此提出了一个超 越时代的论证
Galileo Galilei（1564-1642） • 伽利略是将数学论证应用 于物理理论的先驱。 • 他强烈地支持哥白尼模型， 这是被托勒密的“地球固 定体系”的支持者强烈反 对的。 • 托勒密体系与比萨斜塔上 石头垂直下落，而非随着 地球运动偏离一个角度的 实验相符合。 • 伽利略为此提出了一个超 越时代的论证
比萨斜塔与运动的相对性 设想把你和你的朋友关在一只大船的舱板下最大 的房间里，里面招来一些蚊子、苍蝇以及诸如此 类有翅膀的小动物。再拿一只盛满水的大桶，里 面放一些鱼；再把瓶子挂起来，让它可以一滴一 滴地把水滴出来，滴入下面放着的另一只窄颈瓶 子中。 于是，船在静止不动或匀速运动时，我们看到这 些有翅膀的小动物如何以同样的速度飞向房间各 处；看到鱼如何毫无差别地向各个方向游动；又 看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中。而当 你把什么东西扔向你的朋友时，只要他和你的距 离保持一定，你向某个方向扔时不必比向另一个 方向要用更大的力。如果你在跳远，你向各个方 向会跳得同样远
比萨斜塔与运动的相对性 • 设想把你和你的朋友关在一只大船的舱板下最大 的房间里，里面招来一些蚊子、苍蝇以及诸如此 类有翅膀的小动物。再拿一只盛满水的大桶，里 面放一些鱼；再把瓶子挂起来，让它可以一滴一 滴地把水滴出来，滴入下面放着的另一只窄颈瓶 子中。 • 于是，船在静止不动或匀速运动时，我们看到这 些有翅膀的小动物如何以同样的速度飞向房间各 处；看到鱼如何毫无差别地向各个方向游动；又 看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中。而当 你把什么东西扔向你的朋友时，只要他和你的距 离保持一定，你向某个方向扔时不必比向另一个 方向要用更大的力。如果你在跳远，你向各个方 向会跳得同样远
Isaac Newton (1642-1727) 牛顿出生于伽利略逝世的那一年， 他第一个以定量的数学方式来阐 PHILOSOPHLE 。 述伽利略的思想 NATURALIS ● 1687年，牛顿出版了著名的《自 PRINCIPIA 然哲学的数学原理》，标志着经 典力学的诞生，是科学史上最重 MATHEMATICA 要的著作。 Autore 7S.NEITON,Trin.Coll.Camab.Soc.Mathefeo Profeffore Lucafino,Socicratis Regalis Sodali. 牛顿把令人惊叹的洞察力与高超 Mr半wor Gik6e 的数学天才结合起来。他以逻辑 IMPRIMATUR S.P E P Y S,Reg.Soc.P R E 3 E S. 的方式写作，仔细选择与运动有 了al5.1686 关的相关性质，并发展它们之间 LO N D I N L 的貌似简单而实际复杂的数学关 Juffu Socielatis Regie ac Typis Tofepbi Sreater.Proftat apud plures Bibliopolas.mo MDCLXXXVII. 系
Isaac Newton（1642-1727） • 牛顿出生于伽利略逝世的那一年， 他第一个以定量的数学方式来阐 述伽利略的思想。 • 1687年，牛顿出版了著名的《自 然哲学的数学原理》，标志着经 典力学的诞生，是科学史上最重 要的著作。 • 牛顿把令人惊叹的洞察力与高超 的数学天才结合起来。他以逻辑 的方式写作，仔细选择与运动有 关的相关性质，并发展它们之间 的貌似简单而实际复杂的数学关 系
新概念：运动与力 牛顿的基本原理是运动的物体倾向 于保持运动状态，而静止的物体倾 向于保持静止。没有一个物体能够 使自己运动或让自己停止下来（惯 性定律)。 牛顿引入了质量与速度的乘积作为 动量，并认为动量的变化率就是改 变运动的那个力的量度（加速度定 律)。 作用于某物的作用力总是存在一个 大小相等，方向相反地施加于对方 的反作用力（反作用力定律）
新概念：运动与力 • 牛顿的基本原理是运动的物体倾向 于保持运动状态，而静止的物体倾 向于保持静止。没有一个物体能够 使自己运动或让自己停止下来（惯 性定律）。 • 牛顿引入了质量与速度的乘积作为 动量，并认为动量的变化率就是改 变运动的那个力的量度（加速度定 律）。 • 作用于某物的作用力总是存在一个 大小相等，方向相反地施加于对方 的反作用力（反作用力定律）
功与能 。 功与能的概念，基于牛顿第二定 律。 一个物体在力F作用下，移动了 O A 距离d,那么这个力所做的功： W=Fd。 ·一个力所做的全部功 ● =势能的增加+动能的增加。 牛顿的运动定律标志着一个新时 代的降临。1676年4月5日，他在 给胡克的信中指出：“如果我比 其他人看得更远，那是因为我站 在巨人的肩膀上
功与能 • 功与能的概念，基于牛顿第二定 律。 • 一个物体在力F作用下，移动了 距离d，那么这个力所做的功： W=Fd。 • 一个力所做的全部功 • =势能的增加+动能的增加。 • 牛顿的运动定律标志着一个新时 代的降临。1676年4月5日，他在 给胡克的信中指出： “如果我比 其他人看得更远，那是因为我站 在巨人的肩膀上。
Johannes Kepler (1571-1630) hpg电≤Ne,e
Johannes Kepler (1571–1630)
ASTRONOMIA NOVA AITIOAOTHTO多， SE V PHYSICA COELESTIS, tradita commentariis DE MOTIBVS STELLEE 开普勒的天体力学三定律 M A R T I S, Ex obfervationibus G.V. TTCHONIS BRAHE 椭圆定律：行星沿着以太阳为焦 JufTu fumptibus RVDOLPHI II 点的椭圆轨道运行。 R OM A NO R VM IMPERATORIS E ● 面积定律：在相同的时间间隔内， Plurium annorum pertinaci ftudio elaborata Pragz. 从行星到太阳的连线扫过的面积 C.-5. JOANNE KEPLERO 相等。 和谐定律：任何行星绕太阳公转 Ioannis Keppleri HARMONICES MVNDI 的周期的平方正比于它与太阳的 L I B R I V.Qve K v M 平均距离的立方。 n adcantum per en,De Hur 0 牛顿在《自然哲学的数学原理》 中，从开普勒三大定律出发推导 出万有引力定律。 CuS.C..PrinilegieadamerX Lincii Auftria, Sumpobeancof MKNo o DC.XIX. a 12
开普勒的天体力学三定律 • 椭圆定律：行星沿着以太阳为焦 点的椭圆轨道运行。 • 面积定律：在相同的时间间隔内， 从行星到太阳的连线扫过的面积 相等。 • 和谐定律：任何行星绕太阳公转 的周期的平方正比于它与太阳的 平均距离的立方。 • 牛顿在《自然哲学的数学原理》 中，从开普勒三大定律出发推导 出万有引力定律
机械决定论 1.牛顿主张绝对时间，所有观察者都有相同的时间，不论 它们的相对运动如何。 2.在牛顿动力学中，首先，空间距离的测量与时间无关； 其次，三维空间有欧几里得几何学的几何性质 。 3.同时测量一个粒子的位置和动量在原则上是可能的。 4.运动方程是决定论与因果律的。如果精确知道宇宙中每 个粒子的位置与动量，就能计算出宇宙在过去，现在与未 来任何时刻的状态。但是，在实际上，我们不能获知一个 物理系统的初始条件的完备信息。 ● 5.牛顿运动定律只对惯性系有效，在旋转系中要引入“虚 拟力”修正，这意味着空间是绝对的。 莱布尼兹是牛顿主义的主要反对者，认为世界由单子构成， 不存在虚空，反对超距作用，反对绝对时空观
机械决定论 • 1.牛顿主张绝对时间，所有观察者都有相同的时间，不论 它们的相对运动如何。 • 2.在牛顿动力学中，首先，空间距离的测量与时间无关； 其次，三维空间有欧几里得几何学的几何性质。 • 3.同时测量一个粒子的位置和动量在原则上是可能的。 • 4.运动方程是决定论与因果律的。如果精确知道宇宙中每 个粒子的位置与动量，就能计算出宇宙在过去，现在与未 来任何时刻的状态。但是，在实际上，我们不能获知一个 物理系统的初始条件的完备信息。 • 5.牛顿运动定律只对惯性系有效，在旋转系中要引入“虚 拟力”修正，这意味着空间是绝对的。 • 莱布尼兹是牛顿主义的主要反对者，认为世界由单子构成， 不存在虚空，反对超距作用，反对绝对时空观