《命运骰子——量子力学简史》（第十四章）

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 《命运骰子——量子力学简史》（第十四章）
发信站: 两全其美网 (Tue Jul 8 21:42:39 2008), 本站(lqqm.net)


《命运骰子——量子力学简史》（第十四章）
第十四章 测量问题举例： 对波长的测量

（1）

书写到这里的时候，读者们一定会发现，这本书所介绍的量子力学理论其实是非常强调“观测”的。这也是物理学和数学的区别。本章可以看做是一章杂谈，基本跟历史无关，也不是讲故事，时间不多的读者可以跳过。

在上一章，已经讲到，哥本哈根学派手中有一派利剑，这把利剑正是“可观测量”，而到了量子力学里，可观测的物理量其实是要对应厄米算子的本征值。所 谓算子，就是“矩阵”，矩阵的英文是matrix，电影《黑客帝国》的英文名字就是matrix。子宫也叫matrix。有一种数学软件叫Matlab， 就是matrix Lab的缩写，意思为“矩阵实验室”。这个数学软件的功能非常强大，这意味着矩阵的功能非常强大。

我们暂时不谈矩阵，虽然海森堡的力学，又称为矩阵力学。在谈论海森堡之前，我们要先来看看，光的波长，到底是怎么样测量出来的。


（2）

任何仪器都是人的身体功能的延伸，比如电视机可以让我们看到空中的电磁波激发出来的图象。人同样可以被看成是一台仪器，这台仪器也有很大的局限性，比如，你的眼睛是不能直接看出一束激光的波长的。

为了探测一束光的波长，从仪器学的角度来看（仪器学不是一门公认的成熟学问，著者年轻的时候，李昌厚教授曾经在聊天的时候告诉我，他想要建立一门叫 仪器学的学问，这个学问包括光学，机械，电子等等多学科门类，是一个综合性学科，著者在这里也就冒昧先引进“仪器学”这个名词），探测光的波长，至少需要 3个组成部分。
1。光源
2。单色器
3。检测器

我们讲依次来泛泛地谈论这三个部分，从而让读者管窥其中的意义。

（3）

光源相对比较简单，任何会发光的物体都可以成为光源。 但一般来说，如果我们使用一个电光源的话，一个钨灯就是一个典型的例子。这背后有非常深刻的物理，那就是你无法通过理论计算电功率而确定出钨灯发出的光的 整个光谱，因为这不是简单的黑体辐射。钨灯发出的光谱是连续的，还有一些灯能发出很尖锐的脉冲峰，比如空心阴极灯。
空心阴极灯又叫元素灯，它能发出一些特定元素的特征谱线。但因为谱线不可能是无限细线光谱，所以，这个空心阴极灯发出的光谱也是具有在波长上连续分布的。
谱线具有宽度就是真正的物理学，因为只有在数学里我们才可以谈论无限狭窄的线光谱——基本可以肯定的是，任何涉及无限的数量都不是物理学中的物理 量。谱线的展宽具有很多类型，比如自然宽度起源于海森堡的不确定原理，多普勒展宽则起源于发光原子的热运动…… 鉴于本章只想谈论测量光谱线的波长，我们只需要记得一点，那就是，任何光源发出的光谱线，都是有一定的宽度的，没有完全纯净的单色光。
（4）
单色器的主要作用是把一个连续光谱的光分开来，也就是说，输入单色器的是一个复合光，输出单色器的是一个单色光（理论上的单色光，实际上单色光是不存在的，这是仪器原理决定的，也是真正的物理）。

一个单色器最简单的结构是入射狭缝，光栅和出射狭缝。狭缝的宽度是决定光谱带宽的，而光栅则起到分光的作用。在目前，比较多用的是闪耀光栅，这种 光栅可以使得出射光能量不集中在零级，而是集中在我们需要的波长附近。当然，对于闪耀光栅的出射能量随波长的分布，有很多种计算方式，最近比较流行的，自 然是采用傅里叶光学的观点。

仪器为了实现光栅方程，需要一些机械结构。因为一般来说，光栅转角和出射波长之间存在正弦关系，这个正弦函数需要机械结构来实现，所以肯定会有误差。


读者们一定要记住，无论在那个时代，有些事情一定是不可能做到的，因为机械误差的存在，加上物理学原理本身的限制，单色器发出的光不可能是真正的 单色光。——这就是“测不准原理”，因为仪器永远测量不到物理量的真实值，大家就想到用多次测量的方法来逼近真实值，这在概率论上被称为“大数定律”，其 意思是说，只要你测量的次数足够多，你得到的数据的平均值就会很接近真实值。从某种意义上来说，这里面肯定有逻辑的缺陷，换用量子力学的思考方式，我们最 好干脆一些，其实“真实值”并不存在！！

因为你永远测量不到“真实值”！
读者们读到这里一定会有些晕头转向，但如果你没有被这个章节吓倒，意味着你已经开始亲吻量子力学女郎的大腿了，她最敏感的秘密将被你揭开，你会发现，她的石榴裙下，其实什么也没穿……

（5）
检测器是把光信号转变为电信号的传感器。最简单的实现方式是基于爱因斯坦光电效应的光电倍增管。如果仅仅谈论对波长的探测，检测器的知识非常简 单，它总能把光信号转化为电信号。但从工作过程的细节来看，这个部件涉及到电流噪声以及后续放大电路的设计，以及最后的模数转换（把模拟量转化为数字量， 非常象从连续的经典力学进入离散的量子力学）。
我们不再絮叨，展开来讲，仪器的整个工作过程涉及到能量的传递和信噪比的传递，很多细节都可以单独写出一本书。但但就噪声而言，仔细分析就会知道，噪声是有颜色。