海森堡設計的實驗裝置

『壹』 美國生物學家米勒設計的實驗裝置

消毒和抽出空氣是為了達到真空，清除原有的有機物。
沸水和電火花是為了模擬地球生命起源時的環境氨基酸，

『貳』 21世紀有什麼新的發現與發明

網上只能找到這些的，比較權威吧，時間實在是找不到，見諒。其他也有很多什麼其他500大重大發明之類的，但是感覺有點扯淡，還是這個網上認可的比較多。但是我覺得21世紀最重要的還是互聯網吧，互聯網已經融入了人們的生活，但這些發明之類的可能還是停留在實驗室吧。

21世紀影響人類生活的五大發明:
1、修復手套 2、仿生心臟 3、神經轉化 4、神經轉化 5、耳朵看世界

21世紀，許多令人驚訝的技術創新將對人類的日常生活產生重大影響。憑借「修復手套」獲得2004年度「尤利卡令人鼓舞科學獎」的科學家宣稱，科幻小說的預言距離變成現實已經不遠了。

●修復手套

「修復手套」是一種植入了能模仿人手生物力學的特殊致動器和感測器的裝置。機械手研究實驗室設計「修復手套」的目的是為了製造一種具有人工肌肉的「外衣」。這種「外衣」能夠幫助人體重新運動。全世界的科學家、程序設計員、發明者都在開發復制、替代人體結構或者幫助人體的創新技術。

●仿生心臟

同位移植人工心臟 CATO 是一種能全面模仿人類心臟的裝置，由血液室 心室 、閥 瓣膜 以及能把血液吸入肺動脈和主動脈的特殊致動裝置組成。

科學家面臨的最大挑戰是要把包括電源在內的人工心臟裝置移植到心臟通常所處位置的有限空間內。科學家曾經拿母牛做實驗，並獲得巨大成功，這也為他成功給同位移植人工心臟申請專利創造了有利條件。

●神經轉化

一位澳大利亞程序設計員開發出一套系統。根據這套系統，遭受肌萎縮性側索硬化疾病折磨的人今後可以不再受到自身殘疾的限制，只要通過神經信號的提示便能與別人溝通。另一位科學家開發出一種新型的人機聯結界面：一個人可以利用皮膚表面電極接收神經信號，然後在經過人工智慧分析後，便能夠達到交流的目的。兩位科學家合作後，這套系統被稱為神經轉化技術。

●耳朵看世界

萊斯利·凱博士設計出一種聲納裝置，這種裝置能釋放出超聲波，還能發現其他物體和障礙物發出的反射。數據接著被轉化成一連串能夠聽到的聲音，這些聲音在頻率上與遠處物體發出的聲音相對應。經過少許的培訓，人類大腦似乎能下意識地將這些聲音轉化為空間想像。

這項技術贏得了1998年度世界通信創新獎，如今全世界的盲人將利用這項技術自信地行走在他們不熟悉的區域。

●人造肌肉

研究人造肌肉的工作始於上個世紀40年代，但只是在最近的10年裡才取得了較大發展，因為世界范圍內的研究中心研製出了特種聚合體和智能材料。未來人類很有可能看到世界上最強壯的人和最強大的仿生胳膊進行較量。

謝謝！！

『叄』 超光速

光速不僅僅是光傳播的速度。它是信息傳遞速度的絕對極限。
它不僅把時間與空間以一種根本的方式聯系在一起，還保證未來
不會先於過去發生。因此，聽說我們能夠止住光的腳步，可能會
讓人感到驚訝。

在你閱讀這個句子的時間里，邁克爾·舒馬赫可以駕著他的
法拉利跑出300米，而光則可以在地球與月亮之間走個來回。光
運動得如此之快，以至於在人類歷史的大多數時間里，它被認為
是瞬時傳播的。我們現在知道事實當然並非如此，還學會了控制
光的速度。我們可以使光的運動變慢甚至停止，然後輕輕按一下
開關使它重新運動起來。我們可以看到光在一場賽跑中打敗它自
己，還可以利用光速來測量宇宙的年紀。它甚至能夠決定你有多
高。

丹麥天文學家羅默（Ole Romer）在17世紀首次成功地計算
出光速。他使用木星的一顆衛星有規律的軌道運動作為計時器，
每次這顆衛星被巨大的行星（木星）所掩食，他便記錄下一個
「滴答」。但他發現，從地球上觀察，這些滴答的出現並不像預
想的那麼規律，在一年之中會時而快幾分鍾，時而慢幾分鍾。

羅默計算出，這些時延是木星和地球在繞太陽運動時它們之
間的距離變化所引起的。通過計算一年裡地球、木星及其衛星在
軌道上的相對位置，他算出了光穿過宇宙空間的速度。羅默於
1676年向法國科學院提交了他的結果，數值與目前被接受的值之
差不超過30%。

對光之本性的理論探討也使人們對光速有所了解。19世紀60
年代中期，蘇格蘭科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋創建了一組
方程，描述電磁場在空間中的行為。這個方程的一個解表明，電
磁波在真空中必須以約為每秒30萬公里的速度傳播，與羅默及其
後人的測量結果相當接近。

倫敦皇家研究院的邁克爾·法拉第用電場和磁場的概念解釋
靜電力和磁場力，並表明光會受到磁場影響。這證實了可見光事
實上是電磁波譜中的一部分。對電磁波譜其它部分——微波，紅
外線，紫外線，X射線和γ射線——傳播速度的直接測量表明，
它們在真空中都有相同的速度。

用於測量光速的實驗不斷地變得更精確。到20世紀50年代，
電子計時裝置已經取代了古老的機械設備。20世紀80年代，通過
測量激光和頻率（f）和波長（λ），運用c=fλ公式計算出了光
速（c）。這些計算以米和秒的標準定義為基礎，就像現在一樣，
1米定義為氪-86源產生的光的波長的1,650,763.73倍，1秒則定
義為銫-133原子超精細躍遷放出的輻射頻率的9,192,631,770倍。
這使得c達到非常高的精度，誤差只有十億分之幾。

1983年，光速取代了米被選作定義標准，約定為
299,792,458米/秒，數值與當時的米定義一致。秒和光速的定義
值，表示1米從此定義為光在真空中1/299,792,458秒內走過的距
離。因此自1983年以來，不管我們對光速的測量作了多少精確的
修正，都不會影響到光速值，卻會影響到米的長度。你有多高事
實上是由光速定義的。

但光速還定義著比長度更加基本的東西。阿爾伯特·愛因斯
坦的工作表明了光速的真正重要性。由於他的功勞，我們知道，
光速不僅僅是光子在真空中運動的速度，還是連接時間與空間的
基本常數。

愛因斯坦年輕的時候曾經問自己，如果人運動的速度快到足
以跟上光的腳步，光看起來是什麼樣子的。理論上它看上去像是
你身邊一個靜止的峰，但愛因斯坦知道，麥克斯韋方程組不允許
這種結果出現。他得出結論認為，要麼是麥克斯韋的理論不適用
於運動中的觀察者，要麼是相對運動力學需要更改。

愛因斯坦在他1905年發表的狹義相對論里解決了這個問題。
這一理論基於一個通用原則：相對任何以恆定速度運動的觀察者
來說，不管這個速度是多少，物理原理及光速都是一樣的。愛因
斯坦的狹義相對論使我們對時間和空間的觀念發生了革命性的變
化，強調了光速在物理學中的根本地位。

想像你在一枚火箭里，與一道激光脈沖一同沖入宇宙空間。
地球上的觀察者會看到這一脈沖以光速遠去。無論你相對於地球
運動的速度為多少，譬如光速的99%罷，光線仍以光速超越你。
看起來似乎很荒謬，但這是真的。使這為真的唯一途徑，就是你
火箭中的居住者和地球表面的觀察者以不同方式衡量時間和空間。

時間與空間看上去當然是不同的，這依賴於你是在地球上還
是在宇宙空間里。愛因斯坦的廣義相對論將引力描述為時空幾何
結構的扭曲。這種說法的一個推論，就是始終沿可能的最短路徑
穿越時空的光線，在大質量物體附近會彎曲。這在1919年日食期
間觀測掠過太陽附近的星光被太陽的質量所彎曲而得到證明。這
一觀測使愛因斯坦的理論最終得到接受，並為他贏得了世界性的
聲譽。

但按照基本力學原理，如果光線偏轉，它會被加速。這是否
將使光速發生變化，動搖相對論的根本原則？在某種意義上是對
的：我們從地球上觀察到的光速，在它從太陽附近經過時確實會
變化。然而相對論和光速不變原理不能被拋棄。

引力的惡作劇——眼見不為實

愛因斯坦認識到，引力是無法自由運動的觀察者們經歷的某
種幻象。想像從一堵牆上跳下。在自由落體的過程中，你不會感
動周圍的引力作用，但任何在地面上瞧著你落下來的人，都會解
釋說你的運動是引力的作用所致。同樣的說法對空間站中的宇航
員也適用：他們被提及時總是說成時處在「零重力」環境里，但
從地球的表面往上看，我們會用引力吸引來解釋他們繞地球的軌
道運動。所以當我們從地球上觀察時，經過太陽附近的光線看上
去彎曲、加速了，但如果我們自由落體地落向太陽，光線看上去
會以恆速沿直線經過我們身邊。對任何自由落體的觀察者來說，
經過他的光線都以恆定速度運動。不過，它在掠過扭曲其附近時
空的大質量物體時，看上去會彎曲和加速。

相對論另一個奇怪的推論是，沒有任何物體能加速到光速。
不和我們建造動力多麼強勁的火箭飛船，它們也永遠不能到達光
速。這是因為物體運動得越快，其動能越大，慣性也越大。愛因
斯坦在他的E=mc2公式中指出，能量和質量或者說慣性相關聯。
因此一個物體的動能增加，它的慣性也增加，從而越來越難繼續
加速。這是一個收益遞減原理：你對一個物體做的功越多，它就
變得越重，加速的效果也越微弱。

把單一電子加速到光速，就需要無限的能量，粒子物理學家
們對這一限制深有感觸。質子進入美國伊利諾伊州Batawia費米
實驗室的Tevatron加速器時，它們的速度已經達到光速的99%。
加速器的最後階段使質子的能量提高了100倍，但速度僅增加到
光速的99.99995%，與它們進入加速器的速度相比，提高不足1%。

不過，一直與相對論有沖突的量子理論看上去是允許物質以
大於光速的速度運動的。在20世紀20年代，量子論顯示一個系統
相隔遙遠的不同組成部分能夠瞬時聯系。例如，當一個高能光子
衰變成兩個低能光子時，它們的狀態（例如，是順時針或逆時針
自旋）是不定的，直到對它們中間的某一個作出觀察才確定下來。
另一個粒子看上去感知到它的同伴被進行了一次觀測，結果是任
何對第二個粒子的測量總會得到與對第一個粒子的測量相一致的
結果。這樣遠距離的瞬時聯系，看起來像是一個訊息以無限大的
速度在粒子之間傳遞了。它被愛因斯坦稱為「幽靈式的超距作
用」，聽起來難以置信，但卻是真實的現象。

1993年，加利福尼亞大學伯克利分校的Raymond Chiao表明，
量子理論還允許另一種超光速旅行存在：量子隧穿。想像朝一堵
堅實的牆上踢一個足球，牛頓力學預言它會被彈會，但量子力學
預言它還有極小的可能出現在牆的另一面。考慮這種情況的一種
途徑，是想像它能「借」到足夠的能量穿越牆壁，並在到達另一
面之後立即將能量歸還。這並不違反物理定律，因為最終能量、
動量和其它屬性都得到了保存。德國物理學家維納·海森堡的測
不準原理表明，在一個系統中，總有某些屬性——在這一情況中
是能量——的值是不能確定的，因此量子物理學原理允許系統利
用這種不確定性，短時間借到一些額外的能量。在隧穿的情況中，
粒子從障礙物的一面消失又從另一面重現的需要幾乎可以忽略不
計，障礙物可以任意的厚——不過隨著厚度增加，粒子隧穿的幾
率也就迅速地朝零的方向遞減。

Chiao通過測量可見光光子通過特定過濾器的隧穿時間，證
明了隧穿「超光速」隧穿效應的存在。為此，他讓這些光子與在
相似時間內穿過真空的光子進行比較。結果隧穿光子先到達探測
器，Chiao證明它們穿越過濾器的速度可能為光速的1.7倍。

1994年，維也納技術大學的Ferenc Kraus表明，隧穿時間有
一個不依賴於障礙物厚度的上限，這表示光子隧穿障礙物的時間
沒有上限。德國科隆大學的Gunter Nimtz也用微波實現了這種
「超光速」。他甚至把莫扎特第40號交響曲調制在信號上，以
4.7倍光速的速度將它傳輸通過12厘米厚的障礙物。

全速前進——信息傳遞的極限

上述這些想法看上去都動搖了禁止超光速的相對論原理。然
而它們都沒有，因為相對論所禁止的實際上是信息的超光速傳輸。
實驗已經表明兩個量子物體之間的「瞬時聯系」不能用來傳遞信
息。隧穿效應也受到同樣的限制。這是由於量子理論是一種內在
統計規律，它依賴於大量粒子群體的性質。因此幾個光子超越時
間是不能用於傳遞信息的。隧穿效應使輸入的波形變形，使之產
生一個可能比預期時間更早被接收到的波峰。然而，信息不是由
單一波峰攜帶的，而是由整個波包傳送，後者不會運動得比光快。
對隧穿效應的謹慎分析結果，似乎支持信號的信息內容仍受到光
速限制的說法，盡管這仍是一個有爭議的話題。

信息傳遞的這一速度限制保護了因果律，即一個事件的結果
不能比該事件更早發生。如果不是這樣，以不同速度運動的觀察
者將永遠不會對一系列特定相關事件的順序得出相同的結論。有
的人可能打了一個茶杯，看到它的碎片四散開來，另一個觀察者
卻可能先看到碎片，然後才看到茶杯落下。如果沒有信息傳遞速
度的這個限制，宇宙看起來會非常的古怪。

盡管在真空里不可能使一個有質量的粒子運動得比光更快，
在「折射率」超過1的物質內部，就不是這樣。例如在水裡，光
運動的速度是其真空速度的60%。光在不同的透明材料里速度會
放慢，這一事實在300年前就被人發現。它能夠解釋光的折射和
散射，這也是所有光學儀器背後的原理。折射的產生，是因為光
子——組成光的獨立能量單位——與原子內部的電子產生相互作
用。光子在原子之間以全速運行，但在穿過材料的過程中反復地
被吸收和重新釋放，因此它們所攜帶的信息傳播的速度會下降。
於是，像高能電子這樣的粒子在水中完全可能比光在同一介質中
運動得快。這種情況下，它們產生電磁波，後者的運動速度沒有
粒子快，就會沿運動方向聚集形成一個劇烈的沖擊波，這與超音
速飛機產生音爆的機理相同。物質介質中運動得比光快的粒子產
生的這種輻射稱為切倫科夫輻射，常用於檢測其它運動得比光快
的不可見粒子，例如在東京宇宙線研究所神崗宇宙粒子研究設施
中裝滿水的巨大探測器里尋找中微子。

大多數物質不會使光速明顯變慢，在一般物質里，光速可下
降的幅度不超過50%左右。然而，1998年美國哈佛大學的Lene
Vestergaard Hau宣布，她把光速降到了每秒17米。2001年，她
使光完全停止了。當然，她的研究小組所用的不是普通材料，而
是處於所謂（繼固態、液態、氣態和等離子態之後的）第五種物
質狀態：玻色－愛因斯坦凝聚態的物質。

這種非同尋常的物質由一團原子雲組成，這團原子雲冷卻到
絕對零度以上百萬分之一度，從而形成玻色－愛因斯坦凝聚。它
實質是一個單一的量子物體，有點像一個巨大的原子，其中所有
的原子都處在同一量子態上，以同樣方式運動，彷彿它們就是一
個物體。

使光速變慢的技巧，在於用兩束垂直相交的光速照射玻色－
愛因斯坦凝聚體。其中一束攜帶信息，稱為探測光；另一束稱為
耦合光。耦合光照射到凝聚體上時，會使它變得完全透明，從而
使探測光能夠穿過。

鈉原子的最外層軌道上有一個電子，探測光與這個電子之間
的相互作用對這一過程非常關鍵。當一個原子從探測光速吸收一
個光子時，外層電子跳到一個較高的能級。很短一段時間之後，
它又跌回到原來的能級，釋放出一個光子。不走運的是，這個過
程完全是隨機的，因此原有光束中所有的信息都丟失了。

探測光脈沖頻率不同的組成部分在穿過凝聚物時速度不同，
這樣的結果是一個輸入脈沖在鈉原子雲中聚成一團，緩緩通過，
其間原子的自旋受脈沖的影響發生變化。如果耦合光在此時被撤
去，光脈沖（或至少是其中的信息）就被束縛在原子的自旋方式
里，光束實質上停止了。耦合光再次亮起，凝聚物就重新釋放出
光脈沖。

放慢或停止光的腳步，可能在運算方面獲得實際應用。物理
學家長久以來一直想製造光計算機，利用光速而非電子來傳遞信
號、執行運算。他們還希望造出量子計算機，利用原子的量子態
和奇異的量子原理來製造運算能力超強的處理器。Hau對付光的
技巧還可能幫助科學家們模擬光在黑洞附近的行為。實際上，研
究光速也許是解開宇宙最深奧秘——那些由光速幫助決定的奧秘
——的最佳途徑。

補充1：光的惡作劇和空間中的幻覺

存在許多物體看上去運動得比光快的例證。但實際上它們並
不違背相對論原則。例如掃過電視屏幕的電子束所繪出的線，理
論上可以運動得比光快，這種現象的原因是屏幕上位置連續的熒
光像素由不同的電子激發。因此實質上並沒有什麼東西以比光更
快的速度從一點運動到下一點，僅僅是因為它們以某種順序發出
亮光，所以看上去是那樣。

天文學家在宇宙空間中看到了超光速的幻覺：類星體有時噴
出看上去速度比光速快得多的噴流。為了測量這些噴流的速度，
天文學家需要對其位置進行兩次測量，以這兩次測量之間的時間
來推算噴流的速度。但如果這速度比光速快得多，其間是有充分
理由的：因為噴流是直接朝向觀察者噴發的。這樣，接下來的觀
察就必須考慮到氣流離觀察者更近了，它發出的光到達地球所需
的時間減少了。這使得在兩次觀察的間隔中，噴流運動的距離看
上去比實際距離要遠。

兩位美國天文學家——埃德溫·哈勃和維斯托·斯里弗在20
世紀20年代發現過另一個幻覺。他們發現宇宙在膨脹，星系就像
爆炸產生的殘骸一樣在彼此遠離。不過在這一事例中，星系之間
距離越遠，互相分離的速度越大。如果星系之間足夠遠，它們退
行的速度就比光還快。因此如果這種顯而易見的擴展是由於星系
在空間中奔行所致，相對論關於沒有物體能運行得比光快的原則
就被打破了。但事實上這也是幻覺。星系的超光速運動事實上是
星系之間的空間在擴張所致。不管人們認為他們看到的是什麼，
光速仍未被超越。

補充2：均勻宇宙中的不均勻光速？

在宇宙學中，有一個問題稱為「視界問題」（Horizon
Prolem）。光速可能並非一直是它現在這么大。如果它會隨時間
變化，並且在過去曾經比現在快得多，就可能幫助解開這個宇宙
學之謎。

如果光速就是任何信號傳遞速度的上限，宇宙中相距遙遠的
區域就沒有理由達到熱平衡。簡單地講，就是因為沒有任何東西
——包括熱——能夠在大爆炸發生以後的時間里走完這段距離。
而如果兩個區域不能交換熱量，它們也就不會達到相同溫度。

然而，宇宙在大尺度上是相當均勻的，因此過去其中必然存
在某種聯系，對此聽起來最合乎情理的解釋稱為暴脹理論。該理
論認為，在非常早的時候，在哈脖發現的那種從容不迫的擴張開
始之前，宇宙曾經歷了一段指數擴張的時期。

但這種迅速的暴脹面臨著它自己的光速問題，這促使物理學
家們想到，早期宇宙中的光速可能與現在不同。如果光速過去曾
比現在快得多，就會允許「視界」擴散得更遠，從而可以達成熱
平衡。

這一大膽理論是否能被融進其它物理理論，現在還不清楚。
不過它仍表明，在我們對宇宙的理解中，光速占據著核心地位。

『肆』 米勒設計的實驗裝置示意圖中含有機物的溶液中有機物是什麼

（1）由圖可知，米勒實驗裝置中的1里的氣體相當於原始大氣，有水蒸氣、氨氣、甲烷等內，米勒提出的問題是：容原始地球條件下能否形成有機小分子物質．
（2）圖中2裝置里是用來產生水蒸氣的沸水，因此裝置2模擬的是原始海洋．
（3）此實驗結果：積聚在儀器3底部的溶液中共有20種有機物．其中11種氨基酸中有4種（即甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸）是生物的蛋白質所含有的．即：容器中產生了原先不存在的各種氨基酸等有機小分子．
（4）圖中裝置2里是用來產生水蒸氣的沸水．2內的液體相當於原始海洋．加熱產生沸水是為了獲得水蒸氣，下部連通的冷凝管讓反應的產物和水蒸氣冷凝形成液體，模擬降雨過程．
故答案為：（1）原始地球條件下能否形成有機小分子物質
（2）原始海洋
（3）氨基酸等有機小分子物質
（4）降雨

『伍』 什麼是拉曼效應

拉曼效應的發現

1922年9月，拉曼的《光的分子衍射》一書由加爾各答大學出版社出版。該書集中介紹了這一時期的研究成果，最後提到，如果散射過程能被看作是光量子和散射分子之間的碰撞，它將有與經典電磁理論所預期的不同的結果。這一想法的提出，比康普頓效應的發現(1923年)早了一年。正如拉曼自己所說，「這個課題的意義遠遠超出了我的工作的特定目的，它為研究打開了非常廣闊的領域。」

隨後，拉曼和他的助手於1923年發現了一種熒光效應。當時他們用太陽光作光源，觀察它穿過蒸餾水的散射線。他們發現，若在入射線的光路中放置一個紫色濾色鏡，則射出的散射線退極化現象明顯增加。然後他們進一步觀察可見光被多種物質、特別是一些液體散射的情況，結果觀察到一種較通常的散射線波長有微弱變化的第二次射線。他們當時將此種微弱射線歸結為某種「熒光」現象。

在此期間，康普頓發現X射線散射新效應的論文發表了。拉曼在於當年游學美國時，有機會與康普頓當面切磋了他的新發現。這對拉曼拓寬思路，引發某種聯想是有很大幫助的。

拉曼與他的助手對「熒光」現象不敢輕易下什麼結論，這是因為這種二次射線太微弱了，要對它進行任何深入的研究，首先得把它提純或分離出來。經過長時間的努力，他們逐漸找到了把這種「熒光」效應分離出來的實驗手段；他們用實驗室屋頂上的定日鏡把太陽光送進實驗室，經匯聚後入射到實驗樣品(液體或固體材料)上，在入射和出射光路中分別放置一對互補濾色鏡(他們常用的是一對藍一紫和綠色濾色鏡)。結果發現，穿過樣品的藍色散射光，經過綠色濾色鏡後並未完全消失，還能觀察到一點相當暗淡的光線。按照實驗設置的特性，可以認定這種射線的波長應不同於入射的藍光，但可以把它解釋為由於樣品中含有某些雜質，從而激發出的熒光。

這種解釋後來經過大量實驗被否定了。因為：(1)該現象在80多種不同的、經過精心提純的液體樣品中無一例外地都存在著；這些樣品不會都含有雜質；(2)特別是在丙三醇(甘油)樣品的實驗中，不但這種現象較明顯，而且最後的出射線已被極化，成了完全不同於自然光的偏振光。這就說明原來以為是熒光的射線實際上是一種特殊的二次輻射，並且這種效應是一種普遍的效應。拉曼和助手們將此現象與克拉姆斯—海森堡的射散理論相聯系，並將它命名為「分子散射」。經過5年多時間的探索研究，在1928年2月，取得了突破性進展。而且只用了幾天，應了那句「水到渠成」的老話。1928年2月16日，拉曼用電報向《自然》雜志發出了第一個報告，簡要地描述了這項新發現及其實驗和理論解釋。此後的兩篇論文都是用電報的形式發往《自然》雜志的。後來的事實證明他的這番苦心不無道理。

拉曼和他的助手一起抓緊改進實驗裝置，最後用大孔徑聚光器、汞弧燈及濾光片獲得了較強的單色光。1928年2月28日下午，當他們用改進了的裝置觀測液體散射光的光譜時，清楚地觀察到了汞弧光中沒有的若干譜線，在拍攝的光譜照片上還證實了散射光不僅有紅移，而且還有紫移。經過長期深入的研究，拉曼效應最終被發現了。

『陸』 海森堡測不準原理

不確定性原理（Uncertainty principle），是量子力學的一個基本原理，由德國物理學家海森堡（Werner Heisenberg）於1927年提出。本身為傅立葉變換導出的基本關系：若復函數f(x)與F(k)構成傅立葉變換對，且已由其幅度的平方歸一化（即f*(x)f(x)相當於x的概率密度；F*(k)F(k)/2π相當於k的概率密度，*表示復共軛），則無論f(x)的形式如何，x與k標准差的乘積ΔxΔk不會小於某個常數（該常數的具體形式與f(x)的形式有關）
測不準原理
德國物理學家海森堡1927年提出的不確定性原理是量子力學的產物 。這項原則陳述了精確確定一個粒子，例如原子周圍的電子的位置和動量是有限制。這個不確定性來自兩個因素，首先測量某東西的行為將會不可避免地擾亂那個事物，從而改變它的狀態；其次，因為量子世界不是具體的，但基於概率，精確確定一個粒子狀態存在更深刻更根本的限制。
海森伯測不準原理是通過一些實驗來論證的。設想用一個γ射線顯微鏡來觀察一個電子的坐標，因為γ射線顯微鏡的分辨本領受到波長λ的限制，所用光的波長λ越短，顯微鏡的解析度越高，從而測定電子坐標不確定的程度△q就越小，所以△q∝λ。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長λ越短，光量子的動量就越大，所以有△q∝1/λ。再比如，用將光照到一個粒子上的方式來測量一個粒子的位置和速度，一部分光波被此粒子散射開來，由此指明其位置。但人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個波峰之間的距離更小的程度，所以為了精確測定粒子的位置，必須用短波長的光。但普朗克的量子假設，人們不能用任意小量的光：人們至少要用一個光量子。這量子會擾動粒子，並以一種不能預見的方式改變粒子的速度。所以，位置要測得越准確，所需波長就要越短，單個量子的能量就越大，這樣粒子的速度就被擾動得更厲害。簡單來說，就是如果要想測定一個量子的精確位置的話，那麼就需要用波長盡量短的波，這樣的話，對這個量子的擾動也會越大，對它的速度測量也會越不精確。如果想要精確測量一個量子的速度，那就要用波長較長的波，那就不能精確測定它的位置。換而言之，對粒子的位置測得越准確，對粒子的速度的測量就越不準確，反之亦然。經過一番推理計算，海森伯得出：△q△p≥ħ/2。海森伯寫道：「在位置被測定的一瞬，即當光子正被電子偏轉時，電子的動量發生一個不連續的變化，因此，在確知電子位置的瞬間，關於它的動量我們就只能知道相應於其不連續變化的大小的程度。於是，位置測定得越准確，動量的測定就越不準確，反之亦然。」=
海森伯還通過對確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實驗的分析證明，原子穿過偏轉所費的時間△T越長，能量測量中的不確定性△E就越小。再加上德布羅意關系λ=h/p，海森伯得到△E△T≥h/4π，並且作出結論：「能量的准確測定如何，只有靠相應的對時間的測不準量才能得到。」

『柒』 二戰時德國先於美國製造出原子彈嗎

美國最先製造出原子彈
德國作為一個在本世紀初在物理學領域曾遙遙領先，特別是在核物理研究方面擁有象海森堡、蓋革、博特和在放射化學上有象哈恩這樣優秀人才的國家；作為一個最先在實驗室里分離出鈾235，首先發現核裂變和具有強大的化學工業，並佔有很好的鈾資源的國家；作為一個具有良好的組織傳統，而且即使是蓋世太保這樣的特務組織也對科學研究有一定興趣的國家，德國卻未能在世界上首先製造出原子彈，其中的原因是很復雜的。

一：納粹對現代科學、尤其是抽象科學的反對，使得核物理研究失去了基礎當現代物理學的一些概念與經典物理學發生沖突時，德國物理學界的保守勢力和親納粹分子，無形中接受和應用了納粹的理論宣傳，而將這種學術上的沖突歸並為政治和民族觀念上的沖突。1905年諾貝爾物理學獎獲得者勒納和1919年諾貝爾物理學獎獲得者斯塔克，從20年代起就致力於所謂「日耳曼物理學」的研究和分類，企圖為經典物理學找到「日耳曼血統「的原因。勒納攻擊相對論為「猶太人的詭計」，斯塔克宣稱量子力學是「徒勞的形式主義」。他們不斷地晉見包括希特勒在內的納粹高級領導人，並在納粹主管宣傳的羅森堡的支持下，不斷地在報紙和雜志上發表文章，攻擊愛因斯坦、普朗克、索末菲、海森堡和他們的學說，企圖將自己的「日耳曼物理學」強加於德國社會。
二：納粹對猶太科學家的迫害，使大量優秀科學家逃離德國，導致核研究方面的人才匱乏，同時也成全了美國的核計劃。1933年，希特勒上台後，哥廷根的4個物理和數學研究所的所長中有3個離職，愛因斯坦等科學家也離開了柏林。這一年共有20位諾貝爾獎金獲得者辭職而去，其中包括11位物理學家。在戰爭前夕，有40%的大學教授失去了職務，這些職務大多落到了不學無術的納粹分子手裡。在索末菲的領導下，慕尼黑大學曾經是一個很出色的原子研究中心。1935年，索末菲准備退休時，他與其他學者想請海森堡作為接班人，但納粹分子拒絕了這一要求。經過3年的較量，最後還是由一名納粹分子占據了這個職務，從而斷送了這個中心。納粹在青年學生中進行煽動並徵兵，還使德國的核研究失去了一批年輕的研究人員和學生。對於研製原子彈這樣大規模和復雜的科學研究，一支有志獻身於研究，精力旺盛，反應靈敏的年輕研究隊伍是必不可少的，但德國恰恰缺少這樣一支隊伍。
三：納粹對核研究的組織工作不得力。希特勒將科學研究和人的品德對立起來，他強調：「德國教育需要的是個人為團體的犧牲精神，而不是由科學助長起來的物質利己主義。」盡管德國郵電部長奧尼索格在1940年就對希特勒講過原子彈，斯皮爾在1942年又向他匯報過，但至今沒有發現任何記載希特勒在這個問題上曾採取行動的文件。1942年以前，希特勒完全把賭注押在閃擊戰上，認定戰爭會很快結束，認為不需花費大力氣去研製尚無把握的新式武器，沒有原子彈照樣可以取勝。納粹頭目們還從發動戰爭的實用需要出發，一開始就把研製火箭武器放在首要地位，僅從1937年到1940年，德國陸軍在發展大型火箭方面就花費了5.5億馬克，而德國軍備部長施佩爾批准給予「鈾計劃」的經費，只有100多萬馬克。這與美國的「曼哈頓工程」相比，還不到千分之一。
四：德國人對原子彈的研究發生了偏差。製造原子彈離不開反應堆，有了反應堆才能摸清形成大量核裂變的規律，而製造反應堆必須有能夠使中子裂變速度變慢的物質，即減速劑。德國科學家最初找到了兩種控制中子裂變的物質，一是重水，二是石墨。德國科學家開始採用的反應堆是石墨沸水堆，石墨有減慢中子的作用。布雷格根據自己的理論推斷和計算的結果，很有預見地認為最理想的減速劑是石墨。於是他提出需要100塊長3米、寬0.6米的石墨片進行深入的研究。生產任務交給了位於拉齊步日的一家工廠，由於石墨片的規格特殊，數量大，加上緊迫的交貨期限，引起了總工藝師埃爾溫·施密特的猜測，他斷定這是用於軍事目的，於是，他設法使生產出來的石墨片中含有二氧化鐵、鈣和硫等雜質。布雷格不知其中緣由，他用這些含雜質的石墨片進行試驗，結果屢試屢敗，最後不得不懷疑是自己的理論或計算出了問題，布雷格只得另從其他途徑尋找新的減速劑，原以接近製造原子彈的日期便大大推遲了。而著名物理學家費米在美國芝加哥設計的用石墨作減速劑的原子反應堆，卻於1942年12月2日試驗成功，打開了可控核裂變的大門，為美國製造原子彈鋪平了道路。正如美國原子彈之父奧本海默在1954年為《紐約時報》著文所說的那樣：「本來布雷格教授是會比美國早兩年造出原子彈的，只是由於他的一個差錯，才使得人類免遭一場全面的浩劫。」布雷格面對失敗，不得已另找途徑，經過多次試驗分析，德國科學家們最後確認重水可以充當減速劑。
五：英國特工對挪威重水工廠的破壞使得德國的原子彈研製計劃幾乎陷入停滯。重水由氘和氧化合而成，天然水中的重水含量只有六千分之一左右。德國重水的主要來源是被佔領的挪威的「努爾斯克」重水工廠，它是當時世界上最大的重水生產工廠。英國突擊隊和當地挪威的地下抵抗組織聯合起來，欲圖摧毀這個重水工廠。第一次突擊以失敗告終，但是德軍在抓獲了這些突擊隊員後，未經審判就把他們處決了，但並沒有提高警惕，有效地加強對工廠的保護，以至工廠最後被完全摧毀。後來，重水的供應一直卡著德國核研究的脖子。1942年，德國全部的科研計劃歸戈林管理，一批科研人員也從前線返回實驗室，但在這一年雖然有2500萬馬克的科研經費沒有用完，卻沒有對急需資金的核研究提供更多的幫助，以後，重水工廠和鈾工廠相繼遭到破壞，加上前線告急，德國的工業再也負擔不起核反應堆的建造和原子彈的研製任務了。
六：德國科學家內部的思想混亂和失誤部分參加德國核研究的人是很消極的，並沒有全心全意投入研究工作，大多數科學家都是帶著像海森堡那樣的復雜心情參加核研究的。其時，德國「鈾計劃」的核心人物海森堡已認識到許多原子彈的關鍵技術問題，如，他認識到了製造原子彈的核心部分——反射器和臨界質量問題。他在德國戰敗之時，曾對哈恩說過：一個直徑54厘米、重約1噸的球狀鈾235，能夠利用「極快的中子「維持鏈式反應，並產生大量的中子，但是，如果鈾235材料外麵包有一種「反射器」的話，那麼有250公斤的鈾235就能起爆了……通過臨界質量以下的兩小塊鈾235壓到一起的方法，就能控制起爆時間。海森堡等德國科學家在戰爭期間故意避開了對原子彈的研究，轉而研究反應堆和迴旋加速器，這是使德國原子彈研製工作沒有突破的一個重要原因。海森堡對他的行為曾這樣解釋道：「在專制政權統治下，只有那些表面上與政府合作的人才能進行有效的積極抵抗。」另一位科學家羅伯特·容克對此作了補充：「海森堡和他的朋友們之所以原因從事德國原子彈的研製工作，這首先是為了使另外一些缺乏覺悟的物理學家無法把他們決心使之失敗的事業推向成功。」而一直與納粹作頑強斗爭的勞厄，在評論德國失敗時說：「如果一個人沒有作出新發現的願望，他就作不出新發現。」

『捌』 薛定諤的貓是一個有趣的理想實驗，常在網路上被人們玩梗，那麼實驗的內容究竟是什麼

薛定諤的貓是奧地利著名物理學家薛定諤提出的一個思想實驗，試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題，巧妙地把微觀物質在觀測後是粒子還是波的存在形式和宏觀的貓聯系起來，以此求證觀測介入時量子的存在形式。隨著量子物理學的發展，薛定諤的貓還延伸出了平行宇宙等物理問題和哲學爭議。

影響及意義：量子力學作為20世紀最有突破的科學成就之一，也是最具爭議的科學之一。「薛定諤的貓」很好的闡述了這一現狀。人們不能接受量子力學是因為它的不確定性。對於傳統的物理學來說，只要找到了事物之間相關的聯系，就能在每時每刻確定，事物之間相關的物理數據，比如說，物體運行距離等於物體的速度乘以物體運行的時間，只要知道物體的速度，你每時每刻都能計算出物體運行了多遠，然而海森堡提出的量子不確定性原理使得你無法預知一個微觀粒子未來的狀態。正如愛因斯坦所說的：上帝不玩骰子，但是量子力學讓我們不得不相信，上帝似乎是玩骰子的。