光子范文10篇

【教材】全日制普通高级中学教科书·物理第三册(必修加选修)第二十二章第一节。

【教学时间】一课时。

【教学目标】

1.知识与技能

●了解并识别光电效应现象。

●能表述光电效应现象的规律。

教材全日制普通高级中学教科书·物理第三册(必修加选修)第二十二章第一节。

教学时间一课时。

教学目标

1.知识与技能

了解并识别光电效应现象。

能表述光电效应现象的规律。

一、驳宇宙大爆炸假说

当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，可以发现绝大多数星系光谱都存在红移或蓝移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。根据多普勒效应：星系光谱存在红移说明星系正离我们远去，星系光谱存在蓝移说明星系正向着我们运动。需要指出的是越远的星系红移值也越大，看起来所有的星系都好象以银河系为中心向外爆炸形成的一样，越远的星系离开我们的速度也越大。鉴于此有人提出宇宙大爆炸假说：认为宇宙是由150亿年前发生的一次大爆炸形成的，人类居住的银河系则是宇宙的中心。可是人们在观测银河系和河外星系时，却并没有发现银河系有什么特别之处。有人据此怀疑宇宙大爆炸假说；也有人从星系的演化推算出宇宙的年龄大于150亿年；还有人认为若宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙辐射在各个方向上就会表现出各向异性；更有人担心宇宙的膨胀没有尽头，遂认为宇宙的膨胀和收缩是交替进行的……。但不管怎样，大部分人还是相信“眼见为实”，由星系光谱的红移现象承认了宇宙大爆炸假说。更有人把红移现象与宇宙背景辐射和宇宙元素丰度并作宇宙大爆炸假说的三大支柱。那么宇宙是否发生过爆炸并仍在向外扩张，年龄是否只有150亿年呢？非也！

1．星系光谱红移原因

20世纪初，当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，发现绝大多数星系光谱都有红移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。有人认为星系光谱红移是因为星系正在离我们远去，从而得出这样的结论：所有的星系都是以我们银河系为中心向外爆炸后形成的，越远的星系离开我们的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分离，并且越远的星系相互分离的速度越大。值得一提的是，我们银河系正处在爆炸中心，足以值得我们自豪的是：银河系是宇宙中独一无二的星系—因为它是宇宙的中心。更让我们惊奇的是，银河系自身也在不断运动着，然而无论它运动到哪里，它始终是银河系的中心。我们解释不了银河系为什么是宇宙的中心，因为银河系也和其它星系一样，并沒有什么特别之处。有人以为，银河系处于宇宙的中心是一个巧合，虽然银河系从上个世纪至今一直在不断运动，但它走过的距离和整个宇宙空间的尺寸比起来是微不足道的，所以银河系目前仍然处在宇宙的中心，这种看法未免有些牵强。因为人们在观测近处的星系时，发现近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系正在以某一个中心为起点向外膨胀。因此“银河中心说”颇值得怀疑。还有的人虽然承认宇宙大爆炸假说，但不承认“银河中心说”，他们不认为银河系是宇宙的中心。这种观点同样也是站不住脚的。我们可以这样分析：如果宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙大爆炸假说是错误的。

前事不忘，后事之师。人类文明发展到今天，“地心说”和“日心说”都被证明是为科学，难道我们还要重蹈覆辙提出“银河中心说”吗？愚以为，我们应当承认这样一个假设，那就是：银河系按目前的速度运动下去，100万年，100亿年以后，我们仍然会发现自己处在宇宙的“中心”，无论我们处在宇宙的任何地方，中心也好，边缘也好，我们都会发现宇宙中越远的星系光谱红移值也越大，就好象我们处在宇宙的“中心”一样。事实上，这个“中心”是光子在宇宙空间中的传播特性引起我们视觉上的错误，“眼见”未必“为实”，我们不能过分相信“眼见”的东西。

红移现象是否由观测者自身的运动引起的呢？不是的！如果红移现象是由观测者自身的运动引起的，那么我们将观测到与我们相向运动的星系光谱将发生蓝移而与我们相背运动的星系光谱将发生红移，然而事实并非如此。再者，虽然我们“坐地日行八万里”，但这个速度和光速比起来实在算不了什么，不至于影响观测结果。换句话说，我们在观测星系红移值时，观测者自身运动速度的影响可以忽略不计。红移现象说明光子与观察者之间的相对速度变小了。产生这种情况有两种可能：第一是星系正离我们远去，第二是光子在穿越宇宙空间时速度变小了。这两种情况都可能导致星系光谱红移。我们认为导致星系光谱红移的原因是后者。光子在穿越宇宙空间时会与各种粒子(比如引力子)相互作用从而使其速度逐渐减小。当然单个粒子与光子作用时间极短，引起光子速度的改变量也是极其微小的，以致于我们观测不到。随着光子穿越宇宙空间距离的增大，与光子作用的粒子数目也逐渐增多，光子速度的减小量也越明显。可以推测：光子在穿越一定的宇宙空间距离后速度将减小到零。由于光子速度为零故相对我们的能量也为零，这样的光子当然不会被我们观测到。可见用光学法观测宇宙空间尺度时有一个极限：150亿光年(也有人认为是200亿光年)。在这个尺度以外的星系发出的光子由于在没有到达地球时速度已经降低到零，所以这样的星系不可能被我们观测到，至少目前还没有办法观测到。也有人认为，红移现象是由光子频率减小引起的，即认同第一种可能：认为星系正离我们远去。这种观点听起来很有道理，却经不起分析。我们知道，星系离我们远去时会引起光子频率减小，但各种不同频率光子的频率减小量应该相同，反应在星系光谱上，各种不同频率光子的红移量应该相同。因此，不论星系离我们多远，星系光谱虽然发生红移但不应该变宽，但事实上远处星系光谱却被拉宽了（星系光谱不会变宽是指星系光谱中任意两条谱线的距离恒定，虽然它们都发生了红移，但它们移动的距离相等，因此各谱线之间的距离不变）。而且能量越小的光子红移值越大，能量越大的光子红移值越小。不同频率光子的频率减小量不同，说明红移现象不是由光子频率减小引起的。即第一种可能站不住脚。假设宇宙中所有的星系都是静止的，宇宙空间中的物质是均匀分布的，那么光子穿越宇宙空间时的速度衰减量仅与其通过的空间距离有关。光子穿越的宇宙空间越长，其速度衰减量也越大。这样星系光谱的红移值仅与其离我们的距离有关，离我们越远的星系红移值也越大，就好象越远的星系正在以越快的速度离开我们一样。这也正是哈勃定律所揭示的：星系远离银河系的速度ν与距离成正比，ν=H*D，其中H为哈勃常数。实际上宇宙中各星系都在不断运动着，宇宙空间中的物质也并非均匀分布的，造成星系光谱红移的原因也很多，所以光谱的实际红移值要考虑许多情况。

一、驳宇宙大爆炸假说

当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，可以发现绝大多数星系光谱都存在红移或蓝移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。根据多普勒效应：星系光谱存在红移说明星系正离我们远去，星系光谱存在蓝移说明星系正向着我们运动。需要指出的是越远的星系红移值也越大，看起来所有的星系都好象以银河系为中心向外爆炸形成的一样，越远的星系离开我们的速度也越大。鉴于此有人提出宇宙大爆炸假说：认为宇宙是由150亿年前发生的一次大爆炸形成的，人类居住的银河系则是宇宙的中心。可是人们在观测银河系和河外星系时，却并没有发现银河系有什么特别之处。有人据此怀疑宇宙大爆炸假说；也有人从星系的演化推算出宇宙的年龄大于150亿年；还有人认为若宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙辐射在各个方向上就会表现出各向异性；更有人担心宇宙的膨胀没有尽头，遂认为宇宙的膨胀和收缩是交替进行的……。但不管怎样，大部分人还是相信“眼见为实”，由星系光谱的红移现象承认了宇宙大爆炸假说。更有人把红移现象与宇宙背景辐射和宇宙元素丰度并作宇宙大爆炸假说的三大支柱。那么宇宙是否发生过爆炸并仍在向外扩张，年龄是否只有150亿年呢？非也！

1．星系光谱红移原因

20世纪初，当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，发现绝大多数星系光谱都有红移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。有人认为星系光谱红移是因为星系正在离我们远去，从而得出这样的结论：所有的星系都是以我们银河系为中心向外爆炸后形成的，越远的星系离开我们的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分离，并且越远的星系相互分离的速度越大。值得一提的是，我们银河系正处在爆炸中心，足以值得我们自豪的是：银河系是宇宙中独一无二的星系—因为它是宇宙的中心。更让我们惊奇的是，银河系自身也在不断运动着，然而无论它运动到哪里，它始终是银河系的中心。我们解释不了银河系为什么是宇宙的中心，因为银河系也和其它星系一样，并沒有什么特别之处。有人以为，银河系处于宇宙的中心是一个巧合，虽然银河系从上个世纪至今一直在不断运动，但它走过的距离和整个宇宙空间的尺寸比起来是微不足道的，所以银河系目前仍然处在宇宙的中心，这种看法未免有些牵强。因为人们在观测近处的星系时，发现近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系正在以某一个中心为起点向外膨胀。因此“银河中心说”颇值得怀疑。还有的人虽然承认宇宙大爆炸假说，但不承认“银河中心说”，他们不认为银河系是宇宙的中心。这种观点同样也是站不住脚的。我们可以这样分析：如果宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙大爆炸假说是错误的。

前事不忘，后事之师。人类文明发展到今天，“地心说”和“日心说”都被证明是为科学，难道我们还要重蹈覆辙提出“银河中心说”吗？愚以为，我们应当承认这样一个假设，那就是：银河系按目前的速度运动下去，100万年，100亿年以后，我们仍然会发现自己处在宇宙的“中心”，无论我们处在宇宙的任何地方，中心也好，边缘也好，我们都会发现宇宙中越远的星系光谱红移值也越大，就好象我们处在宇宙的“中心”一样。事实上，这个“中心”是光子在宇宙空间中的传播特性引起我们视觉上的错误，“眼见”未必“为实”，我们不能过分相信“眼见”的东西。

红移现象是否由观测者自身的运动引起的呢？不是的！如果红移现象是由观测者自身的运动引起的，那么我们将观测到与我们相向运动的星系光谱将发生蓝移而与我们相背运动的星系光谱将发生红移，然而事实并非如此。再者，虽然我们“坐地日行八万里”，但这个速度和光速比起来实在算不了什么，不至于影响观测结果。换句话说，我们在观测星系红移值时，观测者自身运动速度的影响可以忽略不计。红移现象说明光子与观察者之间的相对速度变小了。产生这种情况有两种可能：第一是星系正离我们远去，第二是光子在穿越宇宙空间时速度变小了。这两种情况都可能导致星系光谱红移。我们认为导致星系光谱红移的原因是后者。光子在穿越宇宙空间时会与各种粒子(比如引力子)相互作用从而使其速度逐渐减小。当然单个粒子与光子作用时间极短，引起光子速度的改变量也是极其微小的，以致于我们观测不到。随着光子穿越宇宙空间距离的增大，与光子作用的粒子数目也逐渐增多，光子速度的减小量也越明显。可以推测：光子在穿越一定的宇宙空间距离后速度将减小到零。由于光子速度为零故相对我们的能量也为零，这样的光子当然不会被我们观测到。可见用光学法观测宇宙空间尺度时有一个极限：150亿光年(也有人认为是200亿光年)。在这个尺度以外的星系发出的光子由于在没有到达地球时速度已经降低到零，所以这样的星系不可能被我们观测到，至少目前还没有办法观测到。也有人认为，红移现象是由光子频率减小引起的，即认同第一种可能：认为星系正离我们远去。这种观点听起来很有道理，却经不起分析。我们知道，星系离我们远去时会引起光子频率减小，但各种不同频率光子的频率减小量应该相同，反应在星系光谱上，各种不同频率光子的红移量应该相同。因此，不论星系离我们多远，星系光谱虽然发生红移但不应该变宽，但事实上远处星系光谱却被拉宽了（星系光谱不会变宽是指星系光谱中任意两条谱线的距离恒定，虽然它们都发生了红移，但它们移动的距离相等，因此各谱线之间的距离不变）。而且能量越小的光子红移值越大，能量越大的光子红移值越小。不同频率光子的频率减小量不同，说明红移现象不是由光子频率减小引起的。即第一种可能站不住脚。假设宇宙中所有的星系都是静止的，宇宙空间中的物质是均匀分布的，那么光子穿越宇宙空间时的速度衰减量仅与其通过的空间距离有关。光子穿越的宇宙空间越长，其速度衰减量也越大。这样星系光谱的红移值仅与其离我们的距离有关，离我们越远的星系红移值也越大，就好象越远的星系正在以越快的速度离开我们一样。这也正是哈勃定律所揭示的：星系远离银河系的速度ν与距离成正比，ν=H*D，其中H为哈勃常数。实际上宇宙中各星系都在不断运动着，宇宙空间中的物质也并非均匀分布的，造成星系光谱红移的原因也很多，所以光谱的实际红移值要考虑许多情况。

一、驳宇宙大爆炸假说

当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，可以发现绝大多数星系光谱都存在红移或蓝移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。根据多普勒效应：星系光谱存在红移说明星系正离我们远去，星系光谱存在蓝移说明星系正向着我们运动。需要指出的是越远的星系红移值也越大，看起来所有的星系都好象以银河系为中心向外爆炸形成的一样，越远的星系离开我们的速度也越大。鉴于此有人提出宇宙大爆炸假说：认为宇宙是由150亿年前发生的一次大爆炸形成的，人类居住的银河系则是宇宙的中心。可是人们在观测银河系和河外星系时，却并没有发现银河系有什么特别之处。有人据此怀疑宇宙大爆炸假说；也有人从星系的演化推算出宇宙的年龄大于150亿年；还有人认为若宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙辐射在各个方向上就会表现出各向异性；更有人担心宇宙的膨胀没有尽头，遂认为宇宙的膨胀和收缩是交替进行的……。但不管怎样，大部分人还是相信“眼见为实”，由星系光谱的红移现象承认了宇宙大爆炸假说。更有人把红移现象与宇宙背景辐射和宇宙元素丰度并作宇宙大爆炸假说的三大支柱。那么宇宙是否发生过爆炸并仍在向外扩张，年龄是否只有150亿年呢？非也！

1．星系光谱红移原因

20世纪初，当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，发现绝大多数星系光谱都有红移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。有人认为星系光谱红移是因为星系正在离我们远去，从而得出这样的结论：所有的星系都是以我们银河系为中心向外爆炸后形成的，越远的星系离开我们的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分离，并且越远的星系相互分离的速度越大。值得一提的是，我们银河系正处在爆炸中心，足以值得我们自豪的是：银河系是宇宙中独一无二的星系—因为它是宇宙的中心。更让我们惊奇的是，银河系自身也在不断运动着，然而无论它运动到哪里，它始终是银河系的中心。我们解释不了银河系为什么是宇宙的中心，因为银河系也和其它星系一样，并沒有什么特别之处。有人以为，银河系处于宇宙的中心是一个巧合，虽然银河系从上个世纪至今一直在不断运动，但它走过的距离和整个宇宙空间的尺寸比起来是微不足道的，所以银河系目前仍然处在宇宙的中心，这种看法未免有些牵强。因为人们在观测近处的星系时，发现近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系正在以某一个中心为起点向外膨胀。因此“银河中心说”颇值得怀疑。还有的人虽然承认宇宙大爆炸假说，但不承认“银河中心说”，他们不认为银河系是宇宙的中心。这种观点同样也是站不住脚的。我们可以这样分析：如果宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙大爆炸假说是错误的。

前事不忘，后事之师。人类文明发展到今天，“地心说”和“日心说”都被证明是为科学，难道我们还要重蹈覆辙提出“银河中心说”吗？愚以为，我们应当承认这样一个假设，那就是：银河系按目前的速度运动下去，100万年，100亿年以后，我们仍然会发现自己处在宇宙的“中心”，无论我们处在宇宙的任何地方，中心也好，边缘也好，我们都会发现宇宙中越远的星系光谱红移值也越大，就好象我们处在宇宙的“中心”一样。事实上，这个“中心”是光子在宇宙空间中的传播特性引起我们视觉上的错误，“眼见”未必“为实”，我们不能过分相信“眼见”的东西。

红移现象是否由观测者自身的运动引起的呢？不是的！如果红移现象是由观测者自身的运动引起的，那么我们将观测到与我们相向运动的星系光谱将发生蓝移而与我们相背运动的星系光谱将发生红移，然而事实并非如此。再者，虽然我们“坐地日行八万里”，但这个速度和光速比起来实在算不了什么，不至于影响观测结果。换句话说，我们在观测星系红移值时，观测者自身运动速度的影响可以忽略不计。红移现象说明光子与观察者之间的相对速度变小了。产生这种情况有两种可能：第一是星系正离我们远去，第二是光子在穿越宇宙空间时速度变小了。这两种情况都可能导致星系光谱红移。我们认为导致星系光谱红移的原因是后者。光子在穿越宇宙空间时会与各种粒子(比如引力子)相互作用从而使其速度逐渐减小。当然单个粒子与光子作用时间极短，引起光子速度的改变量也是极其微小的，以致于我们观测不到。随着光子穿越宇宙空间距离的增大，与光子作用的粒子数目也逐渐增多，光子速度的减小量也越明显。可以推测：光子在穿越一定的宇宙空间距离后速度将减小到零。由于光子速度为零故相对我们的能量也为零，这样的光子当然不会被我们观测到。可见用光学法观测宇宙空间尺度时有一个极限：150亿光年(也有人认为是200亿光年)。在这个尺度以外的星系发出的光子由于在没有到达地球时速度已经降低到零，所以这样的星系不可能被我们观测到，至少目前还没有办法观测到。也有人认为，红移现象是由光子频率减小引起的，即认同第一种可能：认为星系正离我们远去。这种观点听起来很有道理，却经不起分析。我们知道，星系离我们远去时会引起光子频率减小，但各种不同频率光子的频率减小量应该相同，反应在星系光谱上，各种不同频率光子的红移量应该相同。因此，不论星系离我们多远，星系光谱虽然发生红移但不应该变宽，但事实上远处星系光谱却被拉宽了（星系光谱不会变宽是指星系光谱中任意两条谱线的距离恒定，虽然它们都发生了红移，但它们移动的距离相等，因此各谱线之间的距离不变）。而且能量越小的光子红移值越大，能量越大的光子红移值越小。不同频率光子的频率减小量不同，说明红移现象不是由光子频率减小引起的。即第一种可能站不住脚。假设宇宙中所有的星系都是静止的，宇宙空间中的物质是均匀分布的，那么光子穿越宇宙空间时的速度衰减量仅与其通过的空间距离有关。光子穿越的宇宙空间越长，其速度衰减量也越大。这样星系光谱的红移值仅与其离我们的距离有关，离我们越远的星系红移值也越大，就好象越远的星系正在以越快的速度离开我们一样。这也正是哈勃定律所揭示的：星系远离银河系的速度ν与距离成正比，ν=H*D，其中H为哈勃常数。实际上宇宙中各星系都在不断运动着，宇宙空间中的物质也并非均匀分布的，造成星系光谱红移的原因也很多，所以光谱的实际红移值要考虑许多情况。

一、驳宇宙大爆炸假说

当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，可以发现绝大多数星系光谱都存在红移或蓝移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。根据多普勒效应：星系光谱存在红移说明星系正离我们远去，星系光谱存在蓝移说明星系正向着我们运动。需要指出的是越远的星系红移值也越大，看起来所有的星系都好象以银河系为中心向外爆炸形成的一样，越远的星系离开我们的速度也越大。鉴于此有人提出宇宙大爆炸假说：认为宇宙是由150亿年前发生的一次大爆炸形成的，人类居住的银河系则是宇宙的中心。可是人们在观测银河系和河外星系时，却并没有发现银河系有什么特别之处。有人据此怀疑宇宙大爆炸假说；也有人从星系的演化推算出宇宙的年龄大于150亿年；还有人认为若宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙辐射在各个方向上就会表现出各向异性；更有人担心宇宙的膨胀没有尽头，遂认为宇宙的膨胀和收缩是交替进行的……。但不管怎样，大部分人还是相信“眼见为实”，由星系光谱的红移现象承认了宇宙大爆炸假说。更有人把红移现象与宇宙背景辐射和宇宙元素丰度并作宇宙大爆炸假说的三大支柱。那么宇宙是否发生过爆炸并仍在向外扩张，年龄是否只有150亿年呢？非也！

1．星系光谱红移原因

20世纪初，当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，发现绝大多数星系光谱都有红移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。有人认为星系光谱红移是因为星系正在离我们远去，从而得出这样的结论：所有的星系都是以我们银河系为中心向外爆炸后形成的，越远的星系离开我们的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分离，并且越远的星系相互分离的速度越大。值得一提的是，我们银河系正处在爆炸中心，足以值得我们自豪的是：银河系是宇宙中独一无二的星系—因为它是宇宙的中心。更让我们惊奇的是，银河系自身也在不断运动着，然而无论它运动到哪里，它始终是银河系的中心。我们解释不了银河系为什么是宇宙的中心，因为银河系也和其它星系一样，并沒有什么特别之处。有人以为，银河系处于宇宙的中心是一个巧合，虽然银河系从上个世纪至今一直在不断运动，但它走过的距离和整个宇宙空间的尺寸比起来是微不足道的，所以银河系目前仍然处在宇宙的中心，这种看法未免有些牵强。因为人们在观测近处的星系时，发现近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系正在以某一个中心为起点向外膨胀。因此“银河中心说”颇值得怀疑。还有的人虽然承认宇宙大爆炸假说，但不承认“银河中心说”，他们不认为银河系是宇宙的中心。这种观点同样也是站不住脚的。我们可以这样分析：如果宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙大爆炸假说是错误的。

前事不忘，后事之师。人类文明发展到今天，“地心说”和“日心说”都被证明是为科学，难道我们还要重蹈覆辙提出“银河中心说”吗？愚以为，我们应当承认这样一个假设，那就是：银河系按目前的速度运动下去，100万年，100亿年以后，我们仍然会发现自己处在宇宙的“中心”，无论我们处在宇宙的任何地方，中心也好，边缘也好，我们都会发现宇宙中越远的星系光谱红移值也越大，就好象我们处在宇宙的“中心”一样。事实上，这个“中心”是光子在宇宙空间中的传播特性引起我们视觉上的错误，“眼见”未必“为实”，我们不能过分相信“眼见”的东西。

红移现象是否由观测者自身的运动引起的呢？不是的！如果红移现象是由观测者自身的运动引起的，那么我们将观测到与我们相向运动的星系光谱将发生蓝移而与我们相背运动的星系光谱将发生红移，然而事实并非如此。再者，虽然我们“坐地日行八万里”，但这个速度和光速比起来实在算不了什么，不至于影响观测结果。换句话说，我们在观测星系红移值时，观测者自身运动速度的影响可以忽略不计。红移现象说明光子与观察者之间的相对速度变小了。产生这种情况有两种可能：第一是星系正离我们远去，第二是光子在穿越宇宙空间时速度变小了。这两种情况都可能导致星系光谱红移。我们认为导致星系光谱红移的原因是后者。光子在穿越宇宙空间时会与各种粒子(比如引力子)相互作用从而使其速度逐渐减小。当然单个粒子与光子作用时间极短，引起光子速度的改变量也是极其微小的，以致于我们观测不到。随着光子穿越宇宙空间距离的增大，与光子作用的粒子数目也逐渐增多，光子速度的减小量也越明显。可以推测：光子在穿越一定的宇宙空间距离后速度将减小到零。由于光子速度为零故相对我们的能量也为零，这样的光子当然不会被我们观测到。可见用光学法观测宇宙空间尺度时有一个极限：150亿光年(也有人认为是200亿光年)。在这个尺度以外的星系发出的光子由于在没有到达地球时速度已经降低到零，所以这样的星系不可能被我们观测到，至少目前还没有办法观测到。也有人认为，红移现象是由光子频率减小引起的，即认同第一种可能：认为星系正离我们远去。这种观点听起来很有道理，却经不起分析。我们知道，星系离我们远去时会引起光子频率减小，但各种不同频率光子的频率减小量应该相同，反应在星系光谱上，各种不同频率光子的红移量应该相同。因此，不论星系离我们多远，星系光谱虽然发生红移但不应该变宽，但事实上远处星系光谱却被拉宽了（星系光谱不会变宽是指星系光谱中任意两条谱线的距离恒定，虽然它们都发生了红移，但它们移动的距离相等，因此各谱线之间的距离不变）。而且能量越小的光子红移值越大，能量越大的光子红移值越小。不同频率光子的频率减小量不同，说明红移现象不是由光子频率减小引起的。即第一种可能站不住脚。假设宇宙中所有的星系都是静止的，宇宙空间中的物质是均匀分布的，那么光子穿越宇宙空间时的速度衰减量仅与其通过的空间距离有关。光子穿越的宇宙空间越长，其速度衰减量也越大。这样星系光谱的红移值仅与其离我们的距离有关，离我们越远的星系红移值也越大，就好象越远的星系正在以越快的速度离开我们一样。这也正是哈勃定律所揭示的：星系远离银河系的速度ν与距离成正比，ν=H*D，其中H为哈勃常数。实际上宇宙中各星系都在不断运动着，宇宙空间中的物质也并非均匀分布的，造成星系光谱红移的原因也很多，所以光谱的实际红移值要考虑许多情况。

文章摘要：对于光的本性的认识，几个世纪以来始终存在着激烈的争论，光的波粒二象性是两种学说相互妥协的结果。在解释一些现象如干涉和衍射时，人们就用波动说去解释，而对另一些现象如光电效应就用微粒说去说明。这种既是微粒又是波的存在在观念上确实叫人们不容易接受，其原因是到现在为止还没有一种理论能很好地把波动和微粒统一在一个模式下。本文正是从这样一种出发点来探讨光的本性。

假设有一个光源S1，在S1前放置一块屏幕，从S1发出的光（光子）会将整个屏幕均匀的照亮。我们知道，屏幕的亮度是与落在屏幕上面的光子数的多少有关的。严格地说，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光线与屏幕的交点为中心向四周逐渐变暗的。但这种变化决不是几率问题。证明如下：把S1放在一个半径为R1的球的中心，假设S1在单位时间里发射出N个光子，则单位球面积上所接受的光子数等于光子数N除以球的总面积4πR12，如果把球的半径由R1变为R2（R2＞R1），则在单位球面积上所接受的光子数就变为N除以4πR22，由于R2大于R1，所以半径为R1的球在单位球面积上接受的光子数大于R2球单位面积上的光子数。这就是为什么屏幕上的亮度是由明到暗逐渐变化的原因。当屏幕距光源的距离很大且屏幕的面积又很小时，就可以近似的认为屏幕上的光子是均匀分布的。

现在把另一个相干光源S2放在靠近S1的地方，情况有了变化。在垂直两个光源的平面上出现了明暗相间的圆环，而在平行两个光源的平面上，则出现了明暗相间的条纹见图一，这就是人们所说的光的干涉条纹。因为干涉现象是波动的最主要特征，所以这也就成了光具有波动性的最有力证据之一。我们知道机械波是振动在媒质中的传播，当有两列相干波源存在时，媒质中任意一点的振动是两列波各自到达这一点时波的叠加。当到达这一点的两列波的相位相同时，则在这一点上的振幅最大，如果两列波的相位相差1800时，则振动的振幅相互抵消，这样就形成了有规则的干涉条纹。经典光学正是套用机械波的方法证明光的干涉条纹的，而传播光的媒质以太已被证明是根本不存在的，这样用机械波的方法证明光的干涉条纹也就显得比较牵强。量子力学在解释干涉条纹时则采用的是几率波的方法，认为亮的地方是光子出现几率多的地方，暗的地方则是光子出现几率少的地方。问题是当只有一个光源时，光子是均匀分布在屏幕上的，而当存在另一个相干光源时，按照量子理论光子就会集中出现在一些地方而不去另一些地方，几率的解释是不能使人心悦诚服地接受的。爱因斯坦曾用上帝不掷骰子来表达他对用几率描述单个粒子行为的厌恶。这就是目前对于光的干涉现象的两种正统解释方法。我们对于光本性的认识是否还存在其它我们没有考虑到的因素，是否还存在其它的证明方法来统一光的波粒二象性即用一种理论解释来解释波动性和粒子性呢？

为了找到这种新的理论，在此我们不得不在现有光量子理论基础上进行一些必要的修正即单个光量子的能量是变化的，光子的能量和质量是相互转化的，转化的频率就是光的频率。频率快光子的能量大质量小，相反，频率慢则光子的能量小质量大，这样光子在空间所走的路程就形成了一条类波的轨迹。在论证光的干涉现象之前，我们先对光源进行定义。单频率点光源---频率单一且所有光子在离开光源时的状态（相位）都相同。单频率点光源具有这样两个特点，其一在距光源某一点的空间位置上，光子的状态不随时间变化。其二光子的状态随距点光源的距离作周期变化。光的波长指的是光子在一个周期的时间内在空间运行的距离。

我们在x轴上设置两个点光源S1和S2，如图一所示。令P为垂直平面上的一点，从P点到S1和S2的光程差PS1-PS2为波长的某个正数倍ml（m=±1，2，3，…）。从S1和S2出发的两列光子，将同相地达到P点，状态相同。再令Q为垂直平面上的另一点，从Q到S1和S2的光程差也为ml。过P和Q点做一条曲线，使得这曲线上所有过XO的垂直平面内的点的轨迹都具有这样的性质，即这条曲线上任意一点到S1和S2的距离之差为常数，根据解析几何我们知道，这曲线是一条双曲线。如果我们设想这一双曲线以直线XO为轴旋转，则它将扫出一个曲面，叫做双曲面。我们看到，在这曲面上的任意一点，来自S1和S2的光子始终都是同相位的（相位差保持不变），光子在曲面上的每一点的状态是一定的，沿曲面上的点的状态是周期变化的。由于光的波长很短，光子沿曲面的这种周期变化是不容易被观测到。

同理，我们令T为垂直平面上的另一点（图中未画出），从T点到S1和S2的光程差TS1-TS2为波长的l/2×（2m+1）倍（m=±1，2，3，…）。从S1和S2出发的两列光子，将以1800的相位差达到T点。再令V为垂直平面上的另一点（图中未画出），从V到S1和S2的光程差也为道长l/2×（2m+1）倍。过T和V做一条曲线使这曲线上任一点到两定点S1和S2的距离之差为常数，这曲线也是一条双曲线，以XO为轴旋转同样将扫出一双曲面。所不同的是来自S1和S2的光子到达这曲面上的任意一点的相位差始终为1800，叠加后的最终状态是一个恒定的值。

一、驳宇宙大爆炸假说

当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，可以发现绝大多数星系光谱都存在红移或蓝移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。根据多普勒效应：星系光谱存在红移说明星系正离我们远去，星系光谱存在蓝移说明星系正向着我们运动。需要指出的是越远的星系红移值也越大，看起来所有的星系都好象以银河系为中心向外爆炸形成的一样，越远的星系离开我们的速度也越大。鉴于此有人提出宇宙大爆炸假说：认为宇宙是由150亿年前发生的一次大爆炸形成的，人类居住的银河系则是宇宙的中心。可是人们在观测银河系和河外星系时，却并没有发现银河系有什么特别之处。有人据此怀疑宇宙大爆炸假说；也有人从星系的演化推算出宇宙的年龄大于150亿年；还有人认为若宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙辐射在各个方向上就会表现出各向异性；更有人担心宇宙的膨胀没有尽头，遂认为宇宙的膨胀和收缩是交替进行的……。但不管怎样，大部分人还是相信“眼见为实”，由星系光谱的红移现象承认了宇宙大爆炸假说。更有人把红移现象与宇宙背景辐射和宇宙元素丰度并作宇宙大爆炸假说的三大支柱。那么宇宙是否发生过爆炸并仍在向外扩张，年龄是否只有150亿年呢？非也！

1．星系光谱红移原因

20世纪初，当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，发现绝大多数星系光谱都有红移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。有人认为星系光谱红移是因为星系正在离我们远去，从而得出这样的结论：所有的星系都是以我们银河系为中心向外爆炸后形成的，越远的星系离开我们的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分离，并且越远的星系相互分离的速度越大。值得一提的是，我们银河系正处在爆炸中心，足以值得我们自豪的是：银河系是宇宙中独一无二的星系—因为它是宇宙的中心。更让我们惊奇的是，银河系自身也在不断运动着，然而无论它运动到哪里，它始终是银河系的中心。我们解释不了银河系为什么是宇宙的中心，因为银河系也和其它星系一样，并沒有什么特别之处。有人以为，银河系处于宇宙的中心是一个巧合，虽然银河系从上个世纪至今一直在不断运动，但它走过的距离和整个宇宙空间的尺寸比起来是微不足道的，所以银河系目前仍然处在宇宙的中心，这种看法未免有些牵强。因为人们在观测近处的星系时，发现近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系正在以某一个中心为起点向外膨胀。因此“银河中心说”颇值得怀疑。还有的人虽然承认宇宙大爆炸假说，但不承认“银河中心说”，他们不认为银河系是宇宙的中心。这种观点同样也是站不住脚的。我们可以这样分析：如果宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙大爆炸假说是错误的。

前事不忘，后事之师。人类文明发展到今天，“地心说”和“日心说”都被证明是为科学，难道我们还要重蹈覆辙提出“银河中心说”吗？愚以为，我们应当承认这样一个假设，那就是：银河系按目前的速度运动下去，100万年，100亿年以后，我们仍然会发现自己处在宇宙的“中心”，无论我们处在宇宙的任何地方，中心也好，边缘也好，我们都会发现宇宙中越远的星系光谱红移值也越大，就好象我们处在宇宙的“中心”一样。事实上，这个“中心”是光子在宇宙空间中的传播特性引起我们视觉上的错误，“眼见”未必“为实”，我们不能过分相信“眼见”的东西。

红移现象是否由观测者自身的运动引起的呢？不是的！如果红移现象是由观测者自身的运动引起的，那么我们将观测到与我们相向运动的星系光谱将发生蓝移而与我们相背运动的星系光谱将发生红移，然而事实并非如此。再者，虽然我们“坐地日行八万里”，但这个速度和光速比起来实在算不了什么，不至于影响观测结果。换句话说，我们在观测星系红移值时，观测者自身运动速度的影响可以忽略不计。红移现象说明光子与观察者之间的相对速度变小了。产生这种情况有两种可能：第一是星系正离我们远去，第二是光子在穿越宇宙空间时速度变小了。这两种情况都可能导致星系光谱红移。我们认为导致星系光谱红移的原因是后者。光子在穿越宇宙空间时会与各种粒子(比如引力子)相互作用从而使其速度逐渐减小。当然单个粒子与光子作用时间极短，引起光子速度的改变量也是极其微小的，以致于我们观测不到。随着光子穿越宇宙空间距离的增大，与光子作用的粒子数目也逐渐增多，光子速度的减小量也越明显。可以推测：光子在穿越一定的宇宙空间距离后速度将减小到零。由于光子速度为零故相对我们的能量也为零，这样的光子当然不会被我们观测到。可见用光学法观测宇宙空间尺度时有一个极限：150亿光年(也有人认为是200亿光年)。在这个尺度以外的星系发出的光子由于在没有到达地球时速度已经降低到零，所以这样的星系不可能被我们观测到，至少目前还没有办法观测到。也有人认为，红移现象是由光子频率减小引起的，即认同第一种可能：认为星系正离我们远去。这种观点听起来很有道理，却经不起分析。我们知道，星系离我们远去时会引起光子频率减小，但各种不同频率光子的频率减小量应该相同，反应在星系光谱上，各种不同频率光子的红移量应该相同。因此，不论星系离我们多远，星系光谱虽然发生红移但不应该变宽，但事实上远处星系光谱却被拉宽了（星系光谱不会变宽是指星系光谱中任意两条谱线的距离恒定，虽然它们都发生了红移，但它们移动的距离相等，因此各谱线之间的距离不变）。而且能量越小的光子红移值越大，能量越大的光子红移值越小。不同频率光子的频率减小量不同，说明红移现象不是由光子频率减小引起的。即第一种可能站不住脚。假设宇宙中所有的星系都是静止的，宇宙空间中的物质是均匀分布的，那么光子穿越宇宙空间时的速度衰减量仅与其通过的空间距离有关。光子穿越的宇宙空间越长，其速度衰减量也越大。这样星系光谱的红移值仅与其离我们的距离有关，离我们越远的星系红移值也越大，就好象越远的星系正在以越快的速度离?颐且谎U庖舱枪伤沂镜模盒窍翟独胍酉档乃俣圈陀刖嗬氤烧龋?H*D，其中H为哈勃常数。实际上宇宙中各星系都在不断运动着，宇宙空间中的物质也并非均匀分布的，造成星系光谱红移的原因也很多，所以光谱的实际红移值要考虑许多情况。

摘要文章介绍了中国科学技术大学的量子信息科学研究是如何兴起和发展的；着重介绍了在量子信息的基础理论、量子密码、量子纠缠、量子隐形传态、量子处理器和量子信息的应用等方面所取得的研究成果.

关键词量子信息，量子纠缠，量子通信，量子计算

1引言

上世纪80年代，正当电子计算机按每18个月运行速度翻一番的摩尔定律而蓬勃发展之际，物理学家就杞人忧天地问：摩尔定律是否会终结？他们的研究结论是：摩尔定律必然会失效，而量子计算机可望成为后摩尔时代的新型计算工具.当时信息领域的科学家们对此并不予理会和关注，因为其时摩尔定律正处于辉煌的顶盛时期.然而，物理学家们仍然孜孜不倦地努力，终于诞生了量子信息这门新兴交叉学科.

1994年,Shor提出量子并行算法［1］，并证明可用来实现大数因子分解，从而轻易地攻破目前广泛使用的RSA公开密码体系，这门新兴学科的巨大威力震惊了整个国际学术界，并引起政界、军界和商界的极大关注，从此量子信息科学便迎来迅猛发展的新时期，迄今方兴未艾！

我们在上世纪90年代量子信息刚刚在国际上悄然兴起之际就投入到这个新兴领域的研究行列之中，并于1997年和1998年先后在《Phys.Rev.Lett.》上提出“量子避错编码原理”和“量子概率克隆原理”，引起国际学术界的高度重视.1999年，中国科学院开始在我校创建国内第一个从事量子信息研究的量子信息重点实验室，这个极富有前瞻性的战略部署开辟了我校量子信息研究的新局面.在此之前，自我回国归来所组建的研究小组只有一台电脑，我们坐着冷板凳，默默耕耘了15年之久.2001年作为首席科学家单位，我校承担了科技部“国家重点基础研究发展计划”项目（“973”项目）：“量子通信与量子信息技术”，这个由国内17个单位50多位学术骨干组成的研究团队不仅取得一系列重要成果，而且培养出许多杰出的年青学术骨干，在其后国家重点基础研究计划“量子调控”的实施中由此研究团队衍生出5位首席科学家.

文章摘要：对于光的本性的认识，几个世纪以来始终存在着激烈的争论，光的波粒二象性是两种学说相互妥协的结果。在解释一些现象如干涉和衍射时，人们就用波动说去解释，而对另一些现象如光电效应就用微粒说去说明。这种既是微粒又是波的存在在观念上确实叫人们不容易接受，其原因是到现在为止还没有一种理论能很好地把波动和微粒统一在一个模式下。本文正是从这样一种出发点来探讨光的本性。

假设有一个光源S1，在S1前放置一块屏幕，从S1发出的光（光子）会将整个屏幕均匀的照亮。我们知道，屏幕的亮度是与落在屏幕上面的光子数的多少有关的。严格地说，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光线与屏幕的交点为中心向四周逐渐变暗的。但这种变化决不是几率问题。证明如下：把S1放在一个半径为R1的球的中心，假设S1在单位时间里发射出N个光子，则单位球面积上所接受的光子数等于光子数N除以球的总面积4πR12，如果把球的半径由R1变为R2（R2＞R1），则在单位球面积上所接受的光子数就变为N除以4πR22，由于R2大于R1，所以半径为R1的球在单位球面积上接受的光子数大于R2球单位面积上的光子数。这就是为什么屏幕上的亮度是由明到暗逐渐变化的原因。当屏幕距光源的距离很大且屏幕的面积又很小时，就可以近似的认为屏幕上的光子是均匀分布的。

现在把另一个相干光源S2放在靠近S1的地方，情况有了变化。在垂直两个光源的平面上出现了明暗相间的圆环，而在平行两个光源的平面上，则出现了明暗相间的条纹见图一，这就是人们所说的光的干涉条纹。因为干涉现象是波动的最主要特征，所以这也就成了光具有波动性的最有力证据之一。我们知道机械波是振动在媒质中的传播，当有两列相干波源存在时，媒质中任意一点的振动是两列波各自到达这一点时波的叠加。当到达这一点的两列波的相位相同时，则在这一点上的振幅最大，如果两列波的相位相差1800时，则振动的振幅相互抵消，这样就形成了有规则的干涉条纹。经典光学正是套用机械波的方法证明光的干涉条纹的，而传播光的媒质以太已被证明是根本不存在的，这样用机械波的方法证明光的干涉条纹也就显得比较牵强。量子力学在解释干涉条纹时则采用的是几率波的方法，认为亮的地方是光子出现几率多的地方，暗的地方则是光子出现几率少的地方。问题是当只有一个光源时，光子是均匀分布在屏幕上的，而当存在另一个相干光源时，按照量子理论光子就会集中出现在一些地方而不去另一些地方，几率的解释是不能使人心悦诚服地接受的。爱因斯坦曾用上帝不掷骰子来表达他对用几率描述单个粒子行为的厌恶。这就是目前对于光的干涉现象的两种正统解释方法。我们对于光本性的认识是否还存在其它我们没有考虑到的因素，是否还存在其它的证明方法来统一光的波粒二象性即用一种理论解释来解释波动性和粒子性呢？

为了找到这种新的理论，在此我们不得不在现有光量子理论基础上进行一些必要的修正即单个光量子的能量是变化的，光子的能量和质量是相互转化的，转化的频率就是光的频率。频率快光子的能量大质量小，相反，频率慢则光子的能量小质量大，这样光子在空间所走的路程就形成了一条类波的轨迹。在论证光的干涉现象之前，我们先对光源进行定义。单频率点光源---频率单一且所有光子在离开光源时的状态（相位）都相同。单频率点光源具有这样两个特点，其一在距光源某一点的空间位置上，光子的状态不随时间变化。其二光子的状态随距点光源的距离作周期变化。光的波长指的是光子在一个周期的时间内在空间运行的距离。

我们在x轴上设置两个点光源S1和S2，如图一所示。令P为垂直平面上的一点，从P点到S1和S2的光程差PS1-PS2为波长的某个正数倍ml（m=±1，2，3，…）。从S1和S2出发的两列光子，将同相地达到P点，状态相同。再令Q为垂直平面上的另一点，从Q到S1和S2的光程差也为ml。过P和Q点做一条曲线，使得这曲线上所有过XO的垂直平面内的点的轨迹都具有这样的性质，即这条曲线上任意一点到S1和S2的距离之差为常数，根据解析几何我们知道，这曲线是一条双曲线。如果我们设想这一双曲线以直线XO为轴旋转，则它将扫出一个曲面，叫做双曲面。我们看到，在这曲面上的任意一点，来自S1和S2的光子始终都是同相位的（相位差保持不变），光子在曲面上的每一点的状态是一定的，沿曲面上的点的状态是周期变化的。由于光的波长很短，光子沿曲面的这种周期变化是不容易被观测到。

同理，我们令T为垂直平面上的另一点（图中未画出），从T点到S1和S2的光程差TS1-TS2为波长的l/2×（2m+1）倍（m=±1，2，3，…）。从S1和S2出发的两列光子，将以1800的相位差达到T点。再令V为垂直平面上的另一点（图中未画出），从V到S1和S2的光程差也为道长l/2×（2m+1）倍。过T和V做一条曲线使这曲线上任一点到两定点S1和S2的距离之差为常数，这曲线也是一条双曲线，以XO为轴旋转同样将扫出一双曲面。所不同的是来自S1和S2的光子到达这曲面上的任意一点的相位差始终为1800，叠加后的最终状态是一个恒定的值。