關(guān)于量子力學(xué)發(fā)展簡史論文
摘要：量子理論是在普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難，引入能量子概念的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，愛因斯坦提出光量子假說、運(yùn)用能量子概念使量子理論得到進(jìn)一步發(fā)展。玻爾、德布羅意、薛定諤、玻恩、狄拉克等人為解決量子理論遇到的困難，進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作，先后提出電子自旋概念，創(chuàng)立矩陣力學(xué)、波動(dòng)力學(xué)，詮釋波函數(shù)進(jìn)行物理以及提出測(cè)不準(zhǔn)原理和互補(bǔ)原理。終于在1925年到1928年形成了完整的量子力學(xué)理論，與愛因斯坦的相對(duì)論并肩形成現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論支柱。
關(guān)鍵詞：量子力學(xué)；量子理論；矩陣力學(xué)；波動(dòng)力學(xué)；測(cè)不準(zhǔn)原理
量子力學(xué)揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)，光的吸收與輻射等等方面。從1900年到1913年量子論的早期提出，到經(jīng)過許多科學(xué)家如玻恩、海森伯、玻爾等人的努力詮釋，量子力學(xué)得到了進(jìn)一步發(fā)展。后來遭到愛因斯坦和薛定諤等人的批評(píng)，他們不同意對(duì)方提出的波函數(shù)的幾率解釋、測(cè)不準(zhǔn)原理和互補(bǔ)原理。雙方展開了一場長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的論戰(zhàn)，至今尚未結(jié)束。
一、量子論的早期
1 普朗克的能量子假設(shè)
普朗克在黑體輻射的維恩公式和瑞利公式之間尋求協(xié)調(diào)統(tǒng)一，找到了與實(shí)際結(jié)果符合極好的內(nèi)插公式，迫使他致力于從理論上推導(dǎo)這一新定律。但是，他經(jīng)過幾個(gè)月的緊張努力也沒能從力學(xué)的普遍理論直接推出新的輻射定律。最后只好用玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)方法來試一試。他根據(jù)黑體輻射的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出普適常數(shù)，后來人們稱這個(gè)常數(shù)為普朗克常數(shù)，也就是普朗克所謂的“作用量子”，而把能量元稱為能量子。
2光電效應(yīng)的研究
普朗克的出能量子假說具有劃時(shí)代的意義，但是，不論是他本人還是同時(shí)代人當(dāng)時(shí)對(duì)這一點(diǎn)都沒有充分認(rèn)識(shí)。愛因斯坦最早明確地認(rèn)識(shí)到，普朗克的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志了物理學(xué)的新紀(jì)元.1905年，愛因斯坦在其論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》中，發(fā)展了普朗克的量子假說，提出了光量子概念，并應(yīng)用到光的發(fā)射和轉(zhuǎn)化上，很好地解釋了光電效應(yīng)等現(xiàn)象。在那篇論文中，愛因斯坦總結(jié)了光學(xué)發(fā)展中微粒說和波動(dòng)說長期爭論的歷史，提示了經(jīng)典理論的困境，提出只要把光的能量看成不是連續(xù)的，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解釋。與此同時(shí)，他還大膽地提出了光電方程，當(dāng)時(shí)還沒有足夠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來支持他的理論，因此，愛因斯坦稱之為“試探性觀點(diǎn)”。但他的光量子理論并沒有及時(shí)地得到人們的理解和支持，直到1916年，美國物理學(xué)家密立根對(duì)愛因斯坦的光電方程作出了全面的驗(yàn)證，光量子理論才開始得到人們的承認(rèn)。
3 固體比熱的研究
1906年，愛因斯坦將普朗克的量子假說應(yīng)用于固體比熱，解釋了固體比熱的溫度特性并且得到定量結(jié)果。然而，這一次跟光電效應(yīng)一樣，也未引起物理界的注意。不過，比熱問題很快就得到了能斯特的低溫實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。量子理論應(yīng)用于比熱問題獲得成功，引起了人們的關(guān)注，有些物理學(xué)家相繼投入這方面的研究。在這樣的形式下，能斯特積極活動(dòng)，得到比利時(shí)化學(xué)工業(yè)巨頭索爾威的資助，促使有歷史意義的第一屆索爾威國際物理會(huì)議的召開，討論的主題就是《輻射理論和量子》，這次會(huì)議在宣傳量子理論上起了很好的作用。
4量子假說運(yùn)用于原子模型
哈斯是奧地利的一位年表物理學(xué)家，他在研究黑體輻射時(shí)很早就注意到了量子論。湯姆生專門討論原子結(jié)構(gòu)的書《電與物質(zhì)》和維恩的文章促使他運(yùn)用量子公式來闡述原子結(jié)構(gòu)，這是將量子假說運(yùn)用于原子結(jié)構(gòu)的最初嘗試。
丹麥人玻爾堅(jiān)信盧瑟福的有核原子模型學(xué)說，為了證實(shí)其正確性，玻爾利用量子假說來解決原子的穩(wěn)定性問題。要描述原子現(xiàn)象，就必須對(duì)經(jīng)典概念進(jìn)行一番徹底的改造，因?yàn)橐恢鹿J(rèn)的經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)并不適于描述原子規(guī)模的系統(tǒng)行為。1913年，玻爾在他的第二篇論文中以角動(dòng)量量子化條件作為出發(fā)點(diǎn)來處理氫原子的狀態(tài)問題，得到能量、角頻率和軌道半徑的量子方程�？梢姡柕膶�(duì)應(yīng)原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地應(yīng)用于原子模型理論。玻爾的原子理論完滿地解釋了氫光譜的巴耳末公式；從他的理論推算，各基本常數(shù)如e、m、h和R（里德伯常數(shù)）之間取得了定量的協(xié)調(diào)。他闡明了光譜的發(fā)射和吸收，并且成功地解釋了元素的周期表，使量子理論取得了重大的進(jìn)展。
二 量子力學(xué)的建立與發(fā)展
1德布羅意假說 2電子自旋概念的提出 半年后，荷蘭著名物理學(xué)家埃倫費(fèi)斯特的兩個(gè)學(xué)生在不知道克羅尼格工作的情況下提出了同樣的想法，并寫成論文發(fā)表了。這得到了海森伯的贊同，不過，如何解釋雙線公式中多出的因子
2，一時(shí)還得不到解答。玻爾試圖從相對(duì)論推出雙線公式，但仍然沒有結(jié)果。終于，在1926年，在哥本哈根研究所工作的英國物理學(xué)家托馬斯才解決了這個(gè)問題。這樣一來，電子自旋的概念很快被物理學(xué)界普遍接受。
3矩陣力學(xué)的創(chuàng)立
集正是線性代數(shù)中的矩陣，此后，海森伯的新理論就叫《矩陣力學(xué)》。
玻恩著手運(yùn)用矩陣方法為新理論建立一套嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。與數(shù)學(xué)家約丹聯(lián)名發(fā)表了
《論量子力學(xué)》一文，首次給矩陣力學(xué)以嚴(yán)格的表述。接著，玻恩、約丹、海森伯三人合作，系統(tǒng)地論述了本征值問題、定態(tài)微擾和含時(shí)間的定態(tài)微擾，導(dǎo)出了動(dòng)量和角動(dòng)量守定律，以及強(qiáng)度公式和選擇定則，從而奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。
4波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)立 5波函數(shù)的物理詮釋 6測(cè)不準(zhǔn)原理和互補(bǔ)原理的提出 海森伯在創(chuàng)立矩陣力學(xué)時(shí)，對(duì)形象化的圖象采取否定態(tài)度。但他在表述中仍然需要“坐標(biāo)”、“速度”之類的詞匯，這些詞匯已不再等同于經(jīng)典理論中的那些詞匯。為解釋這些詞匯坐標(biāo)的新物理意義，海森伯抓住云室實(shí)驗(yàn)中觀察電子徑跡的問題進(jìn)行思考。他意識(shí)到電子軌道本身的提法有問題，人們看到的徑跡并不是電子的真正軌道，而是水滴串形成的霧跡，水滴遠(yuǎn)比電子大，所以人們也許只能觀察到一系列電了的不確定的位置，而不是電子工業(yè)的準(zhǔn)確軌道。因此，在量子力學(xué)中，一個(gè)電子只能以一定的不確定性處于某一位置，同時(shí)也只能以一定的不確定性具有某一速度 �？梢园堰@些不確定性限定在最小范圍內(nèi)，但不能等于零。這就是海森伯對(duì)不確定性的最初思考。海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理是通過一些實(shí)驗(yàn)來論證的，他還通過對(duì)確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的分析得出結(jié)論：能量的準(zhǔn)確測(cè)定如何，只有靠相應(yīng)的'對(duì)時(shí)間的測(cè)不準(zhǔn)量才能得到。
海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理得到了玻爾的支持，但玻爾不同意他的推理方式，認(rèn)為他建立測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系所用的基本概念有問題。于是提出了互補(bǔ)原理。他指出，平常大家總認(rèn)為可以不必干涉所研究的對(duì)象，就可以觀測(cè)該對(duì)象，但從量子理論看來卻不可能，因?yàn)閷?duì)原子體系的作何觀測(cè)，都將涉及所觀測(cè)的對(duì)象在觀測(cè)過程中已經(jīng)有所改變，因此不可能有單一的定義，平常所謂的因果性不復(fù)存在。對(duì)經(jīng)典理論來說互相排斥的不同性質(zhì)在量子理論中卻成了互相補(bǔ)充的一些側(cè)面。波粒二象性正是互補(bǔ)性的一個(gè)重要表現(xiàn)。其他量子力學(xué)結(jié)論也可從這里得到解釋。
三 關(guān)于量子力學(xué)完備性的爭論
玻恩、海森伯等人提出了量子力學(xué)的詮釋之后，遭到了愛因斯坦和薛定諤等人的批評(píng)，他們不同意對(duì)方提出的波函數(shù)的幾率解釋、測(cè)不準(zhǔn)原理和互補(bǔ)原理，雙方展開了一場長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的大論戰(zhàn)，許多理論物理學(xué)家、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和哲學(xué)家卷入了這場論戰(zhàn)，至今還未告結(jié)束。
正是由于以愛因斯坦為代表的EPR一派和以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派的長期爭論，才使得量子力學(xué)越來越完備，很多問題得到了系統(tǒng)性的研究。
1965年，貝爾在定域隱參量理論的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)著名的關(guān)系，人稱貝爾不等式，于是有可能對(duì)隱參量理論進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，從而判斷哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的解釋是否正確。從70年代開始，各國物理學(xué)家先后完成了十幾項(xiàng)檢驗(yàn)貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)大多數(shù)都明顯地違反了貝爾不等式，而與量子力學(xué)理論預(yù)言的相符。但也不能就此對(duì)愛因斯坦和玻爾的爭論作出最后裁決。目前這場論戰(zhàn)還在進(jìn)行之中，沒有得出最后的結(jié)論。
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