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1、量子力学简史如果说要评选20世纪人类社会最重要的事件，那么既不是两次世 界大战，也不是人类登上太空，而是量子力学的出现和发展。因为量 子力学，人类制造出毁灭性的核武器，彻底改变了世界军事格局；制 造出清洁高效的核电站，不仅解决了部分国家的能源短缺问题，还给 航空母舰和潜艇长久赋能；制造出晶体管，让功能强大的电脑可以放 在办公桌上，甚至还可以装进背包里；制造出微芯片，让手机变成微 型电脑，为21世纪移动互联网时代埋下伏笔；制造出核磁共振仪，让 医生“长出”一双透视眼，准确地诊断疾病.有人估计，量子科学转 化出来的技术成果，几乎贡献了全球三分之二的经济。量子力学是现代物理学的理论基础之一，是研究微
2、观粒子运动规 律的科学。随着量子力学的发展，人们对物质的结构及其相互作用的 见解，发生了革命性的变化，使人们对物质世界的认识从宏观层次跨 进了微观层次。量子力学描述微观世界的奇异现象，颠覆了人类的经 验常识，引发了一场观念革命。【能量“量子化”假说】1900年，普朗克由黑体辐射的研究提出能量“量子化”假说，成功 地解决了“紫外灾难”导致的物理学危机。普朗克指出，辐射过程不是 连续的，而是以最小的能量一份一份地放射出来。这个最小能量单位 叫能量子，简称量子。“量子化”假说虽然成功地解决了黑体辐射难题，但普朗克坚持认 为，这个假说仅仅是一种数学手段，不是自然的真实情况。随后的一系列实验表明，普朗克
3、公式与实验结果完全一致，科学家逐 渐接受了这一假说。量子假说对量子论的发展起到了开创性的作用。【“光量子”假说】1905年，爱因斯坦受到普朗克的启发，提出“光量子”假说，成功 地解释了光电效应。“光量子”假说给出了光子的能量、动量与辐射的 频率和波长的关系，为后人制造太阳能发电设备提供了准确的科学依 据。随后，爱因斯坦又提出“固体的振动能量也是量子化”的观点，很 好地解释了低温下固体的比热问题。爱因斯坦提出“光量子”假说后，波尔第一个跳出来投了一张反对 票。波尔认为，如果光既是粒子又是波，那么一个系统就需要两套理 论来解释，太不美丽了。“光量子”假说，在1922年被康普顿X射线光谱实验证，波尔
4、等科 学家，最终接受了 “光量子”假说。光电效应被成功地解释了，科学家开始意识到光同时具有波和粒 子的双重性质。【原子结构的量子化假说】1911年，卢瑟福根据a粒子散射实验，提出了原子结构的行星模 型。原子结构的行星模型认为，就像行星围绕太阳旋转那样，电子也 围绕着原子核旋转。但是根据经典电磁理论，电子在绕核运动的过程中，会辐射出电 磁波而逐渐损失能量，螺旋般坍缩到原子核里。这与实际情况不符， 卢瑟福的原子结构行星模型很快破产。1913年，玻尔在卢瑟福模型的基础上，提出了电子在核外的量子 化轨道，认为电子没有固定的运动轨道，只有随机出现的轨域。波尔 原子模型解决了原子结构的稳定性问题。随后，波
5、尔描绘出了一套完 整的原子结构学说。1914年，夫兰克和赫兹用电子轰击汞蒸汽，实验结果显示汞原子 内确实存在能量为4.9eV的量子态。1920年，夫兰克和赫兹又继续改进实验装置，发现了汞原子内部 更多的量子态，有力地证实了玻尔模型的正确性。从此以后，以玻尔的量子原子论为基础，物质的光、电、磁及其他诸多化学性质，都得到了很好的解释。【波粒二象性假说】1924年底，德布罗意在“光量子”假说的基础上，提出“物质波”假 说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也应当具有干涉和衍射等波动现象。随后，科学家通过电子衍射实验，证实了电子确实存在波动现象。所有的物质都具有“波粒二象性”，
6、这个大胆的假设轰动了整个学 术界。粒子与波是完全不同的两种物质形态，按照经典物理的观点， 二者根本不可能融合在一起。但爱因斯坦十分赞赏地说道：“一幅巨大 帷幕的一角卷起来了。 ”所有的亚原子粒子，不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可 以部分地用波的术语来描述。“粒子”与“波”的经典概念，失去了完全描述微观粒子运动规律的能力。波尔正是基于这样的认识，提出来著 名的“互补性原理”。【矩阵力学】1925年，海森堡发表了矩阵力学理论，认为人不能够确定某时刻 电子在空间的位置，也不能在轨道上跟踪它。马克斯玻恩将它与爱因 斯坦抛弃绝对时空观念相媲美。狄拉克在研究过海森堡的理论与经典理论之间的本质区别后，
7、于1927年发表了量子代数学一文，使矩阵力学理论体系更加严密。1925年，泡利提出了电子自旋的概念；狄拉克得出了电子具有磁 矩的结论，并提出了符合狭义相对论要求的电子量子论，开创了相对 论波动力学的研究。1928年，狄拉克仅仅凭借数学运算，就预言到了正电子的存在。1932年，安德森等科学家发现了正电子，证实了狄拉克的预言。自第一个反粒子发现之后，物理学家们逐渐认识到，一切粒子都 有反粒子，它与粒子具有相同的质量、寿命和自旋，具有相反的电荷 和磁矩。【波动力学】1926年，薛定谔沿着另一条途径，建立了量子力学的又一种数学 形式：波动力学。薛定谔的物质波运动方程，提供了系统和定量处理原子结构问题
8、的理论。除了物质的磁性及其相对论效应之外，它在原则上能解释所 有原子现象，是原子物理学中应用最广泛的公式。薛定谔方程在量子力学中的地位，与牛顿运动方程在经典力学中 的地位相似。【不确定性原理】1927年，海森堡第一次提出了 “不确定关系”，指出在同一时刻以 相同的精度测定粒子的位置与动量是不可能的，只能从中精确确定两 者之一。从此，“不确定关系”也成为了量子力学一个基本原理。从波粒二象性到波动力学，再到相对论波动方程；从矩阵力学到 不确定性原理、不相容原理和互补性原理，哥本哈根学派建立起了一 套完整的量子力学体系。波动力学和矩阵力学的统一，使量子力学理 论构建成功。量子力学的新概念和新理论，深
9、度影响着其它相关学科。在量子 力学的影响下，固体物理、生物物理、物理化学、核物理、天体物理 等学科，都取得了革命性的进展。由于参与人数众多、跨越时间漫长、理论争议巨大，量子力学的 发展历史，可谓惊心动魄。量子力学给自然科学带来的冲击之大与变革之深，使得它成为一 门极其独特的学科。量子力学发端于欧洲那片“沃土 ，与欧洲深厚底蕴的自然哲学和 繁荣发展的纯数学直接相关。数学思维加上对自然属性的哲学思考， 直接影响到物理能力的开发。此外，宽松的教育体制、频繁的学术交 流、严谨的学风传承、纯真的对话激辩、真挚的师生情谊等良好环境， 都有利于量子科学的繁荣发展。量子力学的诞生，引发了一系列的技术革命，包括核能、计算机、 材料学、信息技术等领域，完全深入到我们生活的每一个角落。仅就科技成果而言，量子力学可以说是一门非常成功的理论。
科普走廊：量子力学简史
