科學史上,大部分學科都不是一人之力完成的,只是會有一兩個甚至更多的代表,比如微積分,代表就是牛頓和萊布尼茨,但是費馬、笛卡爾、羅伯瓦、笛沙格、巴羅、瓦里士、開普勒、卡瓦列利等知名數學家所提出的理論都為微積分的創立做出了不可磨滅的貢獻。跟微積分一樣,力量力學在20世紀初由普朗克、尼玻爾、海森堡、薛定諤、泡利、德布羅意、玻恩、費米、狄拉克、愛因斯坦、康普頓等一大批物理學家共同創立的。這些人組成的隊伍可以說是物理家最強陣容,自不用說這些人當中大部分都獲得了諾貝爾獎,他們所提出的理論即使不是物理專業的學者們也耳熟能詳,其中有普朗克常數、海森堡測不準原理、薛定諤的貓、德布羅意波等等。愛因斯坦的相對論更是無人不知。量子力學和相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。除通過廣義相對論描寫的引力外,其它所有物理基本相互作用均可以在量子力學的框架內得到理論支持和描畫。

(第五屆索爾維會議,上述科學家很多都能在里面找到)

隨著科學不斷向前地發展,許多現象都讓物理學家們困惑不解,這時候經典的物理學理論已經無法幫助人們揭開這些神秘現象的面紗,經典力學和經典動力學在描述微觀系統時的不足越來越捉襟見肘。在這種情況下量子力學呼之欲出。

19世紀末,人們樂觀地認為物理學的大廈已經建成,剩下的工作就是在小數點后面完善那些業已成型的理論。但這時有了三個創世紀的發現,即X 射線、放射性和電子。另外,還有兩朵漂浮在經典物理學上空的兩朵著名的烏云,分別是邁克耳遜-莫雷實驗與“以太”說破滅和黑體輻射與“紫外災難”。種種跡象和發現表明,經典物理學并不是物理學的盡頭,有一扇神圣的大門等待著開啟。

以上這些就是量子力學建立的背景和前提。

量子力學的建立是一個相對其他學科來說并不算漫長的過程,從1900年開始至今也不過一百多年。在這一百多年,出現了上述因為研究量子力學而被歷史銘記的物理學家們。

導致量子論出現的是一個古典熱力學難題即黑體輻射問題。1900年,世紀之交,普朗克提出了量子假說,假定黑體以hv為單位不連續的發射和接收輻射,計算出了黑體輻射能量分布公式,成功地從理論上解釋了黑體輻射現象。普朗克將最小的不可再分的能量單元稱作“能量子”或“量子”。當年12月14日,他將這一假說報告了德國物理學會,宣告了量子論的誕生。所以有觀點稱普朗克為量子力學的創始人,從這一點來看并不為過。因為他不但提出了“量子”這一概念,還通過學說報告的方法向世人展示了量子論。但遺憾的是,由于量子力學對于傳統的物理學顯得格格不入,不僅當時許多有名望的物理學家對此進行了不遺余力的抨擊,就連提出這一學說的普朗克也有所動搖。這時候物理學界永遠的大V愛因斯坦站了出來。

目光凝重的普朗克

1905年愛因斯坦再下一城,引進光量子的概念,推導出光子的能量、動量與輻射的頻率和波長之間的方程式,解釋了光電效應。愛因斯坦是第一個意識到量子概念的普遍意義,并將其運用到其它問題上的科學家。自牛頓以來,科學家們就對光的微粒說和波動說進行了無休止的爭論,愛因斯坦的量子理論則解決了這個問題:光既有波動性,又有粒子性,既非經典的粒子也非經典的波,這就是光的波粒二象性。主要由于愛因斯坦的所做的貢獻,使得量子理論在提出后的十年蓬勃發展。

一開始,量子力學主要是研究微觀粒子。所以說,當粒子的大小由宏觀過渡到微觀時,它所遵循的規律也由經典力學進化為量子力學。

接下來發力的是玻爾。1913年,玻爾提出了以他命名的玻爾模型,這個模型為原子結構和光譜線,給出了一個理論原理。玻爾認為電子只能在一定能量的軌道上運轉。外層軌道比內層軌道可以容納更多的電子;較外層軌道的電子數決定了元素的化學性質。如果外層軌道的電子落入內層軌道,將釋放出一個帶固定能量的光子。

1924年,玻恩在一篇論文中使用“量子力學”這個詞匯。這也標志著以普朗克、愛因斯坦和玻爾對量子力學所做的研究告一段落,同時開啟了量子力學研究百花齊放的新篇章。

薛定諤的貓

沿著物質波概念繼續前進并創立了波動力學的是奧地利物理學家薛定諤。薛定諤于1925年推出了一個相對論的波動方程。而薛定諤關于一只放在裝有毒氣盒子里的貓是死是活的經典問題也成為量子力學一個著名的假設,在許多科幻小說中都可以見到這只貓的影子。從此,量子力學跟概率和塌縮兩個詞匯結下了不解之緣。

量子力學研究人才輩出,而是越是年輕的科學家越容易提出新鮮的觀點。德國青年物理學家海森堡創立了解決量子波動理論的矩陣方法。在英國,比他年輕一歲的狄拉克改進了矩陣力學的數學形式,使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。

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眾人拾柴助力量子力學建立

圖文簡介

量子力學和相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。