量子力学发展史浅析(可编辑修改word版)

量子力学发展史浅析工程科学（1）班肖玉超摘要本文将以量子力学发展的重大事件与重要人物为主要分析对象，以量子力学发展的时间顺序为线索，对量子力学发展历史进行浅谈并针对量子力学发展过程中“物质的波动性与粒子性”，“随机论与决定论”问题，以及其引申出的EPR 佯谬等问题进行讨论，探究量子力学发展是如何不断自我完善的。

关键词：量子力学波动粒子EPR 佯谬一、风暴前夕量子力学发展中最大的争论——“物质的波动性与粒子性”的起源可以追溯到古希腊时期，古希腊时期对于光的思考与假设已经可以大致的看出其中包含的波动或是粒子的影子。

古希腊时期伟大的哲学家恩培多克勒提出了“四根说”，即世界由土、气、火、水四种根源组成，他提出假设光是从人的眼睛中射出的火焰（古人由于技术条件，光火不分），当火焰到达物体是我们看见了物体。

这不难看出其中包含着光的连续性的影子。

这个假说无法解释我们在黑暗中无法看见其他物体而被推翻。

对于我们如何感知光线的正确解释一直到了罗马时期，学者卢克来修在其著作中指出光线是直接到达眼睛而被人感知的。

在光的传播的一些性质问题上欧几里德对光的反射进行了研究；托勒密、开普勒、哈桑都对光的折射进行了研究；最终费马总结了前人的研究，并将其归结为一个简洁明了的理论——的光程最短法则，物理学的简约美充分得到体现。

此时，光学，作为物理学的一门学科建立了起来。

关于光的本质到底是什么，人们的观点大致可以分为两派，即波动派与粒子派。

波动派从弗朗西斯科·格里马第的光衍射条纹得到支持，认为光是一种依靠介质震动的波，然而光的介质却为人所困惑，因为光可以从遥远的星系传播到这里，其途径并没有我们常见的空气等作为介质，为此，波动说假设空间中有一种名为以太的介质来传递光波的震动。

而粒子派，却从光的严格反射与光总是沿直线传播这两点入手，认为光的本质是一种十分微小的微粒，然而粒子派也有自己的难题，就是两束光交叉的时候为什么没有发生想象当中的物理碰撞而弹开的现象。

十七世纪中叶，由对光的颜色这一问题的讨论引发的关于光本质的大论战开始了，这两个引发世纪论战的学派此时真正地正面对立了起来。

论战一直持续到1704 年，牛顿的著作《光学》的问世宣告了粒子说的暂时胜利，这场论战才谢幕。

论战期间，波动派的代表人物格里马第力图通过实验证明光色的不通是由于其频率不同导致的，胡克重复了格里马第的工作并在《显微术》一书中支持格里马第的理论。

另一代表人物惠更斯，他运用了高超的数学天赋，成功的数学证明了波动的光的折射反射定律，既而证明的牛顿环的问题。

这令波动说大占优势。

牛顿关于光的颜色问题的解释是光是颜色不通的微粒色散，实验证明白光是各种色光的混合，是不通颜色微粒的分开，他在进一步吸收波动说的一些理论，例如周期性与震动，在利用已经成名的牛顿力学，成功的解释了诸多光学问题。

随着《光学》的出版，粒子说走向了那时巅峰。

牛顿的巨大成功，不仅仅因为牛顿的个人的探索，同时也有牛顿吸收对立学派的理论，强化自己的理论的原因。

正如牛顿自己说说：“我能取得成功，因为我站在巨人的肩膀上！”粒子说能运用波动说的理论，反之可不可以呢？这是否意味着波和粒子在对对立的性质在更高的层面上是统一的呢？物理，这本来是客观描述世界规律的学问，为何出现了哲学的影子？1807 年，托马斯·杨在其《自然哲学讲义》一书中提示出双缝干涉实验，实验现象的明暗相间的条纹表明，明亮条纹是光波波峰的叠加，暗条纹收波谷的叠加。

针对这一现象，粒子说完全无法得到一个合理的解释。

雪上加霜的是，在菲涅耳提出光是一种横波的假设，v ≈ 3c成功解决了光的偏振问题，傅克测得水中光速 4 后，更是宣判了粒子说的死刑，似乎没有什么能阻止波动取代粒子，走向了主宰光学的皇位。

然而波动说始终有着“以太为介质”这一个致命的前期假设，在这个假设下，光速要达到299792458m/s，那么他的介质，即以太的将会变得非常坚固甚至比金刚石还要坚固。

对此菲涅耳则假以太是一种刚性粒子，但在空间里却很稀薄。

这样的假设显得牵强、荒谬和怪异。

在辉煌的时候，人们总是下意识的缩小问题的严重性，以太带来的愁云被赫兹验证了麦克斯韦理论的好消息冲散，波动学现在有了麦克斯韦理论的支持，很快就把理论扩展到了电磁波的所有波段。

以太的问题被人们抛到了脑后。

物理学发展到了前所未有的“黄金时代”1，仿佛世间万物的一切问题都可以用物理学进行解释论证。

经典力学，经典电动力学，经典热力学（包括统计力学）如同神界是律法一般统治者万事万物的运行规律。

二、变革的风暴1900，开尔文男爵的演说提到的“两朵乌云”——以太和麦克斯韦-玻耳兹曼能量均分学说，这两朵“乌云”在很长时间为人们所轻视，然而对黑体辐射的研究遇到的困难让科学家不得不直面其中的一朵乌云。

最大的困难就是对黑体辐射的能量分布曲线的公式推导。

维恩推导得出的公式在短波区适用，而瑞利-金斯公式（瑞利推导得出形式，金斯计算出了其中的常数）却仅仅在长波区适用，到了短波时黑体辐射的能量会指数爆炸式的增长，这也就是量子力学史上著名的“紫外灾难”。

量子力学之父普朗克，试图运用纯数学的手法得到一个合理的公式，事实证明他是成功的，普朗克得到的公式和实验数据符合的非常好！c1λ‒ 5ρ =c2eλT‒ 1（普朗克的黑体辐射公式，c1、c2是两个常数）然而他却不知道公式代表的物理意义，为了解释这个公式，普朗克不得不假设能量吸收不是连续的而是分立的。

进而他提出了能量子假说，假说认为能量的传递不是连续的，而是一份一份的传递，所有能量都是一个能量子所具有能量的整数倍，每一个能量子所具有的能量为ε= hν（h 为普朗克常量，ν为频率），这一伟大假说的提出者普朗克自己都不敢相信这一假说，反而努力调和他与经典体系的不合。

普朗克提出量子理论后很长一段时间没有人去理会，对于量子论证实最有力的莫过于对光电效应的解释。

人类首次记录的光电效应现象是赫兹在验证麦克斯韦理论时发现的，他发现有关照射时接收器之间更容易出现放电现象。

之后很多人重复了他的实验，也得到1引用自曹天元《上帝掷骰子吗—量子物理史话》2 与普朗克提出的量子假说了相同的结果。

在实验的很多现象中“很高的光强度却不一定能打出电子，高频率低光照 强度却一定能打出电子”这一现象与“光电效应现象的发生是瞬时的”这一现象完全和人 们常识的不相符，这令科学家倍感困惑与无力。

1095 年，爱因斯坦针对这一现象提出假设， 电子吸收光子的能量不是连续的而是分立的，每一个电子只能吸收一个光子，在引入普朗 克的量子假说后，爱因斯坦提出光量子假说，结合粒子的动量与能量守恒定律提出了光电 效应方程：1mv 2 = ℎν ‒ W理论和实际符合的什么完美，这也解释了为什么光的强度和打出的电子的数量有关，光的频率和能否打出电子与打出电子的出动能有关。

随着康普顿效应的发现，粒子性，这一离开人们视野很长时间的物质属性回来了。

1913 年，尼尔斯·波尔在导师卢瑟福的理论的基础上提出电子轨道量子化理论，成功解决了元素光谱，其理论很好的符合了巴尔末公式: ν = R( 1 ‒ 1 ) 22 n 2在波尔的理论中，电子在能级之间的跃迁是完全量子化的，从一个能及跃迁到另一能级时 是不经历两个能级间的任何状态，也就是类似于瞬间移动的方式。

他的理论在当时绝对是 成功的伟大的，但不久之后疑义就来了，麦克斯韦理论下电子绕着原子核转动仍然会辐射 出电磁波，波尔也只能用对应原理作为补救措施。

虽然波尔的理论后期被证明是不完善的， 但是量子理论的随机性已经有了它淡淡的影子，电子的跃迁与严格的因果关系已经出现了 分歧！科学家对光的本质的纷争仍然在继续，情况并没有好转，随着 1919 年路易斯·德布罗意的论文问世后，战火从光扩散到了电子，全部物质。

德布罗意在博士论文中针对电子大胆的假设，运用质能方程：E = mc 2 E = ℎν，开始计算，他发现电 子以速度v 0运动时有波速为 v=c 2 0 在没有任何信息传递时超越光速不违背相对论1波伴随着，接着进行进一步推导2 mc 2 v mc 2 ℎℎν = mc ⟺ν = ℎ ⟺λ = ℎ ⟺λ = mv这种波我们称之为德布罗意波。

问题变得更加复杂了，电子也是波！甚至所有物质都是波！1 在没有任何信息传递时超越光速不违背相对论更不幸的是戴维孙与他的助手革末用实验证实了物质波正确性，电子衍射实验表明，电子也是波！物理学家试图解释这其中不可调和的矛盾，波是连续的，而粒子则是分立的，一个物体即时连续的又是分立的，这实在是荒谬！正因为他是荒谬的我们才要找出正确的说法， 由于波尔理论的倒台，对于原子谱线的解释再次跳到了人们眼前。

我们在讨论波尔模型的时候我们都犯了一个基础性的错误，原子谱线所代表的是电子 跃迁是放出的光子所对应的能量，我们知道这是两个能级之间的能量差，E 1 ‒ E 2 = ΔE ，然而我们并不知道E 1、E 2两个能级的具体能量，为了应对这一问题，1925 年海森堡引入矩阵， 成功的解释了原子谱线的问题，他将结论寄给导师波恩，得到波恩的高度评价。

波恩，约尔当（波恩的助教），海森堡一同完善了这一开创性工作将矩阵力学扩展到更大的范围，经典力学的理论也涵盖其中。

1925 年 11 月 26 日，《论量子力学Ⅱ》的发表宣告了矩阵力学建立了起来！保罗·狄拉克在看到矩阵之后，运用泊松括号进一步完善了矩阵力学。

同年秋天，古兹密特和乌伦贝克提出自旋理论后，矩阵力学在“塞曼效应”处理再一次获得成功！矩阵力学是从原子谱线入手，用纯数学的手段的新力学，然而其中的物理含义再一次困扰着所有人。

同时，矩阵力学代表的是不连续的，粒子的。

粒子方面的理论问世，波动方面的理论还会远吗？历史规律再一次出现了。

与海森堡等人不同的是，埃尔文·薛定谔并不关心原子谱线，他被德布罗意波迷倒，德布罗意理论中电子运动伴随着物质波这一点令电子的本质模糊不清。

1925 年薛定谔从德布罗意方程入手，结合哈密顿方程，推导出了自己的薛定谔方程，对薛定谔方程的求解中可以得到一连串的不连续的解，这是量子化的特征，原子谱线同样可以从薛定谔方程中推导出来。

薛定谔方程把物理学家从矩阵中解救出来，回到了我们熟悉的微分方程中，他的工作得到了爱因斯坦等人的高度赞扬。

在薛定谔连续四篇论文发表过后，波动力学建立起来了。

海森堡和薛定谔注定如同波动和粒子一般对立，两人都对对方的理论表示出厌恶。

一开始两人的争论是对对方理论的数学表达的争论。

但表面的争论在 1926 年 4 月，当薛定谔、泡利、约尔当各自证明了薛定谔方程和矩阵在数学上是等价不久之后得到了缓解。

然而其 本质上的不同却是无法调和的。

薛定谔代表的是波动派，海森堡代表的是粒子派，双方在击败对方的同时也努力的在自圆其说，然而他们并不知道，他们的争论将引发是另一个争论，一个不亚于波动与粒子的争论。