量子理论发展史

量子理论发展史

20世纪初，Planck提出了能在全波段与观测结果符合的黑体辐射能量密度随频率分布的公式，即Planck公式。要从理论上导出Planck公式，需假定物体吸收或发射电磁辐射，只能以“量子”（quantum）的方式进行，每个“量子”的ε.由于能量不连续的概念在经典力学中是完全不容许的，所以尽管这能量为hv

=

个假设能堆到出与实际观测极为符合的Planck公式，在相当长的时间内量子假设并未受到重视。

Einstein在用量子假设说明光电效应问题时提出了光量子概念，他认为辐射场就是由光量子组成，采用光量子概念后光电效应中的疑难迎刃而解。Einstein 和P.J.W.Debye进一步把能量不连续的概念应用于固体中原子的振动，成功解释了温度趋于零时固体比热容趋于零的现象。至此，物理学家们才开始重视能量不连续的概念，并用它来解决经典物理学中的其它疑难问题。比较突出的是原子结构与原子光谱的问题。

1896年，汤姆生提出原子结构的葡萄干面包模型，即正电荷均匀分布于原子中，电子以某种规则排列镶嵌其中。1911年，卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了原子的有核模型:原子的正电荷及几乎全部质量集中于原子中心很小的区域，形成原子核，电子围绕原子核旋转。有核模型可以很好解释α粒子的大角度散射实验，但引来了两大问题：（1）原子的大小问题。在经典物理框架中思考卢瑟福的有核模型，找不到一个合理的特征长度。（2）原子的稳定性问题。电子围绕原子核的加速旋转运动。按照经典电动力学，电子将不断辐射能量而减速，轨道半径不断缩小，最后掉到原子核上，原子随之塌缩。但现实世界表明，原子稳定地存在于自然界。矛盾就这样尖锐地摆在面前，亟待解决。

此时，丹麦年轻的物理学家玻尔来到卢瑟福的的实验室，他深深为此矛盾吸引，在分析了这些矛盾后，玻尔深刻认识到原子世界必须背离经典电动力学。玻尔把作用量子h（quantum of action）引进卢瑟福模型，提出原子的量子论：一是原子的具有离散能量的定态概念，一是两个定态之间的量子跃迁概念和频率条件。[4]然而，玻尔理论应用到简单程度仅次于氢原子的氦原子时，结果与实验不符。对微观粒子的运动规律的探索显得紧迫。为了达到这个目的，1924年德布罗意在光有波粒二象性的启示下，提出了微观粒子也具有波粒二象性的假说。[5]提出了德布罗意关系，按照德布罗意关系，与自由粒子联系的波是一个平面波。1927年，戴维孙和革末的电子衍射实验证明了德布罗意假说的正确性。

量子力学理论在1923—1927年间建立起来。微观粒子的量子态用波函数来描述，Schrodinger 方程表示微观粒子波函数随时间变化的规律。海森堡的矩阵

力学能够成功解决谐振子、转子、氢原子等的分立能级以及光谱线的频率和强度等问题，引起物理学界的重视，但在当时，人们对矩阵代数很陌生，一时很难接受矩阵力学。不久，薛定谔的波动力学也提出来了，波动力学中出现的是人们熟悉的二阶偏微分方程，求解分立能级的问题变成求解在一定边界条件下的本征值问题。物理学家因此感到特别欣慰。之后，薛定谔证明了矩阵力学与波动力学的等价性。矩阵力学与波动力学彼此等价，人们统称之为量子力学。Schrodinger 方程在量子力学中的地位如同Newton 方程在经典力学中的地位。

量子力学成功阐明原子结构问题，而且打通了理解尺度较大的分子和固体、液体和气体物理，以及更小尺度的原子核物理的道路。量子力学提出后的短短几年中的一系列发现，标志着物理学史上一个空前成就的时期。辉煌的成就令人欢欣鼓舞，但是，关于量子力学的诠释及其适用范围，却出现了激烈的争论。

玻恩通过对散射实验中粒子的角分布的分析，提出波函数的统计解释，指出描写粒子的波是概率波。Einstein反对对波函数的统计解释，他认为“上帝是不会抛骰子的”，他倾向决定论性的描述。薛定谔也反对对波函数的统计解释，他认为波函数本身代表一个实在的物理上的可观测量，一个粒子可想象为一个物质波包。Heisenberg提出的不确定关系给出了在微观世界中应用经典粒子的坐标和动量概念是应受到的限制。

量子力学是反映微观粒子运动规律的理论，它是在20世纪20年代建立的。量子力学的出现，使人类对于物质微观结构的认识日益深入，从而掌握物质的物理和化学性质，并将将其应用在高科技产业上。量子理论孕育了一门新兴学科，即量子信息论。量子信息论涉及量子计算、量子密码学、量子远程传态等等。西方发达国家在量子计算机方面投入大量的人力和物力，使得量子计算机这一领域得到迅速发展。例如，激光器、半导体芯片和计算机、电视、电子通讯、电子显微镜、核磁共振成像、核能发电等等。由量子理论带来的一系列高科技产业为人类带来巨大的生产值。可以说没有量子力学和相对论的建立，就没有人类的现代文明。

回顾量子力学的发展史，在它的创始阶段，我国处于帝国主义列强侵略和军阀混战的贫穷落后时期，生活水平低下，科学研究落后。新中国成立后，经历了十年文革，又失去了很多发展科技的良机。改革开放后，经济水平取得了持续稳定的发展，为科学研究提供了经济条件，加上国家开始实施科教兴国战略，使得我们国家的科学研究具有了前所未有的发展条件。

量子力学的建立和发展是一个艰难却迅速的过程，这期间有很大物理学家对量子力学的建立和发展做出贡献，例如：爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩等等。每一个理论与现实的矛盾都吸引着优秀的物理学家们对科学的

孜孜探索，在探索过程中不同的观点相互碰撞，摩擦出新的智慧的火花。量子力学为人类文明带来新的特殊贡献，这些现有的成就不应该也不可能封闭人类对自然界认识的道路。

量子力学发展到今天已有一个世纪的时间，然而，量子力学仍然是一门还在发展中的学科。除了量子信息论领域之外，量子力学正逐步渗透到生命科学领域，其前景实在难以预测。尽管如此，物理学家们仍然认为，迄今为止所有的实验都肯定了量子力学的正确性，只能表明它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并不是绝对真理。对于物质存在的形式和运动规律的认识，未来也许还有更根本性的变革。