有量子力学发展史谈一谈物理学研究方法

量子力学理论体系的发展，从二十世纪初开始，经历了半个多世纪，积累了十二项诺贝尔物理学奖的成果才形成的。

德国物理学家普朗克因发现能量子而对物理学的发展做出杰出贡献，荣获1918 年度诺贝尔物理学奖。他 1895 年开始研究热辐射问题，1900 年普朗克在德国物理学会年会上宣读了《关于正常光谱的能量分布定律》的论文。他指出能量在辐射过程中不是连续的，而是如一股股的涓流似的被释放。这股涓流就是量子，而量子的能量只决定于频率 v，即 E=hv，h = ×10 −34 J ⋅ S，h 为作用量子，后人称之为普朗克常数，作用量子在物理学中是一种崭新的、前所未闻的事物，它要求从根本上修改我们自从牛顿和莱布尼兹在一切因果关系的连续性基础上创立了微积分以来的全部物理概念。真正认识量子论的价值并大大开拓其应用疆界的是爱因斯坦，1905 年提出光量子的概念，成功地解释了光电效应，1913 年玻尔在此基础上又提出了原子结构的量子理论，揭示了原子光谱之谜。于是普朗克的量子理论，标志着一个新的、广阔的物理学科——量子力学的诞生。

德国物理学家爱因斯坦，因发现了光电效应而获 1921 年度诺贝尔73物理学奖，1905 年爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，他推广普朗克把能量子的不连续性局限在辐射和吸收过程中，认为光在传播过程中能量也是不连续的，每个光子都有一定的能量，对于频率为 v 的光，其光子能量为 E=hv。光电效应是由于金属中的自由电子吸收了光子能量而从金属中逸出而发生的。这样，爱因斯坦用光量子理论成功地解释了光电效应，并确定了其规律。爱因斯坦光量子理论的重要意义，是使对光的本性认识推进了一大步，历时三个多世纪的波动说和微粒说的争论，被爱因斯坦的光的波粒二象性论点所代替，并为以后其他的微观粒子的波粒二象性的观点打下了坚实的基础。必须指出爱因斯坦对物理学的贡献不仅仅只是正确解释光电效应一方面，他所创立的狭义相对论、广义相对论等是他对人类科学最大的划时代贡献。只是当时决定授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖的时候，他的相对论还未被所有科学家承认，物理学界还存在着激烈的争论和巨大的分歧，因此评委会有意回避了相对论的贡献，只是他对理论物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的规律而授予他这项荣誉奖励。

丹麦物理学家玻尔因研究原子结构及原子辐射获 1922 年度诺贝尔物理学奖。

1913 年玻尔以《论原子和分子结构》为题，连续发表了3篇论文，指出原子系统的每个变化只能从一个稳定态完全跃迁到另一个稳定态。稳定态原子不发生辐射，只有在两个稳定态之间跃迁才产生电磁辐射。并由下面关系决定 E E hv ′′−′ = ，式中 E′、E′′是原子发生辐射过程的始、末稳定态的能量值。玻尔理论提供了一个动态的原子结构的轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系，指出了光谱分析是研究原子结构的重要途径，从而推动了物质结构理论的发展，玻尔原子理论也是从经典理论转向量子理论的一个重要的开端和过渡，为量子力学的诞生提供了条件。玻尔的理论，被 1914 年弗兰克和赫兹的实验证实，原子确实是跃迁式地改变自己的状态。他提出的氢原子结构理论和氢光谱理论，奠定了原子物理学的基础，对量子论和量子力学的发展起了重要作用，玻尔成为 20 世纪与爱因斯坦齐名的物理学家。德国物理学家弗兰克和赫兹因发现电子和原子碰撞规律，共同荣获741925 年诺贝尔物理学奖，1914 年（玻尔理论发表的第二年），弗兰克和赫兹在实验中用电子与原子相互碰撞的方法，首次证明了原子中确有能级分布，即原子内部确实有不连续的定态能级分布状态存在，进而还证明了这些能级和辐射之间的关系，为以后的量子力学的建立打下了实验

基础。

1923 年美国物理学家康普顿对电子和光子散射过程实验研究成果（称为康普顿效应），使爱因斯坦于 1916 年新提出的理论，即在电磁辐射同物质相互作用时，每个光子在传递一份能量 E=hv 的同时，还传递一份大小为chvP = 的动量（式中 c 为光速），得到了实验证实，还证实了散射波长的变化，使人们对光子的波粒二象的认识的达到了新的深度。康普顿和英国威耳孙因发现了用蒸汽凝聚观察带电粒子轨迹的方法，2 人共同获 1927 年度诺贝尔物理学奖。法国物理学家德布罗意发现电子、原子等实物粒子也具有波粒二象性，获 1929 年度诺贝尔物理学奖。德布罗意在 1923 年接连发表数篇论文，阐述了它关于波动和粒子统一的观点，1924 年 11 月他把以前发表的论文要点汇集成一篇题为《量子理论的研究》论文，交给巴黎大学理工学院，申请博士学位、论文分别寄给了爱因斯坦、薜定谔、德拜等人，爱因斯坦在科学上有着超人的美学素养，看过德布罗意的论文后，他称赞说：“德布罗意的工作给我留下了深刻印象，一幅巨大帷幕

的一角卷起来了。”爱因斯坦看出，德布罗意的工作不仅是与自己的光量子理论的简单类比，这种物质波还包含了玻尔、索米菲的量子规律非常卓越的几何解释。由于爱因斯坦的推荐，物质波的理论一下子又引起了物理学界的广泛关注。1925 年美国物理学家戴维孙和英国物理学家用电子衍射实验，证明了德布罗意理论的正确性。德布罗意提出物质波的概念和理论后，1926 年薜定谔在物质波的基础上加以数学论证，提出了著名的薜定谔波动方程。

美国物理学家戴维孙和英国物理学家汤姆逊二人因在实验上发现晶体对电子的衍射而共获 1937 年度诺贝尔物理学奖，他们在实验中发75现的电子束射到晶体上时产生的衍射和干涉现象，在本质上扩大了人们对电子本性的认识，为德布罗意的物质波动性提供了第一个肯定的实验证据。他们的方法和研究，为科学提供了一种研究物质结构的极其重要的新工具，这种新的研究方法在物理学和化学的应用领域中，取得了许多重要的新成果。以上各成就对微观物质的波粒二象性的量子力学理论建立了系统的成果，于是量子力学理论体系的完整的数学描述的研究也随之发展起来。

德国物理学家海森伯，因创立量子力学并发现氢的同素异形体获1932 年度诺贝尔物理学奖。海森伯利用矩阵数学，将发射光谱线的频率、强度和极化三者联系起来，提出了微观粒子的不可观察量，即位置、动量等可由以上三者经过一定矩阵运算法则表示出来，从而找到了解释微观物理基本过程的最主要的表达方式。海森伯就这样利用矩阵代数，建立起了量子力学的理论体系——矩阵力学。1925 年他将其研究结果写成《论运动学和力学关系的量子解释》的论文发表，标志着量子力学的正式创立。玻恩、约尔丹和狄喇克进一步把上述的数学系统发展成协调和实用的理论。海森伯和其他物理学家用矩阵力学研究了原子、分子的光谱特性，得到的结果与实验一致。奥地利物理学家薜定谔和英国物理学家狄喇克因创立原子理论的新形式，两人共同分享了 1933 年度诺贝尔物理学奖。薜定谔沿着爱因斯坦——德布罗意开辟的道路，在深入研究物质波动性的基础上，成功地建立了原子和分子内部运动的新的力学体系，于 1926 年在《物理年鉴》上以一组 4 篇形式的论文发表了他的研究成果，创立了波动力学，并用该理论解决了原子物理学的许多问题，为研究原子和分子在不同外部条件下具有的性质提供了简单的方法，对物理学的发展起了巨大作用。薜定谔注意到海森伯矩阵力学