量子力学的发现物理学史论文定稿版

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物理学史教程论文

题目：量子力学的发现

学院：物理工程学院

专业：物理学

姓名：薛建朝

学号：2010220****

量子力学的发现

薛建朝

（郑州大学物理学 2010220****，河南郑州）

摘要：量子力学的建立是物理学发展史上一个举足轻重的阶段，或许是最重要的阶段。在20世纪人类所取得的科学成就中，量子力学成就最大 。量子力学在推动社会和发展和物理理论本身上意义都是十分巨大的。

关键词：量子、不确定性、社会发展、标准模型、宇宙起源

一、量子力学简介

我之所以以“量子力学”为主题，是因为我太不了解它。量子是可以接受的，但不确定性让我从心底感到厌恶，有点像敬仰的爱因斯坦，怀念着经典物理世界的因果律。然而相比

之下，追求真理的信仰是强大的，世界因不确定性的存在变得丰富多彩；而单调是可怕的，让我们的头脑也死气沉沉。

量子力学的出现，从一开始就极富想象力和创造性的，以致于连其创始者——马克斯·普朗克（Max Plank），也很后悔当时提出“量子说”①。普朗克为解释黑体辐射能量密度分布公式，在1900年12月14日的德国物理学会提出：电磁辐射的能量交换是量子化的①，严重冲击了物理学界长期信奉的一切自然过程都是连续的原则，与经典理论格格不入，因而当时物理学界对普朗克的工作反应极为冷淡②。

之后的五年中，没有人对普朗克的能量子加以理会。直到1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）对此作了发展，提出光的量子说，成功解释了光电效应。他假定光的能量也是量子化的，光在空间的传播正想粒子那样运动。这种粒子后来被称为光量子或光子①。但这一理论同样受到广大物理学家的强烈反对，普朗克也认为爱因斯坦的光量子理论“走的太远”②。

1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr）把当时人们持极大怀疑的普朗克、爱因斯坦的量子化，当时无人承认的卢瑟福模型，与表面上毫不相干的、当时属于化学范畴的光谱实验巧妙地结合了起来，解释了近30年之谜——巴尔末氢光谱公式，建立了玻尔模型。玻尔认为，电子在定态轨道上，其角动量是量子化的。

至此，旧量子论基本形成。旧量子论虽然解释了一些现象，但不论在逻辑上还是在对实际问题的处理上，都有严重的缺陷与不足。从普朗克提出量子论的二十余年中，人们始终没有领回它的基本原理。

随后一群为数不多但聪明绝顶的青年物理学家仅用了大约三年时间就在前人基础上创立了描述原子和量子过程的新理论——量子力学。这其中尤其要提到海森伯（Werner Heisenberg）、泡利（Wolfgang Pauli）和薛定谔（Erwin Schrodinger）这三位青年才俊，他们在1928年分别只有27岁、28岁和36岁③。

爱因斯坦在1905年和1917年提出了光子的波粒二象性，并为康普顿实验进一步证明。法国青年路易·德布罗意（Louis Victor de Broglie）视爱因斯坦为偶像，认为：“爱因斯坦的光的波粒二象性乃是遍及整个物理世界的一种绝对普遍现象。”他把光的波粒二象性推广到了所有的物质粒子，从而朝创造量子力学迈开了革命性的一步①。

在1925年至1928年之间，海森伯创建矩阵力学，提出不确定原理；泡利提出泡利不相容原理；薛定谔提出薛定谔方程，并与玻恩建立波动力学。薛定谔还证明矩阵力学和波动力学可以通过数学变换从一种理论转换到另一种理论，。后来人们把矩阵力学和波动力学合在一起，统称为量子力学。

1928年，狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）提出了电子运动的满足相对论不变性的波动方程，将相对论、量子理论和自选这些在之前看来似乎风马牛不相及的概念和谐地综合起来，完成了相对论量子力学的建立②。

二、量子力学发现的意义

量子力学的建立是物理学发展史上一个举足轻重的阶段，或许是最重要的阶段。在20世纪人类所取得的科学成就中，量子力学成就最大③。量子力学在推动社会发展和物理理论本身上意义都是十分巨大的。

1、量子力学在推动社会发展上作用重大

正是利用量子力学这门学科，人们才得以制造出激光器、晶体管、隧道显微镜和移动电话。在当今世界，超过三分之一的国民生产总值源于量子物理学。下面我将简单举例，以说明量子力学在社会生活中的广泛影响。

提到现代生活，我们就不得不提多种多样的电子设备。无论是电脑、手机还是彩电、空调，它们都离不开半导体和晶体管，更广泛的说，它们源于现代固体物理，是以量子力学为基础的。我们的生活正步入智能化，不仅是工作、娱乐，以慢慢延伸至洗衣、做饭、洗澡等生活的方方面面。

激光的应用也已深入到生产、通讯、军事、生活的许多方面。早在1917年，爱因斯坦就提出受激发射的概念；至1960年，激光器才被研制出来，并因此产生多项诺贝尔奖。现在也有激光切割、激光通讯、激光武器、激光打印机等多种激光产品。

在能源方面，可以借助光电效应研制太阳能电池。太阳能电池的发电方式有两种：一种是光-热-电，另一种是光-电。后一种可利用半导体光电二极管将光能直接转变成电能，当多个电池串联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能方阵。太阳能是新型清洁能源，现已从军事、航天领域进入工业、农业、家用、公共设施等方面 。

另外，扫描隧道显微镜、量子计算机在科学研究要求日益苛刻的情况下起到重要作用；量子通信、量子密码等技术也在迅速推广。

由于文章篇幅所限，只能罗列量子力学在生活、生产、能源、科研等方面的应用。相信在21世纪，量子力学的成果将深入到社会生活的更多方面。

2、量子力学对物理理论的影响

量子物理学是一门以分子、原子和原子核为研究对象的学科③。但量子力学对物理理论的贡献并不局限于其研究领域，对天文学、基本粒子物理学都有重要作用。而且量子力学和相对论的出现引起了统一理论的思考，推动着我们对世界真相的认识。

（1）量子力学在其研究领域的成果

量子力学首先打破了经典物理学的束缚，向我们揭示了一个量子化的、不确定的、有激发态的世界。物理学中的许多现象，例如原子、分子和原子核的大小以及原子和原子核的化学键或稳定性，都无法在经典力学的框架内得到理解，但量子力学让我们搞明白了这些现象③。

不仅如此，海森伯和泡利还将领子力学和相对论结合在一起，提出了相对论性量子场论。量子电动力学详细描述了垫子和光子的相互作用，后来用量子色动力学成功描述了夸克和胶子是如何相互作用的③。在此基础之上，物理学家提出“标准模型”，几乎为所有已知的基本例子现象提供了一个显然正确的、完备的而且前后一致的描述⑤。

（2）量子力学对其他学科的贡献

记得中学课本中有条蟒蛇自己咬住了自己的尾巴，说的是物理学想着微观和宏观两个方向发展，却发现物理学的微观世界和大尺度空间有着巨大的相似性和关联性，微观与宏观的研究也就联系到了一起。量子力学就是一门研究微观世界的学科，但是从事宇宙学和天体物理学研究的物理学家运用量子物理学来探究宇宙的起源和恒星的动力学。大爆炸理论告诉我们，宇宙的产生源于一个无限小的点，对这个小点，到底采用量子力学还是相对论进