量子论发展史

2011年5月刊

商品与质量

理论研究

229

量子论发展史

□卢晓波潘岳李林洋

（山东大学物理学院山东济南250100）

摘要：相对论和量子力学的建立可以说是20世纪的两个划时代的里程碑。它们从根本上改变了人们传统的时空观和对物质运动形式和内在规律的认识。在这以前所建立的物理学定律例如经典力学、电动力学以及热力学统计力学仅仅适用于一定的宏观运动条件。当涉及到微观系统时，只有借助于现代意义的量子物理学才能阐述清楚。现代社会的许多高科技产业也都是以量子物理学为基础发展起来的。然而，量子物理学的建立者却远没有相对论的创立者那样家喻户晓，原因是量子物理学的建立并非一个人的功劳，而是很多人伟大智慧的结晶。关键词：量子论：发展：物理：争议1、量子物理学诞生的时代背景

在量子物理学建立以前，大多数的物理学家认为物理学的基本大厦已经建立，剩下的仅仅是一些修修补补的工作。人们认为在17世纪建立的经典力学体系以及19世纪建立的电动力学以及热力学统计物理学体系完全可以描述客观世界。然而，一些比较敏锐的科学家逐渐认识到了经典物理学中潜伏着的一些危机。物理学家开尔文勋爵在世纪之交的一次演讲中提到经典物理学的上空存在两朵令人不安的乌云。一朵是以太漂移实验的否定结果，另一朵是关于黑体辐射的紫外灾难。

2、量子论的诞生

经典物理学在描述客观世界是取得了可喜的成就，但是当它面对黑体辐射问题是却显得无能为力，因为严格按照经典物理学推导出的黑体辐射密度公式在高频区得到发散的结果。这说明经典物理学存在一定的问题。普朗克看到黑体辐射能量密度随波长的精密测量结果，他深信这里面蕴藏着一个极为深刻的科学原理。后来他发现，如果做出一些基本假定，那么黑体辐射的能量问题将会得到解决。普朗克假定对于一定频率的辐射，物体只能以能量子为最小单位吸收或者发射，即提出能量不连续的观点。后来人们将普朗克公开发表关于热辐射的量子假说的那一天认为是量子论的起始。尽管这种观点可以很好的解决黑体辐射问题，但是与经典物理存在着严重的分歧，普朗克的工作在很长时间没有引起别人的重视。但是当时年轻的爱因斯坦却注意到了这里面所蕴含的深邃的物理思想，并且借助于普朗克能量量子化的思想，认为辐射场的能量就是由光量子组成，并且成功解决了光电效应的难题。

3、量子论的发展如果说量子论第一个重大的突破时解决

了能量辐射问题和经典理论的矛盾，那么其第二个重大突破就是波尔模型的建立。卢瑟福的通过粒子散射实验提出著名的卢瑟福模型（即行星模型），该模型成功解决了粒子大角度散射的实验现象，但却遇到了两个致命的难题，其中一个就是原子的稳定性问题。在卢瑟福模型中电子围绕原子核做圆周运动，按照经典电动力学的理论，电子因为不断加速运动将不断辐射出能量，从而导致原子半径不断减小，最终导致原子的坍缩，这个过程大约千分之一纳秒。然而在现实世界中原子是非常稳定的。为了解决这个问题，对量子论痴迷的波尔将量子论的观点引入到原子模型中，成功解释了氢原子的光谱线。波尔引入了两个极为重要的基本假定，首先原子只能稳定的处在一些离散的能级上，在在这些能级上原子不辐射能量。第二，原子可以吸收或放射特定的作用量子在不同的能级上跃迁。这些都是波尔很伟大的创建。

受到普朗克-爱因斯坦的光量子论和波尔的原子模型的启发，德布罗意提出假设实物粒子和光一样也具有波动性，并推导出了实物粒子的德布罗意波的波长，其假说后来被科学家用电子的衍射实验所证实。既然实物粒子同样具有波动性，那么就需要相应的波动方程描述实物粒子的运动状态。海森堡、伯恩等人的矩阵量子力学和薛定谔的波动量子力学几乎在同时建立起来。由于当时矩阵的知识并不普及，当时人们更倾向于薛定谔的波动方程，但是薛定谔很快就发现矩阵力学和波动力学其实本质是一样的，只是用了不同的数学语言表述，后来人们接着发现矩阵量子力学和薛定谔的波动量子力学只是量子力学无数种量子力学中的两种表述方法而已。后来狄拉克以电磁场的量子化的工作对

薛定谔的波动方程做了一定的补充，使得非相对论情况下的实物粒子和电磁场的相互作用的所有问题都可以解决。然后狄拉克提出相对论性波动方程使得量子力学延伸到相对论领域。

4、量子论的争议

虽然量子论在提出后的几十年取得了辉煌的成就，但其适用和诠释的范围却引发了激烈的争论。其核心问题是如何将彼此矛盾的波动和粒子两种矛盾的描述协调起来。以爱因斯坦为代表的科学家反对波函数的统计诠释，并在篇著名的文章中提吃EPR 佯谬和薛定谔猫佯谬，尖锐批评了波函数的统计诠释。其中薛定谔猫佯谬是通过一个巧妙的假想实验来体现的。假设在一个密闭的容器内存放一个毒气瓶和一只猫，而赌气则通过一连串的装置来通过铀原子是否衰变来控制毒气平的开关。那么猫的生死状态和原子是否衰变的状态紧密的联系在一起。由于铀原子在何时衰变是不确定的，那么铀原子处在衰变和不衰变的叠加态，这就说明猫处在死与活的叠加态。那就是"猫既是死的，又是活的"，我们只有打开箱子看看才知道猫的死活。这就得出一个矛盾，当我们打开箱子的一刹那，猫的死活已经被确定，这就导致了另一个状态的消失，我们称之为波函数的坍缩。假设我们打开箱子时，猫如果已经死了，但是我们不打开箱子，猫反而有可能活着。换句话说，我们有时候看一眼就能够致命。这与我们的日常经验严重不符。但是长期以来，物理学家们出于使用的考虑，接受了哥本哈根学派的统计诠释，但是他们付出的代价是违反了薛定谔方程，这当然是薛定谔本人不愿意看到的结果。在1957年格力宾在

《寻找道，并充分利用校园网络，拓展教育渠道高校心理健康教育部门是进行学校心理健康教育的主导力量。其主要任务是为需要帮助的学生提供个体心理咨询与团体辅导，开展心理健康宣传教育工作，建立学生心理健康档案并进行追踪辅导。但是仅仅依靠心理健康教育部门的力量是不够的。为此，还应该完善"心理中心、院系、班级及宿舍三级网络"；开通心理中心网站，通过电子邮件咨询、QQ 在线咨询、留言板等多种形式，有针对性的为新生提供经常、及时、有效的心理健康指导。

（四）营造校园文化氛围，构建和谐校园环境因素对大学生的心理健康有一定的影响作用。一个良好文化氛围的校园环境有利于学生身心健康发展，可以在一定程度上缓解学生学习生活的压力，促进学生心理健康发展。因此，学生工作者应该营造一个乐观、积极向上、宽容、友善的心理健康教育环

境，积极开展各种文体活动，丰富学生课余生活，培养健康的兴趣爱好，避免不良心理的产生。为同学增进交往、接触社会、锻炼能力提供更多的机会和舞台，以有利于他们的个性心理得到健康发展，探索多种形式的教育方法。除了开设相应的心理健康教育课程、不定期召开班级心理主题班会外，还可以利用"525大学生心理健康宣传月"、"10月10日世界精神卫生日"这样的日期举办心理健康大型活动；邀请专家学者、社会名人举办专题心理讲座，普及和增强学生的心理健康知识。另外，加强指导学生心理社团，给予大学生更多的自主权，努力发展学生的自我教育作用，开展一些既有意义又能使他们得到锻炼的活动。在活动中以正面引导为主，努力营造一种温馨的气氛，创造一种和谐的生活环境。校园的文化活动应该有益于大学生的心理健康，参加的人员应具有普遍性，尤其是对有一定心理问题的同学，老师应该鼓励他积极参

与活动，通过活动找回自我，增强自信，减少心理疾病的发生。

大学生活是美好的，是人生的重要转折期。大学新生如果具备良好的心理素质，树立自己的人生目标，并为之奋斗，最终实现自我价值，这对学生在整个大学期间的学习、生活以及高校大学生心理健康教育具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]王登峰.大学生心理卫生与咨询［M ］.北京:北京大学出版社,1992.

[2]田晓红.大学生人际交往中的心理误区及调适对策[J ].中南民族学院学报，2007，(05).

[3]谷军.新环境下大一新生心理问题探析[J ].湖北经济学院学报,2009,V ol.6No.4

作者简介：左拉（1980.3-），男，陕西西安人，西安邮电学院大学生心理健康教育中心助教，心理学硕士。