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众人拾柴助力量子力学建立

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作者:科普中国来源:科普中国

科学史上,大部分学科都不是一人之力完成的,只是会有一两个甚至更多的代表,比如微积分,代表就是牛顿和莱布尼茨,但是费马、笛卡尔、罗伯瓦、笛沙格、巴罗、瓦里士、开普勒、卡瓦列利等知名数学家所提出的理论都为微积分的创立做出了不可磨灭的贡献。跟微积分一样,力量力学在20世纪初由普朗克、尼玻尔、海森堡、薛定谔、泡利、德布罗意、玻恩、费米、狄拉克、爱因斯坦、康普顿等一大批物理学家共同创立的。这些人组成的队伍可以说是物理家最强阵容,自不用说这些人当中大部分都获得了诺贝尔奖,他们所提出的理论即使不是物理专业的学者们也耳熟能详,其中有普朗克常数、海森堡测不准原理、薛定谔的猫、德布罗意波等等。爱因斯坦的相对论更是无人不知。量子力学和相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。除通过广义相对论描写的引力外,其它所有物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内得到理论支持和描画。

(第五届索尔维会议,上述科学家很多都能在里面找到)


随着科学不断向前地发展,许多现象都让物理学家们困惑不解,这时候经典的物理学理论已经无法帮助人们揭开这些神秘现象的面纱,经典力学和经典动力学在描述微观系统时的不足越来越捉襟见肘。在这种情况下量子力学呼之欲出。


19世纪末,人们乐观地认为物理学的大厦已经建成,剩下的工作就是在小数点后面完善那些业已成型的理论。但这时有了三个创世纪的发现,即X 射线、放射性和电子。另外,还有两朵漂浮在经典物理学上空的两朵著名的乌云,分别是迈克耳逊-莫雷实验与“以太”说破灭和黑体辐射与“紫外灾难”。种种迹象和发现表明,经典物理学并不是物理学的尽头,有一扇神圣的大门等待着开启。


以上这些就是量子力学建立的背景和前提。


量子力学的建立是一个相对其他学科来说并不算漫长的过程,从1900年开始至今也不过一百多年。在这一百多年,出现了上述因为研究量子力学而被历史铭记的物理学家们。


导致量子论出现的是一个古典热力学难题即黑体辐射问题。1900年,世纪之交,普朗克提出了量子假说,假定黑体以hv为单位不连续的发射和接收辐射,计算出了黑体辐射能量分布公式,成功地从理论上解释了黑体辐射现象。普朗克将最小的不可再分的能量单元称作“能量子”或“量子”。当年12月14日,他将这一假说报告了德国物理学会,宣告了量子论的诞生。所以有观点称普朗克为量子力学的创始人,从这一点来看并不为过。因为他不但提出了“量子”这一概念,还通过学说报告的方法向世人展示了量子论。但遗憾的是,由于量子力学对于传统的物理学显得格格不入,不仅当时许多有名望的物理学家对此进行了不遗余力的抨击,就连提出这一学说的普朗克也有所动摇。这时候物理学界永远的大V爱因斯坦站了出来。

1905年爱因斯坦再下一城,引进光量子的概念,推导出光子的能量、动量与辐射的频率和波长之间的方程式,解释了光电效应。爱因斯坦是第一个意识到量子概念的普遍意义,并将其运用到其它问题上的科学家。自牛顿以来,科学家们就对光的微粒说和波动说进行了无休止的争论,爱因斯坦的量子理论则解决了这个问题:光既有波动性,又有粒子性,既非经典的粒子也非经典的波,这就是光的波粒二象性。主要由于爱因斯坦的所做的贡献,使得量子理论在提出后的十年蓬勃发展。


一开始,量子力学主要是研究微观粒子。所以说,当粒子的大小由宏观过渡到微观时,它所遵循的规律也由经典力学进化为量子力学。


接下来发力的是玻尔。1913年,玻尔提出了以他命名的玻尔模型,这个模型为原子结构和光谱线,给出了一个理论原理。玻尔认为电子只能在一定能量的轨道上运转。外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子;较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。如果外层轨道的电子落入内层轨道,将释放出一个带固定能量的光子。


1924年,玻恩在一篇论文中使用“量子力学”这个词汇。这也标志着以普朗克、爱因斯坦和玻尔对量子力学所做的研究告一段落,同时开启了量子力学研究百花齐放的新篇章。

薛定谔的猫


沿着物质波概念继续前进并创立了波动力学的是奥地利物理学家薛定谔。薛定谔于1925年推出了一个相对论的波动方程。而薛定谔关于一只放在装有毒气盒子里的猫是死是活的经典问题也成为量子力学一个著名的假设,在许多科幻小说中都可以见到这只猫的影子。从此,量子力学跟概率和塌缩两个词汇结下了不解之缘。


量子力学研究人才辈出,而是越是年轻的科学家越容易提出新鲜的观点。德国青年物理学家海森堡创立了解决量子波动理论的矩阵方法。在英国,比他年轻一岁的狄拉克改进了矩阵力学的数学形式,使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。


文章分类: 物理视野