量子力学史简介

1近代物理学史论文题目：量子力学发展脉络及代表人物简介姓名：学号：学院：2016年12月272量子力学发展脉络量子力学是研究微观粒子运动的基本理论，它和相对论构成近代物理学的两大支柱。可以毫不犹豫的说没有量子力学和相对论的提出就没有人类的现代物质文明。而在原子尺度上的基本物理问题只有在量子力学的基础上才能有合理地解释。可以说没有哪一门现代物理分支能离开量子力学比如固体物理、原子核粒子物理、量子化学低温物理等。尽管量子力学在当前有着相当广阔的应用前景，甚至对当前科技的进步起着决定性的作用，但是量子力学的建立过程及在其建立过程中起重要作用的人物除了业内人对于普通得人却鲜为人知。本文主要简单介绍下量子力学建立的两条路径及其之间的关系及后续的发展，与此同时还简单介绍了在量子力学建立过程中起到关键作用的人物及其贡献。通过本文的简单介绍使普通人对量子力学有个简单认识同时缅怀哪些对量子力学建立其关键作用的科学家。旧量子理论量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的旧量子论包括普朗克量子假说、爱因斯坦光电效应光电子假说和波尔的原子理论。在19世纪末，物理学家存在一种乐观情绪，他们认为当时建立的力学体系、统计物理、电动力学已经相当完善，而剩下的部分不过是提高重要物理学常数的观测精度。然而在物理的不断发展中有些科学家却发现其中存在的一些难以解释的问题，比如涉及电动力学的以太以及观测到的物体比热总小于能均分给出的值。对黑体辐射研究的过程中，维恩由热力学普遍规律及经验参数给出维恩公式，但随后的研究表明维恩公式只在短波波段和实验符合的很好，而在长波波段和实验有很大的出入。随后瑞利和金森根据经典电动力学给出瑞利金森公式，而该公式只在长波波段和实验符合的很好，而在短波波段会导致紫外光灾。普朗克在解决黑体辐射问题时提出了一个全新的公式普朗克公式，普朗克公式和实验数据符合的很好并且数学形式也非常简单，在此基础上他深入探索这背后的物理本质。他发现如果做出以下假设就可以很好的从理论上推导出他和黑体辐射公式：对于一定频率f的电磁辐射，物体只能以hf为单位吸收或发射时，及吸收和发射电磁3辐射只能以量子方式进行。但是这种假设在经典物理看来是无法理解的，尽管可以解释普朗克公式，但并未引起人们的注意。首先注意到量子假设有可能解决经典物理遇到的困难的是爱因斯坦。他在1905年用普朗克的量子假设很好的解决了光电效应，进一步提出了光量子的概念。他认为辐射场由光量子组成，每个光量子的能量与辐射场的频率成正比。当采用光量子的观点后，光电效应的问题就迎刃而解。随后，爱因斯坦又把能量不连续的概念应用到固体中原子的振动上成功解决了温度趋近于零时，固体比热也趋近于零的现象。普朗克-爱因斯坦光量子及实物能量不连续的概念，对后来的物理重大疑难问题的解决有很大的促进作用。当时卢瑟福提出了原子的有核模型，但根据经典物理，电子在围绕原子核转转动时必然会对外辐射能量，从而会不断衰减最后落到原子核上，但实际情况并非如此。在此时刻波尔将普朗克爱因斯坦的量子概念创造性的应用到解决原子结构和原子光谱上来，从而提出了它的原子量子论。波尔的原子量子论主要包含以下内容：原子能够并且只能够稳定杆的存在于与离散的能量相对应的一系列状态中，原子能量的任何改变，只能在两个定态之间以跃迁的方式进行；原子两个定态之间的跃迁时，吸收或发射的辐射频率是唯一的。波尔的理论成功的解释了卢瑟福模型，此外有了这些概念分子原子比热的波尔兹曼佯谬就迎刃而解，虽然波尔理论取得了很大成功，首次打开到了原子结构的大门，但他依然存在很多问题。首先，波尔理论虽然成功的解决了氢原子的的光谱问题，但对于复杂的原子光谱，甚至对于氦原子光谱，就遇到了极大问题。此外，对于谱线的强度问题，波尔理论也不能给出系统的解决方法。虽然波尔理论有很多局限性，但波尔的思想对量子力学的建立和近代物理的发展都有很重要的影响。特别是他的对应原理，对于沟通经典物理和量子力学，在量子力学建立的过程中起着重要作用。在普朗克与爱伊斯坦的光量子论及波尔的原子量子论提出后，德布罗意在这些思想的启发下，考虑到实物粒子也可能有粒子和波动两种特性，提出了它的物质波假说：具有一定能量和一定动量的粒子频率和波长之间的关系。他通过研究光的发展史，在17世纪牛顿认为光由粒子组成，并在均匀介质中沿直线传播，19世纪后通过双缝实验肯定了光的干涉和衍射现象，光的波动性才为人们所接4受。德布罗意认为物质的波动性和光的波动性相似，在宏观条件下，光的波动性不会表现出来，但在原子世界中物质粒子的波动性会明显的表现出来。实物粒子的波动性是在1927年有戴维森和革末通过晶体衍射所证明。后来很多实验证实不仅电子而且质子、中子、原子、分子等都具有波动性，波动性是物质粒子普遍具有的。物质粒子的波动性在现在科学技术中也有广泛的用于比如电子显微镜等。德布罗意物质波理论也使得人们对微观粒子有了更深刻的认识，那就是微观粒子和光子一样，不但具有粒子性也具有波动性。微观粒子的波粒二象性是一个普遍的真理，微观粒子某些条件下表现出粒子性，另一些条件下表现出波动性。粒子性和波动性决不会在同一观测中同时出现，不会在同一实验中直接冲突，波动性和粒子性在描述微观现象时是互相排斥的，这个事实很明显，因为粒子是限制在很小体积内的实体而波是扩展到一个大空间的场。两种概念在描述微观现象、解释实验时又都是不可缺少的，企图放弃哪一个都不行，在这个意义上说它们又是互补的，波动性和粒子性实际就是微观粒子一体两面。波动力学和矩阵力学的建立薛定谔在德布罗意思想的影响下开始思考有关波动力学的相关问题。1925年他在爱因斯坦关于理想气体量子论的影响下对德布罗意的物质波假说产生的兴趣。他继承德布罗意的思想，根据经典力学和几何光学的类比关系发现：经典力学和几何光学有很大的相似之处。既然经典光学是波动光学在短波下的一种近似，那么经典力学是否可能是某种波动力学的近似理论呢。如果能从波动力学的基本方程做近似可以得到几何光学，那么从经典力学出发是否能得到波动方程。正是通过这样的类比，薛定谔找到了非相对论形式下的波动方程。并由此在不引入任何假设的情况下成功解释了氢原子的光谱问题。为了进一步找到更加普适的描述物体运动的波动方程，在1926年2月他建立了更一般的含时薛定谔方程，随后又发表了不含时的微扰理论，之后有发表了含时的微扰理论论文。薛定谔的这四篇论文的公开发表标志着波动力学的诞生。随后经过波恩的几率解释，非相对论的量子力学正式成立。薛定谔的波动力学有很明显的优势。在数学上，他采用微分方程的形式，在概念上则采用粒子等于波包的形式这与经典物理有很好的衔接性，更容易被人们所接受。海森堡使用的是傅里叶变换的数学方法。按照这种方法，可以把每一个运动5都分解成若干个简谐振动的叠加来理解。经过分解，旧理论中表示位移、动量的物理量被分解为由一系列表示振动的函数构成的多项式，每个函数对应于一个可能出现的跃迁状态，振动的频率就是跃迁时放出或吸收的光子的频率，振幅代表这个跃迁状态可能出现的几率，与相应频率的光线在光谱中的亮度相对应，这样，新理论中出现的全部变量就都变成了可以直接通过实验观测的。由于在这套体系中，所有传统物理量都被写成了多项式形式，因此涉及大量多项式相乘的运算。海森堡的同事波恩和约当注意到，把这套体系用高等数学中处理多项式相乘的工具矩阵来表示再合适不过了。1925年，他们和海森堡一起完成了将新量子论改写为矩阵的工作，即今天我们所说的量子力学的第一套数学形式：矩阵力学。从矩阵力学的建立过程可以看到，事实经验在其中起到了关键的作用。普朗克的能量量子和爱因斯坦的光量子都是为了解释实验中出现的反常现象而被迫创造出的新概念；波尔理论的成功更直接得益于氢原子光谱的经验证据的支持；而海森堡则干脆声称其理论只针对实验中的可观测量。相反，在这条路径中，物理理论图景的发展却一直远远滞后，甚至可以说从始至终就是模糊不清的。普朗克的能量量子概念就连他自己也觉得难以理解；波尔自始至终也无法说清原子核外电子按固定轨道分布的原因及其跃迁机制；至于海森堡，甚至以“摒弃形而上学假设”为旗帜，要求把讨论严格限制在可观测量上。随着波动力学和矩阵力学的创立，在同一研究领域出现了两个形式完全不同、但同样有效的量子理论。开始时，两种理论的创立者对对方的理论都抱有排斥甚至敌视的态度。海森堡给泡利的信中写到：“我越是思考薛定谔理论的物理内容，就越感到憎恨。”同样，薛定谔对矩阵力学也很反感，他说；“这种超越代数的方法简直无法想象，它如果不使我拒绝的话，至少使我气馁。”后来薛定谔认真钻研了矩阵力学，于1926年4月发表了《关于海森堡-波恩-约当的量子力学与我的波动力学之间的关系》，从数学上证明了两种理论的等价性：海森堡的矩阵可以由薛定谔的本征函数构成，反之亦然。5月，薛定谔写信给狄拉克，说明了两种理论的一致性。两种理论都是以微观粒子具有波粒二相性这一实验事实为基础，通过与经典理论的类比而建立起来的。后来，把矩阵力学和波动力学合在一起，统称为量子力学。狄拉克在1925年11月发表的论文《量子力学的基本方程》中，运用泊松括6号和对应原理，很简单的把经典力学方程改造为量子力学方程，并引进了狄拉克符号，从而建立了相对论性量子力学。同时为粒子物理和量子电动力学奠定了基础，因此狄拉克与薛定谔共获1933年诺贝尔物理奖。量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以波尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。哥本哈根学派的诠释波尔的“互补原理”、海森堡的“测不准关系”和波恩的“几率解释”被人们称为量子力学的“正统”解释。波函数的几率诠释：在微观领域里，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。测不准关系：1927年，海森堡在论文《量子论中运动学和动力学的可观测内容》中，提出了著名的“测不准原理”海森堡认为，微观粒子既不是经典的粒子，也不是经典的波；当人们用宏观仪器观测微观粒子时，就会发生观测仪器对微观粒子行为的干扰，使人们无法准确掌握微观粒子的原来面貌；而这种干扰是无法控制和避免的，就像盲人想知道雪花的形状和构造。互补原理：海森堡认为，测不准关系的存在，表明了位置和动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限；波尔则认为这一原理并不表明粒子语言和波动语言的不适用性，只是表明同时应用它们既是不可能的，但又必须同等应用它们才能对物理现象提供完备的描述。也就是说，微观粒子具有波粒二相性，正是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中波和粒子这两种图像却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图像都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图像结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是波尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种哲学原理。以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：因果性还是几率波？他针对波尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：“波尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”量子力学仅可建立在可观察量的7基础上？爱因斯坦对这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。爱因斯坦和波尔的争论，使量子力学的意义不断得到澄清，一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是：科学规律本质上是因果性的，还是概率性的？这场争论并没有破坏他们的友谊，他们相互尊重，为后人树立了榜样。总之，量子力学冲破了经典物理的局限，迅速发展起来，成为我们研究微观世界的有力武器。普朗克、卢瑟福、波尔、德布罗意、薛定