Question

量子力学是怎么诞生的？

Answer 1

1900 ～ 1926 年是量子力学的酝酿时期，此时的量子力学是半经典半量子的学说，称为旧量子论，开始于德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究。黑体辐射是 1900 年经典物理（牛顿力学、麦克斯韦电动力学、热力学与统计物理）所无法解决的几个难题之一。旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难，与实验不符。普朗克于是提出“能量子”概念，认为黑体由大量振子组成，每个振子的能量是振子频率的整数倍，这样导出的黑体辐射谱与实验完全符合。“能量子”是新的概念，它表明微观系统的能量有可能是间隔的、跳跃式的，这与经典物理完全不同，普朗克因此就这样吹响了新的物理征程的号角，这成为近代物理的开端之一。 1905 年，爱因斯坦把普朗克的“能量子”概念又向前推进了一步，认为辐射能量本来就是一份一份的，非独振子所致，每一份都有一个物质承担者——光量子，从而成功地解释了光电效应。爱因斯坦本人在几年后又比较成功地把量子论用到固体比热问题中去。 1912 年，丹麦青年玻尔根据普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型，成功地导出了氢原子光谱线位置所满足的公式，从这以后掀起了研究量子论的热潮。 1924 年，法国贵族青年德布洛意根据光的波粒二象性理论、相对论及玻尔理论，推断认为一般实物粒子也应具有波动性，提出了物质波的概念，经爱因斯坦褒扬及实验验证，直接导致了 1926 年奥地利学者薛定谔发明了量子力学的波动方程。与此同时，受玻尔对应原理和并协原理影响的德国青年海森堡提出了与薛定谔波动力学等价但形式不同的矩阵力学，也能成功地解释原子光谱问题。矩阵力学和波动力学统称量子力学，量子力学就这样正式诞生。量子力学与经典力学对物质的描述有根本区别。量子力学认为“粒子轨道”概念是没有意义的，因为我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置，我们能知道的就是粒子在空间出现的几率。量子力学用波函数和算符化的力学量取代过去的轨道和速度等概念，将不可对易代数引进了物理。量子力学还第一次把复数引入了进来。

过去物理中引入复数只是一个为了方便的技巧，并无实质意义，但在量子力学中，虚数具有基本的物理意义，正如英国物理学家狄拉克在 70 年代所说的：“……这个复相位是极其重要的，因为它是所有涉现象的根源，而它的物理意义是隐含难解的……正是由于它隐藏得如此巧妙，人们才没有能更早地建立量子力学。”可见复数第一次在量子力学中产生了不可被替代的物理意义。这个狄拉克在 20 年代后半期把当时薛定谔的非相对论性波动方程推广到相对论情形，第一次实现了量子力学和相对论的联姻。狄拉克所建立的方程是描述电子等一大类自旋为半整数的粒子的相对论性波动方程。由于组成现实世界的物质是自旋都为 1/2 的电子、质子和中子，所以狄拉克方程显然特别重要。狄拉克方程能自然地预言电子的自旋为 1/2 ，解释氢原子的精细结构，又预言存在正电子。不久，安德森就找到了正电子。狄拉克方程成为量子力学最有名的方程之一。这个狄拉克还将电磁场量子化，从理论上证实了 1905 年爱因斯坦的光子学说的最重要观点——光是由光子组成的。作为一个体系，量子力学的建立大致在 20 世纪 20 年代末完成，此后量子力学就被应用到实际问题中去了。