量子力学的编年史以及体会

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1923年路易·德布罗意(Louis de Broglie)在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的。他将粒子的波长和动量联系起来:动量越大,波长越短。这是一个引人入胜的想法,但没有人知道粒子的波动性意味着什么,也不知道它与原子结构有何联系。然而德布罗意的假设是一个重要的前奏,很多事情就要发生了。
  1924年夏天,出现了又一个前奏。萨地扬德拉·N·玻色(Satyendra N. Bose)提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律。他把光看作一种无(静)质量的粒子(现称为光子)组成的气体,这种气体不遵循经典的玻耳兹曼统计规律,而遵循一种建立在粒子不可区分的性质(即全同性)上的一种新的统计理论。爱因斯坦立即将玻色的推理应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规律,即著名的玻色-爱因斯坦分布。然而,在通常情况下新老理论将预测到原子气体相同的行为。爱因斯坦在这方面再无兴趣,因此这些结果也被搁置了10多年。然而,它的关键思想——粒子的全同性,是极其重要的。
  ·韦纳·海森堡(Werner Heisenberg)、马克斯·玻恩(Max Born)和帕斯库尔·约当(Pascual Jordan)提出了量子力学的第一个版本,矩阵力学。人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理解原子中电子的运动这一历史目标。 埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)提出了量子力学的第二种形式,波动力学。在波动力学中,体系的状态用薛定谔方程的解——波函数来描述。矩阵力学和波动力学貌似矛盾,实质上是等价的。
  ·电子被证明遵循一种新的统计规律,费米-狄拉克统计。人们进一步认识到所有的粒子要么遵循费米-狄拉克统计,要么遵循玻色-爱因斯坦统计,这两类粒子的基本属性很不相同。
玻尔提出互补原理(一个哲学原理),试图解释量子理论中一些明显的矛盾,特别是波粒二象性。
  量子理论的主要创立者都是年轻人。1925年,泡利25岁,海森堡和恩里克·费米(Enrico Fermi)24岁,狄拉克和约当23岁。薛定谔是一个大器晚成者,36岁。玻恩和玻尔年龄稍大一些,值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的。爱因斯坦的反应反衬出量子力学这一智力成果深刻而激进的属性:他拒绝自己发明的导致量子理论的许多关键的观念,他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他对理论物理的最后一项贡献,也是对物理学的最后一项重要贡献。
  创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶,开尔文爵士在祝贺玻尔1913年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因。他说,玻尔的论文中有很多真理是他所不能理解的。开尔文认为基本的新物理学必将出自无拘无束的头脑。
  1928年,革命结束,量子力学的基础本质上已经建立好了。后来,Abraham Pais以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命。其中有一段是这样的:1925年,Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck就提出了电子自旋的概念,玻尔对此深表怀疑。10月玻尔乘火车前往荷兰的莱顿参加亨德里克·A·洛伦兹(Hendrik A. Lorentz)的50岁生日庆典,泡利在德国的汉堡碰到玻尔并探询玻尔对电子自旋可能性的看法;玻尔用他那著名的低调评价的语言回答说,自旋这一提议是“非常,非常有趣的”。后来,爱因斯坦和Paul Ehrenfest在莱顿碰到了玻尔并讨论了自旋。玻尔说明了自己的反对意见,但是爱因斯坦展示了自旋的一种方式并使玻尔成为自旋的支持者。在玻尔的返程中,遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺根时,海森堡和约当接站并询问他的意见,泡利也特意从汉堡格赶到柏林接站。玻尔告诉他们自旋的发现是一重大进步。
  量子力学的创建触发了科学的淘金热。早期的成果有:1927年海森堡得到了氦原子薛定谔方程的近似解,建立了原子结构理论的基础;John Slater,Douglas Rayner Hartree,和Vladimir Fock随后又提出了原子结构的一般计算技巧;Fritz London和Walter Heitler解决了氢分子的结构,在此基础上,Linus Pauling建立了理论化学;Arnold Sommerfeld和泡利建立了金属电子理论的基础,Felix Bloch创立了能带结构理论;海森堡解释了铁磁性的起因。1928年George Gamow解释了α放射性衰变的随机本性之谜,他表明α衰变是由量子力学的隧道效应引起的。随后几年中,Hans Bethe建立了核物理的基础并解释了恒星的能量来源。随着这些进展,原子物理、分子物理、固体物理和核物理进入了现代物理的时代。
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第1个回答  2013-11-23
 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的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
  1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。
  1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。
  1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,在轨道上运动时候电子既不吸收能量,也不放出能量。原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多困难。
  在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波,这就是所谓的德布罗意波。
  德布罗意的物质波方程:E=�0�4ω,p=h/λ,其中�0�4=h/2π,可以由E=p²/2m得到λ=√(h²/2mE)。
  由于微观粒子具有波粒二象性,微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律,描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。当粒子的大小由微观过渡到宏观时,它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。
  量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中,粒子的状态用波函数描述,它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的,被称为薛定谔方程。
  当微观粒子处于某一状态时,它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时,力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年,海森伯得出的测不准关系,同时玻尔提出了并协原理,对量子力学给出了进一步的阐释。
  量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯(又称海森堡,下同)和泡利(pauli)等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论,它构成了描述基本粒子现象的理论基础。
  量子力学是在旧量子论建立之后发展建立起来的。旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。由于旧量子论不能令人满意,人们在寻找微观领域的规律时,从两条不同的道路建立了量子力学。
  1925年,海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识,抛弃了不可观察的轨道概念,并从可观察的辐射频率及其强度出发,和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学;1926年,薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识,找到了微观体系的运动方程,从而建立起波动力学,其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性;狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论,给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。
  海森堡还提出了测不准原理,原理的公式表达如下:ΔxΔp≥�0�4/2。
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