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眾人拾柴助力量子力學建立
眾人拾柴助力量子力學建立

            2015-10-23
    科學史上,大部分學科都不是一人之力完成的,只是會有一兩個甚至更多的代表,比如微積分,代表就是牛頓和萊布尼茨,但是費馬、笛卡爾、羅伯瓦、笛沙格、巴羅、瓦里士、開普勒、卡瓦列利等知名數(shù)學家所提出的理論都為微積分的創(chuàng)立做出了不可磨滅的貢獻。跟微積分一樣,力量力學在20世紀初由普朗克、尼玻爾、海森堡、薛定諤、泡利、德布羅意、玻恩、費米、狄拉克、愛因斯坦、康普頓等一大批物理學家共同創(chuàng)立的。這些人組成的隊伍可以說是物理家最強陣容,自不用說這些人當中大部分都獲得了諾貝爾獎,他們所提出的理論即使不是物理專業(yè)的學者們也耳熟能詳,其中有普朗克常數(shù)、海森堡測不準原理、薛定諤的貓、德布羅意波等等。愛因斯坦的相對論更是無人不知。量子力學和相對論一起被認為是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。除通過廣義相對論描寫的引力外,其它所有物理基本相互作用均可以在量子力學的框架內(nèi)得到理論支持和描畫。

(第五屆索爾維會議,上述科學家很多都能在里面找到)

   隨著科學不斷向前地發(fā)展,許多現(xiàn)象都讓物理學家們困惑不解,這時候經(jīng)典的物理學理論已經(jīng)無法幫助人們揭開這些神秘現(xiàn)象的面紗,經(jīng)典力學和經(jīng)典動力學在描述微觀系統(tǒng)時的不足越來越捉襟見肘。在這種情況下量子力學呼之欲出。

   19世紀末,人們樂觀地認為物理學的大廈已經(jīng)建成,剩下的工作就是在小數(shù)點后面完善那些業(yè)已成型的理論。但這時有了三個創(chuàng)世紀的發(fā)現(xiàn),即X 射線、放射性和電子。另外,還有兩朵漂浮在經(jīng)典物理學上空的兩朵著名的烏云,分別是邁克耳遜-莫雷實驗與“以太”說破滅和黑體輻射與“紫外災難”。種種跡象和發(fā)現(xiàn)表明,經(jīng)典物理學并不是物理學的盡頭,有一扇神圣的大門等待著開啟。

   以上這些就是量子力學建立的背景和前提。

   量子力學的建立是一個相對其他學科來說并不算漫長的過程,從1900年開始至今也不過一百多年。在這一百多年,出現(xiàn)了上述因為研究量子力學而被歷史銘記的物理學家們。

   導致量子論出現(xiàn)的是一個古典熱力學難題即黑體輻射問題。1900年,世紀之交,普朗克提出了量子假說,假定黑體以hv為單位不連續(xù)的發(fā)射和接收輻射,計算出了黑體輻射能量分布公式,成功地從理論上解釋了黑體輻射現(xiàn)象。普朗克將最小的不可再分的能量單元稱作“能量子”或“量子”。當年12月14日,他將這一假說報告了德國物理學會,宣告了量子論的誕生。所以有觀點稱普朗克為量子力學的創(chuàng)始人,從這一點來看并不為過。因為他不但提出了“量子”這一概念,還通過學說報告的方法向世人展示了量子論。但遺憾的是,由于量子力學對于傳統(tǒng)的物理學顯得格格不入,不僅當時許多有名望的物理學家對此進行了不遺余力的抨擊,就連提出這一學說的普朗克也有所動搖。這時候物理學界永遠的大V愛因斯坦站了出來。

目光凝重的普朗克

   1905年愛因斯坦再下一城,引進光量子的概念,推導出光子的能量、動量與輻射的頻率和波長之間的方程式,解釋了光電效應。愛因斯坦是第一個意識到量子概念的普遍意義,并將其運用到其它問題上的科學家。自牛頓以來,科學家們就對光的微粒說和波動說進行了無休止的爭論,愛因斯坦的量子理論則解決了這個問題:光既有波動性,又有粒子性,既非經(jīng)典的粒子也非經(jīng)典的波,這就是光的波粒二象性。主要由于愛因斯坦的所做的貢獻,使得量子理論在提出后的十年蓬勃發(fā)展。

   一開始,量子力學主要是研究微觀粒子。所以說,當粒子的大小由宏觀過渡到微觀時,它所遵循的規(guī)律也由經(jīng)典力學進化為量子力學。

   接下來發(fā)力的是玻爾。1913年,玻爾提出了以他命名的玻爾模型,這個模型為原子結構和光譜線,給出了一個理論原理。玻爾認為電子只能在一定能量的軌道上運轉(zhuǎn)。外層軌道比內(nèi)層軌道可以容納更多的電子;較外層軌道的電子數(shù)決定了元素的化學性質(zhì)。如果外層軌道的電子落入內(nèi)層軌道,將釋放出一個帶固定能量的光子。

   1924年,玻恩在一篇論文中使用“量子力學”這個詞匯。這也標志著以普朗克、愛因斯坦和玻爾對量子力學所做的研究告一段落,同時開啟了量子力學研究百花齊放的新篇章。

薛定諤的貓

   沿著物質(zhì)波概念繼續(xù)前進并創(chuàng)立了波動力學的是奧地利物理學家薛定諤。薛定諤于1925年推出了一個相對論的波動方程。而薛定諤關于一只放在裝有毒氣盒子里的貓是死是活的經(jīng)典問題也成為量子力學一個著名的假設,在許多科幻小說中都可以見到這只貓的影子。從此,量子力學跟概率和塌縮兩個詞匯結下了不解之緣。

   量子力學研究人才輩出,而是越是年輕的科學家越容易提出新鮮的觀點。德國青年物理學家海森堡創(chuàng)立了解決量子波動理論的矩陣方法。在英國,比他年輕一歲的狄拉克改進了矩陣力學的數(shù)學形式,使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。

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