引言
第一章、牛頓時(shí)空和經(jīng)典力學(xué)
第二章、光是粒子還是波？
第三章、舊量子論的形成
第四章、量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)
第五章、量子力學(xué)理論
第六章、簡(jiǎn)單問(wèn)題的量子力學(xué)解23
第七章、中心力場(chǎng)－氫原子解
第八章、原子殼層
第九章、量子力學(xué)解釋及驗(yàn)證
參考文獻(xiàn)
在今天，量子力學(xué)已經(jīng)是大家耳熟能詳?shù)目茖W(xué)名詞了，然而，量子力學(xué)的物理思想究竟是什么，普通大眾并不知曉。就連物理學(xué)家中的許多人也只是知道它如何計(jì)算，而并不理解它為什么會(huì)這樣？量子力學(xué)的不被理解并不僅是由于它的高深數(shù)學(xué)，更主要的是它的許多思想與觀念和我們頭腦中已有的物質(zhì)觀格格格不入。
量子力學(xué)理論是迄今為止得到最嚴(yán)格檢驗(yàn)的理論，物質(zhì)世界的一切事物，包括我們?nèi)俗陨矶挤狭孔恿W(xué)。正因?yàn)槿绱?，普及量子力學(xué)思想在今天就尤為重要。只要我們把目標(biāo)設(shè)為了解量子力學(xué)的核心思路和結(jié)論，而不是追求繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，那么每個(gè)人都是能夠掌握量子力學(xué)思想的。因此，用通俗的語(yǔ)言，形象的插圖，把量子力學(xué)的核心思路向大家普及，達(dá)到人人能懂的目的，相當(dāng)于是做了一件善事。當(dāng)然，文中也會(huì)涉及一些簡(jiǎn)單的方程，供有相應(yīng)水平的讀者深入探索所需。不過(guò)暫時(shí)不懂的讀者可以先把它作為一幅插圖看待，只需了解了它是在做什么，力圖掌握文中的核心思想就可以了。
本文由我過(guò)去做量子力學(xué)通俗講座的PPT課件修改而成。文中會(huì)有一些來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容和圖片素材，在這里對(duì)原作者一并表示感謝！
1.1 牛頓時(shí)空和經(jīng)典力學(xué)定律
1.2 舊物理觀念面臨的挑戰(zhàn)
目前，盡管物理學(xué)已經(jīng)大大超越了牛頓時(shí)空，由于科學(xué)普及的力度不夠，大眾的物理觀念幾乎仍然停留在牛頓時(shí)空階段。那就讓我們從這里開始吧！
牛頓是歷史上第一位不但做基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),而且發(fā)明完備的數(shù)學(xué)理論解釋實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家，他在那個(gè)時(shí)代被認(rèn)為是世界上最偉大的科學(xué)家。早在1687年(44歲)，牛頓發(fā)表了論文《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,其中公布了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律。
在牛頓時(shí)空中，時(shí)間和空間是各自獨(dú)立的，沒(méi)有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)事物。
絕對(duì)空間就像一間空房子，它區(qū)分物理事件發(fā)生的地點(diǎn)，用3維坐標(biāo)來(lái)描述。
絕對(duì)時(shí)間就像一個(gè)滴答作響的秒表，它區(qū)別物理事件發(fā)生的先后次序，用不可逆轉(zhuǎn)的1維坐標(biāo)來(lái)描述。
絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間構(gòu)成了物體在其中運(yùn)動(dòng)的“舞臺(tái)”。這一舞臺(tái)上運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)服從牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律：
1.慣性定律。一切物體在不受外力的作用時(shí)，總保持相對(duì)靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
也許我們還沉醉于對(duì)牛頓定律的欣賞之中，如果這樣，那真是無(wú)獨(dú)有偶，歷史上也有過(guò)這樣現(xiàn)象。
19世紀(jì)末，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說(shuō)，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲----等都遵循的規(guī)律---能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。
于是1900年英國(guó)物理學(xué)家開爾文在瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說(shuō)到：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。”
也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了。
腦的物理觀仍停留在經(jīng)典物理觀層面上。但經(jīng)典物理學(xué)在解釋微觀粒子運(yùn)動(dòng)或以極高速度運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)遭受了巨大的困難。對(duì)這些問(wèn)題的探索才導(dǎo)致了近代物理也包括量子力學(xué)的發(fā)展。
在量子力學(xué)的發(fā)展上，“光”是一個(gè)功臣。讓我們還是先從“光是什么？”這個(gè)問(wèn)題來(lái)展開吧。
2.1 光是什么？
2.2 光是粒子－牛頓的粒子說(shuō)
2.3 光是波動(dòng)
2.4 光的電磁理論
早在1690年，物理學(xué)家惠更斯就提出了光的波動(dòng)說(shuō)，認(rèn)為光就象水波一樣是一種波動(dòng)。因?yàn)檫@樣就很容易解釋光的干涉和折射現(xiàn)象。
如下圖所示，使用這個(gè)理論，他能夠解釋光波如何因相互干涉而形成波前，在波前的每一點(diǎn)可以認(rèn)為是產(chǎn)生球面次波的點(diǎn)波源，而以后任何時(shí)刻的波前則可看作是這些次波的包絡(luò)。從他的原理，可以給出波的直線傳播與球面?zhèn)鞑サ亩ㄐ越忉?，并且推?dǎo)出反射定律與折射定律。
十九世紀(jì)早期，奧古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠更斯原理的基礎(chǔ)上假定次波與次波之間會(huì)彼此發(fā)生干涉，又假定次波的波幅與方向有關(guān)。從而解釋了光波的朝前方傳播與衍射現(xiàn)象。
對(duì)于一個(gè)向x方向行進(jìn)的正弦波，可以用下面的圖像來(lái)描述。其中最重要的兩個(gè)量是波長(zhǎng)和波速。
牛頓是一個(gè)偉大的物理學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)的三大運(yùn)動(dòng)定律，幾乎可以把除電磁學(xué)以外的一切物理現(xiàn)象都解釋為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，甚至連溫度、壓力這樣的熱力學(xué)現(xiàn)象都可以用分子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋。并且他還發(fā)現(xiàn)了光是由7種不同顏色的光混合而成。因此，在解釋光是什么的問(wèn)題上，他很自然地傾向了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的思路。
根據(jù)光直線運(yùn)動(dòng)、能反射、透射的特點(diǎn)，以及七色光等現(xiàn)象，1704年，艾薩克·牛頓提出了光微粒說(shuō)。他認(rèn)為光是由非常奧妙的微粒組成，遵守運(yùn)動(dòng)定律。這可以合理解釋光的直線移動(dòng)和反射性質(zhì)。例如，你可以把鏡子的反射現(xiàn)象想象成光的微粒像乒乓球撞擊到墻壁上被反彈回來(lái)。
然而，如果把光看成是一種微粒，就會(huì)發(fā)生許多微粒交叉撞擊到一起相互碰撞彈開的事情。但是，當(dāng)你把幾束光交叉照射后會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們會(huì)毫無(wú)妨礙地彼此穿過(guò)對(duì)方，然而相互穿過(guò)對(duì)方的事情只有波才可以做到。另外，如果把光看成是微粒，也無(wú)法解釋光的折射現(xiàn)象。
但是如果把光看成是波，卻很容易解釋折射現(xiàn)象。
由于牛頓無(wú)與倫比的學(xué)術(shù)地位，他的粒子理論在一個(gè)多世紀(jì)內(nèi)無(wú)人敢于挑戰(zhàn)，而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。直到十九世紀(jì)初衍射現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，光的波動(dòng)理論才重新得到承認(rèn)。而光的波動(dòng)性與粒子性的爭(zhēng)論從未平息。
1807年，托馬斯·楊完成的雙縫實(shí)驗(yàn)顯示出，衍射光波遵守疊加原理，這是牛頓的光微粒說(shuō)無(wú)法預(yù)測(cè)的一種波動(dòng)行為。這實(shí)驗(yàn)確切地證實(shí)了光的波動(dòng)性質(zhì)。
隨著光波動(dòng)說(shuō)的數(shù)學(xué)理論逐漸完善，到19世紀(jì)末，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是理論上，牛頓的理論都失去了以往的地位。
在雙縫實(shí)驗(yàn)里，從光源a傳播出來(lái)的相干光束，照射在一塊刻有兩條狹縫b和c的不透明擋板S2上。在擋板的后面。擺設(shè)了攝影膠卷或某種偵測(cè)屏F，用來(lái)紀(jì)錄到達(dá)F的任何位置d的光束。最右邊黑白相間的條紋，顯示出光束在偵測(cè)屏F的干涉圖樣。
因?yàn)樗軌蛘f(shuō)明偏振現(xiàn)象的機(jī)制，這是光微粒說(shuō)所不能夠的。
因?yàn)橹挥小安ā保ㄈ缢ǎ┎艜?huì)出現(xiàn)這樣的干涉條紋，所以這個(gè)既簡(jiǎn)單又巧妙的實(shí)驗(yàn)無(wú)可辯駁地證明：光是一種波。這就是著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。
1864年，詹姆斯·麥克斯韋將電磁學(xué)的理論加以整合，提出能夠解釋種種電磁現(xiàn)象的麥克斯韋方程組。用其計(jì)算獲得的電磁波波速等于做實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的光速。麥克斯韋于是猜測(cè)光波就是電磁波。1888年，海因里?！ず掌澴鰧?shí)驗(yàn)發(fā)射并接收到麥克斯韋預(yù)言的電磁波，證實(shí)麥克斯韋的猜測(cè)正確無(wú)誤。從這時(shí)，光波動(dòng)說(shuō)開始被廣泛認(rèn)可，而且進(jìn)一步被認(rèn)為是一種不需要傳播介質(zhì)的電磁波。在這種波中，電場(chǎng)的改變?cè)谄渲苓吋ぐl(fā)起磁場(chǎng)的改變，而磁場(chǎng)的改變又在其周邊激發(fā)起電場(chǎng)的改變。由此形成了由場(chǎng)源向外傳播的電磁波。
（未完待續(xù)），遨游我心_健康，2013.09.26
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