经典力学的不足，量子力学是如何撑起现代物理学的大厦的？

1687年，艾萨克-牛顿爵士出版了《自然哲学原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica），被认为是科学史上最重要的作品之一。该书主要阐述了1）牛顿的运动定律；2）牛顿的万有引力定律；和3）约翰内斯-开普勒的行星运动定律的推导，开普勒首先通过经验获得这些定律。现代物理学的整个大厦都建立在牛顿工作的基础上，这就是为什么经典力学在大众科学文化中也被称为 "牛顿力学"。

• 牛顿的《数学原理》

这些定律很好地解释了宏观世界的物理现实，考虑到它们使用了绝对质量、绝对时间和绝对空间的概念。换句话说，当涉及到对 "物理过程 "的全面理解和解释时，牛顿力学的效果不错。然而，当涉及到用经典力学的概念来解释粒子的世界时，事情就变得有点奇怪了。

那些在第一次接触到量子理论时没有感到震惊的人不可能理解它——尼尔斯-玻尔，1932-1957年关于原子物理和人类知识的论文

测量结果似乎并不十分合适和准确。为什么会出现这种情况？牛顿力学的不足之处是什么，它未能解释量子世界，并诞生了一套全新的定律来解释原子和光子的世界？让我们简单地讨论一下。

原子的稳定性。根据物理学的经典方法，围绕原子核运行的电子在加速从而不断地发射辐射。然后，粒子的辐射发射应该导致能量的损失，这意味着电子最终应该与原子核相撞，原子应该是不稳定的，但似乎并不是这样。因此，经典力学定律无法解释长期观察到的原子的稳定性。而这催生了原子轨道能量量化的概念，这意味着电子只能拥有某些离散的能量值；在这些量化值之间的值是不允许的。

• 电子辐射的经典理论。

光电现象

阿尔伯特-爱因斯坦因提出光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖。光电效应解释了光和物质的相互作用。在这种现象中，发射电子的能量并不取决于入射辐射的强度，而只取决于其频率。这种光与物质相互作用的行为不能用经典力学的概念来解释。因此，它只能由光和物质的量子理论来解释。光电效应的实验观察提供了以下结论：光电流与入射辐射的强度成正比，发射的光电子的遏止电势的大小以及由此产生的最大动能与发射的辐射的频率成正比，并且存在一个最小阈值频率，因此，如果频率小于这个阈值频率的辐射入射到金属表面，不管辐射的强度如何，都没有光电发射。

康普顿散射

1923年，理论物理学家阿瑟-康普顿发表了一篇论文，解释了电磁辐射（光）的粒子性质，实验表明，带电粒子（电子）在与电磁辐射相互作用时被散射，这只有在假设电磁辐射实际上是粒子时才有可能。这与经典力学所解释的光的波性相矛盾，因此这种现象可以通过量子力学定律所提出的光的二象性假设来理解。

• 1933年，康普顿在芝加哥大学与他的宇宙射线望远镜旁边的研究生路易斯-阿尔瓦雷斯。

物质的磁性

解释物质磁性的经典方法似乎不太令人满意，因为它不能解释某些磁性，如反铁磁性和磁阻力。在像氧化锰这样表现出反铁磁性的材料中，原子或分子的磁矩，通常与电子的自旋有关，以规则的模式排列，相邻的自旋（在不同的子晶格上）指向相反的方向。由于原子的磁矩与电子的自旋有关，经典的解释无法想象这个概念，因此需要用量子力学方法来解释物质的磁性行为。

黑体辐射的能量谱

黑体辐射这一术语是由古斯塔夫-基尔霍夫在1860年提出的。黑体辐射也被称为腔体辐射、完全辐射或热辐射。根据经典理论，电子的每个振动频率应该具有相同的能量。由于对频率的大小没有限制，所以在高频率下（加热时）振动电子的能量也没有限制。这意味着，根据经典物理学，在较高频率下振动的电子产生的光的能量应该没有限制，这似乎是错误的。

• 黑色曲线（由经典理论预测）与 蓝色曲线（由普朗克的理论预测）

1900年，理论物理学家马克斯-普朗克提出，每个波都有一个自然的能量，完全与热体的温度无关。能量不是由以不同频率振动的电子平均分配的。普朗克说，能量是成团的。他把一个能量团块称为一个量子。一个能量团块（量子）的大小取决于振动的频率。在高频率下，一个量子的能量是如此之大，以至于高频振动永远无法进行。

物理世界中还有许多其他现象没有被充分解释或不能被经典力学充分解释，如低温下比热容的变化，不同物质的电导率变化，基本粒子的内在角动量等。由于这些原因，在20世纪之交，量子力学诞生了，主要是随着普朗克的黑体辐射理论在1900年代的发表。迄今为止，量子力学是唯一有效的物理学框架，能够成功地解释原子和亚原子世界的规律，它是所有现代物理学的基础。