量子物理学发展简史
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如果说要评选20世纪人类社会最重要的事件,那么既不是两次世界大战,也不是人类登上太空,而是量子力学的出现和发展。
量子力学是现代物理学的理论基础之一,是研究微观粒子运动规律的科学。随着量子力学的发展,人们对物质的结构以及其相互作用的见解发生了革命性的变化,使人们对物质世界的认识从宏观层次跨进了微观层次。
1900年,普朗克由黑体辐射的研究提出能量量子化。普朗克指出,辐射过程不是连续的,而是以最小的能量一份一份地放射出来。这个最小能量单位叫量子。普朗克公式与实验结果完全一致。量子假说对量子论的发展起了开创性的作用。
1905年,爱因斯坦提出光量子假说,成功地解释了光电效应。爱因斯坦受到普朗克的启发,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。后来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。1922年,康普顿X射线光谱实验证实光子假设。
1913年,玻尔在普朗克的量子辐射基础上,建立原子辐射和吸收的量子化理论,成功地解释了氢原子及较重元素原子的谱线。在此后,以玻尔的量子原子论为基础,物质的光、电、磁及其他诸多化学性质都一一得到了解释。
1924年,底,德布罗意提出波粒二象性,突破了玻尔的原子量子论,使微观物理得到大发展。这个大胆的创造性假设轰动了整个学术界。按照经典物理的观念,粒子与波是完全不同的两种物质形态,根本不可能融合在一起,许多学者都对此持怀疑态度。但爱因斯坦十分赞赏地说道:“一幅巨大帷幕的一角卷起来了。”1927年,实验证实了德布罗意的物质波的真实性。
1925年,沃纳·海森堡发表了矩阵力学理论,认为人不能够确定某时刻电子在空间的位置,也不能在轨道上跟踪它。马克斯·玻恩把它与爱因斯坦抛弃绝对时空观概念相媲美。狄拉克在研究过海森堡的理论与经典理论之间的本质区别后,于1927年发表了《量子代数学》一文,使矩阵力学理论体系更加严密。
1925年,沃尔夫冈·泡利提出了电子自旋的概念;狄拉克得出了电子具有磁矩的结论,并提出了符合狭义相对论要求的电子量子论,开创了相对论波动力学的研究。自第一个反粒子发现之后,物理学家们逐渐认识到,一切粒子都有反粒子,它与粒子具有相同的质量、寿命和自旋,具有相反的电荷和磁矩。
1926年,薛定谔沿着另一条途径建立了量子力学的又一种数学形式——波动力学。薛定谔的物质波运动方程提供了系统和定量处理原子结构问题的理论,除了物质的磁性及其相对论效应之外,它在原则上能解释所有原子现象,是原子物理学中应用最广泛的公式,它在量子力学中的地位与牛顿运动方程在经典力学中的地位相似。
1927年,海森堡第一次提出了“不确定关系”,指出在同一时刻以相同的精度测定粒子的位置与动量是不可能的,只能从中精确确定两者之一。从此,“不确定关系”也成为量子力学基本原理之一。
从波粒二象性到波动力学,再到相对论波动方程,从矩阵力学到以不确定性原理、不相容原理和互补性原理为核心的哥本哈根学派对量子力学的诠释,波动力学和矩阵力学的统一使量子力学理论构建成功。
量子力学的新概念和新理论,深度影响着其他相关学科,使固体物理、生物物理、物理化学、核物理、天体物理甚至宇宙学等领域都取得了革命性的进展。
由于参与人数之多、跨越时间之长、创建之艰辛,以及给自然科学带来的冲击之大与变革之深,使得量子力学成为一门极其独特的学科。
量子力学发端于欧洲这片“沃土',与欧洲的自然哲学,尤其与自然哲学的深厚底蕴、纯数学的繁荣发展直接相关。数学家的思维模式、逻辑的运用、数学思维的训练以及关于自然属性等的哲学思考都直接影响到物理能力的开发与展现。此外,教育体制宽松、学术自由、学术交流频繁、严谨学风传承、纯真的对话与激辩、友情及师生情谊也促成这一学科的繁荣发展。
量子力学的诞生,引发了一系列的技术革命,包括核能、计算机、材料学、信息技术等等领域,完全深入到我们生活的每一个角落。就实用性而言,量子力学可以说是最成功的理论。
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