有量子力學發(fā)展史談一談物理學研究報告方法

..>量子力學理論體系的開展，從二十世紀初開場，經(jīng)歷了半個多世紀，積累了十二項諾貝爾物理學獎的成果才形成的。德國物理學家普朗克因發(fā)現(xiàn)能量子而對物理學的開展做出出色奉獻，榮獲1918年度諾貝爾物理學獎。他1895年開場研究熱輻射問題，1900年普朗克在德國物理學會年會上宣讀了"關(guān)于正常光譜的能量分布定律"的論文。他指出能量在輻射過程中不是連續(xù)的，而是如一股股的涓流似的被釋放。這股涓流就是量子，而量子的能量只決定于頻率v，即E=hv，h=6.63×10?34J?S，h為作用量子，后人稱之為普朗克常數(shù)，作用量子在物理學中是一種嶄新的、前所未聞的事物，它要求從根本上修改我們自從牛頓和萊布尼茲在一切因果關(guān)系的連續(xù)性根底上創(chuàng)立了微積分以來的全部物理概念。真正認識量子論的價值并大大開拓其應(yīng)用疆界的是愛因斯坦，1905年提出光量子的概念，成功地解釋了光電效應(yīng)，1913年玻爾在此根底上又提出了原子構(gòu)造的量子理論，提醒了原子光譜之謎。于是普朗克的量子理論，標志著一個新的、廣闊的物理學科——量子力學的誕生。德國物理學家愛因斯坦，因發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)而獲1921年度諾貝爾73物理學獎，1905年愛因斯坦發(fā)表了論文"關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點"，他推廣普朗克把能量子的不連續(xù)性局限在輻射和吸收過程中，認為光在傳播過程中能量也是不連續(xù)的，每個光子都有一定的能量，對于頻率為v的光，其光子能量為E=hv。光電效應(yīng)是由于金屬中的自由電子吸收了光子能量而從金屬中逸出而發(fā)生的。這樣，愛因斯坦用光量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)，并確定了其規(guī)律。愛因斯坦光量子理論的重要意義，是使對光的本性認識推進了一大步，歷時三個多世紀的波動說和微粒說的爭論，被愛因斯坦的光的波粒二象性論點所代替，并為以后其他的微觀粒子的波粒二象性的觀點打下了堅實的根底。必須指出愛因斯坦對物理學的奉獻不僅僅只是正確解釋光電效應(yīng)一方面，他所創(chuàng)立的狹義相對論、廣義相對論等是他對人類科學最大的劃時代奉獻。只是當時決定授予愛因斯坦諾貝爾物理學獎的時候，他的相對論還未被所有科學家成認，物理學界還存在著劇烈的爭論和巨大的分歧，因此評委會有意回避了相對論的奉獻，只是他對理論物理方面的奉獻，特別是說明光電效應(yīng)的規(guī)律而授予他這項榮譽獎勵。丹麥物理學家玻爾因研究原子構(gòu)造及原子輻射獲1922年度諾貝爾物理學獎。1913年玻爾以"論原子和分子構(gòu)造"為題，連續(xù)發(fā)表了3篇論文，指出原子系統(tǒng)的每個變化只能從一個穩(wěn)定態(tài)完全躍遷到另一個穩(wěn)定態(tài)。穩(wěn)定態(tài)原子不發(fā)生輻射，只有在兩個穩(wěn)定態(tài)之間躍遷才產(chǎn)生電磁輻射。并由下面關(guān)系決定EEhv′′?′=，式中E′、E′′是原子發(fā)生輻射過程的始、末穩(wěn)定態(tài)的能量值。玻爾理論提供了一個動態(tài)的原子構(gòu)造的輪廓，提醒了光譜線與原子構(gòu)造的在聯(lián)系，指出了光譜分析是研究原子構(gòu)造的重要途徑，從而推動了物質(zhì)構(gòu)造理論的開展，玻爾原子理論也是從經(jīng)典理論轉(zhuǎn)向量子理論的一個重要的開端和過渡，為量子力學的誕生提供了條件。玻爾的理論，被1914年弗蘭克和赫茲的實驗證實，原子確實是躍遷式地改變自己的狀態(tài)。他提出的氫原子構(gòu)造理論和氫光譜理論，奠定了原子物理學的根底，對量子論和量子力學的開展起了重要作用，玻爾成為20世紀與愛因斯坦齊名的物理學家。德國物理學家弗蘭克和赫茲因發(fā)現(xiàn)電子和原子碰撞規(guī)律，共同榮獲741925年諾貝爾物理學獎，1914年〔玻爾理論發(fā)表的第二年〕，弗蘭克和赫茲在實驗中用電子與原子相互碰撞的方法，首次證明了原子中確有能級分布，即原子部確實有不連續(xù)的定態(tài)能級分布狀態(tài)存在，進而還證明了這些能級和輻射之間的關(guān)系，為以后的量子力學的建立打下了實驗根底。1923年美國物理學家康普頓對電子和光子散射過程實驗研究成果〔稱為康普頓效應(yīng)〕，使愛因斯坦于1916年新提出的理論，即在電磁輻射同物質(zhì)相互作用時，每個光子在傳遞一份能量E=hv的同時，還傳遞一份大小為chvP=的動量〔式中c為光速〕，得到了實驗證實，還證實了散射波長的變化，使人們對光子的波粒二象的認識的到達了新的深度?？灯疹D和英國威耳因發(fā)現(xiàn)了用蒸汽凝聚觀察帶電粒子軌跡的方法，2人共同獲1927年度諾貝爾物理學獎。法國物理學家德布羅意發(fā)現(xiàn)電子、原子等實物粒子也具有波粒二象性，獲1929年度諾貝爾物理學獎。德布羅意在1923年接連發(fā)表數(shù)篇論文，闡述了它關(guān)于波動和粒子統(tǒng)一的觀點，1924年11月他把以前發(fā)表的論文要點聚集成一篇題為"量子理論的研究"論文，交給巴黎大學理工學院，申請博士學位、論文分別寄給了愛因斯坦、薜定諤、德拜等人，愛因斯坦在科學上有著超人的美學素養(yǎng)，看過德布羅意的論文后，他稱贊說："德布羅意的工作給我留下了深刻印象，一幅巨大帷幕的一角卷起來了。〞愛因斯坦看出，德布羅意的工作不僅是與自己的光量子理論的簡單類比，這種物質(zhì)波還包含了玻爾、索米菲的量子規(guī)律非常卓越的幾何解釋。由于愛因斯坦的推薦，物質(zhì)波的理論一下子又引起了物理學界的廣泛關(guān)注。1925年美國物理學家戴維和英國物理學家用電子衍射實驗，證明了德布羅意理論的正確性。德布羅意提出物質(zhì)波的概念和理論后，1926年薜定諤在物質(zhì)波的根底上加以數(shù)學論證，提出了著名的薜定諤波動方程。美國物理學家戴維和英國物理學家湯姆遜二人因在實驗上發(fā)現(xiàn)晶體對電子的衍射而共獲1937年度諾貝爾物理學獎，他們在實驗中發(fā)75現(xiàn)的電子束射到晶體上時產(chǎn)生的衍射和干預(yù)現(xiàn)象，在本質(zhì)上擴大了人們對電子本性的認識，為德布羅意的物質(zhì)波動性提供了第一個肯定的實驗證據(jù)。他們的方法和研究，為科學提供了一種研究物質(zhì)構(gòu)造的極其重要的新工具，這種新的研究方法在物理學和化學的應(yīng)用領(lǐng)域中，取得了許多重要的新成果。以上各成就對微觀物質(zhì)的波粒二象性的量子力學理論建立了系統(tǒng)的成果，于是量子力學理論體系的完整的數(shù)學描述的研究也隨之開展起來。德國物理學家海森伯，因創(chuàng)立量子力學并發(fā)現(xiàn)氫的同素異形體獲1932年度諾貝爾物理學獎。海森伯利用矩陣數(shù)學，將發(fā)射光譜線的頻率、強度和極化三者聯(lián)系起來，提出了微觀粒子的不可觀察量，即位置、動量等可由以上三者經(jīng)過一定矩陣運算法則表示出來，從而找到了解釋微觀物理根本過程的最主要的表達方式。海森伯就這樣利用矩陣代數(shù)，建立起了量子力學的理論體系——矩陣力學。1925年他將其研究結(jié)果寫成"論運動學和力學關(guān)系的量子解釋"的論文發(fā)表，標志著量子力學的正式創(chuàng)立。玻恩、約爾丹和狄喇克進一步把上述的數(shù)學系統(tǒng)開展成協(xié)調(diào)和實用的理論。海森伯和其他物理學家用矩陣力學研究了原子、分子的光譜特性，得到的結(jié)果與實驗一致。奧地利物理學家薜定諤和英國物理學家狄喇克因創(chuàng)立原子理論的新形式，兩人共同分享了1933年度諾貝爾物理學獎。薜定諤沿著愛因斯坦——德布羅意開辟的道路，在深入研究物質(zhì)波動性的根底上，成功地建立了原子和分子部運動的新的力學體系，于1926年在"物理年鑒"上以一組4篇形式的論文發(fā)表了他的研究成果，創(chuàng)立了波動力學，并用該理論解決了原子物理學的許多問題，為研究原子和分子在不同外部條件下具有的性質(zhì)提供了簡單的方法，對物理學的開展起了巨大作用。薜定諤注意到海森伯矩陣力學中的對易關(guān)系，使矩陣可以由薜定諤的本征函數(shù)建立，從而證明了波動力學與矩陣力學在數(shù)學上完全等價。薜定諤方程用于研究微觀粒子的動力學規(guī)律的重要性如同牛頓方程在經(jīng)典力學中的等同地位。狄喇克1928年提出的狄喇克方程，用一種全76新的思想把量子力學和相對論結(jié)合起來，用以描述高速的電子運動。1927年他又提出二次量子化方法，創(chuàng)立量子電動力學，1936年建立了自由粒子的廣義經(jīng)典場論，1958年又提出引力量子化理論，這些成果把量子力學推向了更加成熟的階段。英籍物理學家玻恩因在量子力學的根本研究，特別是波函數(shù)統(tǒng)計解釋與德國物理學家博特因提出符合計數(shù)法以及由此取得的開展，2人分享了1954年度諾貝爾物理學獎。薜定諤認為粒子是一個波包，波函數(shù)ψ描寫泡包的運動狀態(tài)，|ψ|2代表微觀粒子在空間的密度，因此ψ描述的波是實在的波，薜定諤的波動力學是成功的，但他對波函數(shù)的理解是錯誤的。玻恩在"散射過程的量子力學"的論文中，第一次提出了對波態(tài)函數(shù)的概率解釋，把物質(zhì)粒子的波動性和粒子性正確地統(tǒng)一起來，經(jīng)受住了實驗的嚴峻考驗，消除了薜定諤對波態(tài)函數(shù)理解的困境，得到了全世界絕大多數(shù)物理學家的公認。美籍奧地利物理學家泡利因發(fā)現(xiàn)不相容原理獲1945年度諾貝爾物理學獎，他針對"量子數(shù)的不變性〞的疑難問題，泡利在1925年發(fā)表的"關(guān)于原子電子群與光譜線的復(fù)雜構(gòu)造"的論文中提出的不相容原理成為了微觀物理學的一條根本定律。他發(fā)現(xiàn)電子自旋并把自旋引進量子力學，在量子理論中對分立對稱性有深入研究，此外對根本粒子自旋與統(tǒng)計關(guān)系研究、氣體與金屬順磁性的量子力學理論、把波動力學從單粒子推廣到多粒子等均有重要奉獻。美國物理學家費因曼、施溫格和日本物理學家朝永振一郎三人因在量子電動力學方面所做的對根本粒子物理學深刻的根底性研究，共獲1965年諾貝爾物理學獎。1930～1940年期間發(fā)現(xiàn)，利用量子電動力學計算時，在一級近似下得到和實驗相符合的結(jié)果，在二級近似時，卻得到無窮大的結(jié)果。施溫格和朝永振一郎分別提出"重整化〞理論，解決了這個問題，這個方法最終使量子電動力學成為一種嚴格的理論，成為目前量子場論中最成功的局部。費因曼建立了量子力學的路經(jīng)積分方法，并用它重寫和重建了量子力學及量子電動力學的大局部公式和局部理論，還在量子電動力學中建立了一套嚴格的規(guī)則—費因曼規(guī)則。并用77簡單的幾何圖形來描述微觀粒子之間的相互作用——費因曼圖。他們所開展的量子電動力學，把原子構(gòu)造、輻射吸收、粒子的產(chǎn)生和湮沒、固體物理學、激光、微波波譜學、等離子體學等不同領(lǐng)域的現(xiàn)象很好地統(tǒng)一在為數(shù)不多且非常一般性的原理之中。值得指出愛因斯坦對量子力學的重要奉獻，他首先承受普朗克的能量變化是不連續(xù)的這一革命思想，對普朗克的發(fā)現(xiàn)給與了高度的評價，在此根底上提出了光量子學說，對量子概念起了巨大的推動作用。在此后量子力學開展的幾十年中，愛因斯坦一直是辯論的主角和主導(dǎo)者之一．例如薛定諤在發(fā)表波動力學以前和愛因斯坦討論、請教問題，通信共有十三封之多，信中寫道："假設(shè)不是你的簡并論文的第二篇文章把德布羅意的思想置于我的面前，如果單靠我個人，很難想象波動力學會建立起來〞。1926年海森伯應(yīng)邀在柏林大學作量子力學報告，會后回家，愛因斯坦向他指出："你的理論總有一天要陷于困境……，因為你不可能擺脫限制電子運動空間那個簡單的軌道〞。于是海森伯針對軌道概念與量子力學數(shù)學構(gòu)造不相容，而電子通過云室的徑跡又是確實存在的，在1927年的論文"論量子論的運動學與動力學的直覺容"中提出了測不準原理，找到了理論與實驗統(tǒng)一的出路，構(gòu)成了量子力學中任何測量理論的根本概念。愛因斯坦和以波爾為代表的哥本哈根學派之間的關(guān)于量子理論辯論始于1927年，一直持續(xù)到1955年愛因斯坦逝世，經(jīng)歷了如此長久的時間，涉及諸多深奧的問題，在歷史上只有牛頓和萊布尼茲的爭論可以相比，但是量子力學理論的學術(shù)大論戰(zhàn)，卻是在真摯的友誼關(guān)系之中進展。除愛因斯坦之外，對量子力學開展有重要奉獻的第二位人物，要首推丹麥物理學家玻爾。玻爾在科學研究做出巨大奉獻的同時，還同他的同事、助手們共同創(chuàng)造了一種在科學上自由討論、相互學習的被稱為"哥本哈根精神〞的學術(shù)氣氛和精神，對科學家及科學界產(chǎn)生了巨大影響。他還致力于推進科學的國際交流，從1920年創(chuàng)立哥本哈根理論物理研究所到1962年他去世的42年中，在研究所學習、工作、交流的各國學者達1000多人，其中海森伯、狄喇克、費密、朗道等10多人先后獲得78諾貝爾獎，我國的一批著名學者如周培源、周光召、胡寧、宗燧、福家、曾謹言等都先后到哥本哈根學習、工作、交流過。因此哥本哈根被世人稱之為物理學家的朝圣地，玻爾本人也被譽為"科學國際化之父〞。1927年哥本哈根學派提出的兩論的測不準原理和互補原理相繼發(fā)表，辯論便進入高潮。主要分歧是愛因斯坦反對放棄"嚴格的因果律〞，而哥本哈根學派卻斷言在研究微觀客體中，應(yīng)原則上放棄決定論，愛因斯坦反對量子力學數(shù)學形式是不可更改的最終形式的論點，認為它是一種過渡的理論，微觀世界規(guī)律應(yīng)該建立在決定論的根底上。在1927年到1930年愛因斯坦認為量子力學理論有在邏輯矛盾，他選擇測不準原理為突破口，設(shè)計了一個又一個的"理想實驗〞來否認這個原理，辯論結(jié)果總是更清楚地說明量子理論的自洽性，使他成認了哥本哈根詮釋的邏輯性，但并未縫合他們之間哲學思想上存在的鴻溝。1931年開場又對量子力學理論的完備性提出質(zhì)疑。愛因斯坦企圖用兩個原理證明量子力學理論的不完備性。即實在性原理：對任一系統(tǒng)在沒有外力干擾的情況下物理量是確定的，則是實在的。定域性原理：假設(shè)兩系統(tǒng)無相互作用，則對一個系統(tǒng)進展測量不會使第二個系統(tǒng)發(fā)生變化。愛因斯坦指出這兩個原理與量子力學原理的不能協(xié)調(diào)一致，從而斷言哥本哈根學派的量子力學是不完備的。他認為不應(yīng)死抱住可觀察的東西這個當今時髦的實證論傾向，以及在原子大小的圍，不能以為所欲為的準確度來做預(yù)測，認為正確的理論不能從觀察到的結(jié)果編出來，而只能被創(chuàng)造出來。人們應(yīng)該去嘗試尋找新的理論根底，在此根底上推導(dǎo)出量子力學。于是，各種各樣"隱變量理論〞提了出來。1955年愛因斯坦逝世以后，對隱變量的存在性問題及具體隱變量的模型進展了長時間的研究，直到73年，沒有一種隱變量理論能產(chǎn)生量子力學的所有結(jié)果。與此相反，到80年代具有更準確的實驗結(jié)果，卻證明了量子理論是正確的。量子力學理論體系于是被定型下來。但是歷史總是會給人一種意想和回味，假設(shè)愛因斯坦這位百年一遇的偉大科學家能精力充分的多活20年，量子力學是否比現(xiàn)在的版本會更加透徹、精深？對量子力學理論體系開展歷史的學習，通過對百余年的諾貝爾物理獎的查閱，可以很好地找到量子力學這門學科的開展的軌跡和脈絡(luò)，能夠抓著其開展的各階段有重大意義及核心價值的每一個容，因為諾貝爾獎的評委是當代此領(lǐng)域的高水平學者，被評出的科學成果，反映過去一年里物理學領(lǐng)域的最高水平。從這十二項諾貝爾獎的容，可看出量子力學理論的開展大概可分成二個階段，第一階段主要是針對量子理論的新發(fā)現(xiàn)和新概念，第二階段是量子力學的現(xiàn)象和規(guī)律如何用恰當?shù)臄?shù)學理論方程去描述