量子力学的历史和发展

量子力学的历史和发展

量子论和相对论是现代物理学的两大基础理论。它们是在二十世纪头30年发生的物理学革命的过程中产生和形成的，并且也是这场革命的主要标志和直接的成果，量子论的诞生成了物理学革命的第一声号角。经过许多物理学家不分民族和国籍的国际合作，在1927年它形成了一个严密的理论体系。它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果，而且在人类思想史上也占有极其重要的地位。如果说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念，那么量子论则很大程度改变了人们的实践，使人类对自然界的认识又一次深化。它对人与自然之间的关系的重要修正，影响到人类对掌握自己命运的能力的看法。量子论的创立经历了从旧量子论到量子力学的近30年的历程。量子力学产生以前的量子论通常称旧量子论。它的主要内容是相继出现的普朗克量子假说、爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子理论。

热辐射研究和普朗克能量子假说

十九世纪中叶，冶金工业的向前发展所要求的高温测量技术推动了热辐射的研究。已经成为欧洲工业强国的德国有许多物理学家致力于这一课题的研究。德国成为热辐射研究的发源地。所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波。所有的热物体都会发出热辐射。凝聚态物质(固体和液体)发生的连续辐射很强地依赖它的温度。一个物体被加热从暗到发光，从发红光到黄光、蓝光直至白光。1859年，柏林大学教授基尔霍夫(1824—1887年)根据实验的启发，提出用黑体作为理想模型来研究热辐射。所谓黑体是指一种能够完全吸收投射在它上面的辐射而全无反射和透射的，看上去全黑的理想物体。1895年，维恩(1864—1928年)从理论分析得出，一个带有小孔的空腔的热辐射性能可以看作一个黑体。实验表明这样的黑体所发射的辐射的能量密度只与它的温度和频率有关，而与它的形状及其组成的物质无关。黑体在任何给定的温度发射出特征频率的光谱。这光谱包括一切频率，但和频率相联系的强度却不同。怎样从理论上解释黑体能谱曲线是当时热辐射理论研究的根本问题。1896年，维恩根据热力学的普遍原理和一些特殊的假设提出一个黑体辐射能量按频率分布的公式，后来人们称它为维恩辐射定律。普朗克就在这时加入了热辐射研究者的行动。普朗克(1858—1947年)出身于一个书香门第之家，曾祖父和祖父曾在哥廷根大学任神学教授，伯父和父亲分别是哥廷根大学和基尔大学的法学教授。他出生在基尔，青年时期在慕尼黑度过。17岁进慕尼黑大学攻读数学和物理学，后来转到柏林大学受教于基尔

霍夫和赫尔姆霍茨(1821—1894年)等名师。1879年，他以《论热力学第二定律》的论文获博士学位。他先后在慕尼黑大学和基尔大学任教并从事热力学研究。18 88年11月，他作为基尔霍夫的继任人到柏林大学讲授理论物理学。他的研究方向从热力学转向热辐射，就是到柏林后才开始的。开始时他用热力学方法研究黑体辐射理论。他假定空腔壁是由具有相同频率的电谐振子组成的，用热力学方法处理这种谐振子集。1899年，他得到了一个和维恩辐射定律一致的关系式。同年年底他得知库尔鲍欧(1857—1927年)和鲁本斯(1865—1922年)在9月份发表的实验报告，维恩以及他自己的辐射定律在高频部分与这实验相符，而在低频部分则与实验偏离。他不得不尝试修改自己的公式，他得到了一个，仍然不好。正当他继续修改自己的辐射公式时，1900年6月英国物理学家瑞利(1842—1912年) 发表论文批评维恩在推导辐射公式时引入了不可靠的假定。他把统计物理学的能量均分定理用于他的一个以太振动模型，导出了一个新的辐射公式。同年10月7日，鲁本斯夫妇走访普朗克，并告诉他瑞利的辐射定律在低频部分与他的实验相符，在高频部则与实验相差甚大。普朗克受到启发，立即用内插法导出了一个在高频趋近维恩公式而在低频则趋近瑞利公式的新的辐射定律。10月19日，他在德国物理学会的会议上以《论维恩辐射定律的改进》为题报告了自己的结果。鲁本斯当晚进行了核验，证明普朗克的新公式同实验完全相符。鲁本斯深信普朗克公式与实验曲线的精确一致绝非巧合，在这个公式中一定孕育着一个新的科学真理。于是鲁本斯在第二天就把这一结果告诉了普朗克。普朗克受到极大的鼓舞，并决定寻找隐藏在公式背后的物理实质。普朗克又回到他的谐振子模型，而且这次他把出发点从热力学转到统物理学。但是他回避了能量均分定理。他把玻尔兹曼原理运用于线性谐振子热平衡时的能谱分布问题上，导出了振子热平衡时的能谱分布公式。若想使新得到的这个公式能说明实验曲线，则这公式必须与以前用内插法得到的公式具有同一形式。而要得到这样的统一，则要求新公式中所包含的振子的能量值必须是一系列不连续的量。而这是与古典物理学关于能量是连续的观点尖锐对立的。普朗克尊重实验事实，于是提出一个大胆的、革命性的假设：每个带电线性谐振子发射和吸收能量是不连续的，这些能量值只能是某个最小能量元e的整数倍，而每个能量元和振子的频率成正比。后来人们称e为“能量子”，称h为“普朗克常数”。1900年12月24日，普朗克在德国物理学会的会议上以《论正常光谱能量分布定律的理论》为题报告了自己的结果。

量子论就这样随着二十世纪开始由伟大的物理学家普朗克把它带到我们这个世界来。虽然在围绕原子论的争论过程中，玻尔兹曼(1844—1966年)在反驳唯能论时说过“怎么能说能量就不像原子那样分立存在呢？”这样的话，马赫(1838—1916年)曾经表明化学运动不连

续性的观点，但真正把能量不连续的概念引入物理学的是普朗克。因为能量不连续的概念与古典物理学格格不入，物理学界对它最初的反映是冷淡的。物理学家们只承认普朗克公式是同实验一致的经验公式，不承认他的理论性的量子假说。普朗克本人也惴惴不安，因为他的量子假设是迫不得已的“孤注一掷的举动”。他本想在最后的结果中令h→0，但却发现根本办不到。他其后多年试图把量子假说纳入古典物理学框架之内，取消能量的不连续性，但从未成功。只有爱因斯坦最早认识到普朗克能量子概念在物理学中的革命意义。

爱因斯坦的光量子论和光的波粒二象性

爱因斯坦(1879—1955年)从普朗克的发现看到需要修改的不仅是某些定律，而是重建新的理论基础。1905年，过着清贫生活的伯尔尼专利局三级技术员爱因斯坦，在一年之内竟创造了可以和牛顿(1642—1727年)在“创造的假期”(1665—1666年)所取得的成就(流数法、光谱分解、万有引力定律)相媲美的三项科学业绩：光量子论、布朗运动理论、狭义相对论。他在《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》这篇论文中提出了光量子假说，把普朗克的能量子的概念从辐射发射和吸收过程推广到在空间传播的过程，认为辐射本身就是由不连续的、不可分割的能量子组成的。他从热力学的观点出发，把黑体辐射和气体类比，发现在一定的条件下，可以把辐射看作是由粒子组成的，他把这种辐射粒子叫做“光量子”。1926年美国化学家刘易斯（1875— 1941年）赋名光量子为“光子”。把光量子看作一些携带着能量和动量的粒子的这种观点，是和十九世纪已经取得统治地位的光波动说相对立的。在某种意义上复活了早在1850年就由傅科(1819—1868年)的所谓“判决性实验”否定了的牛顿的光微粒说。尽管作为光量子理论的推论，爱因斯坦成功地解释了古典物理学理论无法解释的光电效应等，人们也还是对它抱怀疑态度的。能量子的发现者普朗克直到1913年对光量子还难以容忍。只是在十年之后，1915年，不相信光量子的米立肯(1868—1953年)宣布他的实验无歧义地证实了爱因斯坦的光电效应理论和1922年康普顿(1892—1962年)发现Ｘ射线散射效应必须由光量子论解释之后，人们才正确评价了光量子论，宣布爱因斯坦由于“在理论物理学方面的成就，特别是光电效应定律的发现”而授予他1921年度的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦和普朗克不同，当时就坚信自己的光量子论是“非常革命的”。的确，光量子论并不是简单地复活光微粒说，而是揭示了光的波粒二象性。对统计平均现象光表现为波动，对瞬时涨落现象光表现为粒子。光量子论第一次确认了光的波粒二象性这个最基本的性质。继光量子论之后，1906年爱因斯坦又把量子假说应用到固体弹性振动上去，成功地解决了古典物理学理论在低温固体比热问题上所遇到的难题，这个结果标志着一个重要的进

展，因为它表明普朗克常数也出现在与辐射无关的现象中。量子论的下一步发展是由丹麦物理学家玻尔作出的，他把旧量子论推到顶峰，同时他也为从旧量子论向新量子论的过渡起了重要的作用。

玻尔的原子结构理论

同能量原子性（能量子）发现的同时，另一个重大发现是物质原子的可分性。18 95年，德国物理学家伦琴(1845—1923年)发现Ｘ射线。1896年，法国物理学家贝克勒尔(1852—1908年)发现放射性。1897年，英国物理学家汤姆生(1824—1907年)发现电子。这三大发现在物理学家当中引起了强烈的震动。道尔顿(1766—1844年)的化学原子论确立之后，尽管关于原子的实在性还有激烈的争论，但对大多数科学家来说还相信它存在，并把它视为组成一切物质的不可再分的基元。这些新发现向人们表明原子并不是简单的，可能有复杂的结构。于是一些物理学家开始构成各种原子结构模型，这些模型的主要区别是电荷分布和原子内的电子数目，模型的优劣看其在说明原子的力学和电动力学的稳定性，说明光谱现象以及化学性质等方面的能力如何。例如，1901年法国物理学家佩兰（1870— 1942年）提出的结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外围是一些绕转着的电子，电子绕转的周期对应于原子发射的光谱线频率，最外层的电子抛出就发射阴极射线。又如，汤姆生从1897年就开始探索，到1902年才发表的原子结构模型是由一个承担物质质量的正电球体和能够在其内外过往云游的电子流组成。他又于1903年和 1904年先后发表《圆轨道电子体系的磁性》和《论原子的构造》两篇论文，发展了自己的原子模型。他设想一个正的均匀带电球体内部含有许多电子，它们成环状配置。运用这个模型他详细讨论了原子的稳定性、光谱和化学元素的周期性等问题。日本物理学家长冈半太郎(1865—1950年)1903年12月5日在东京数学物理学会上口头发表，并于1904年分别在日、英、德的杂志上刊登了《说明线状和带状光谱及放射性现象的原子内的电子运动》的论文。

他批评了汤姆生的模型，认为正负电不能相互渗透，提出一种他称之为“土星模型”的结构。一个大质量的带正电的球，外围有一圈等间隔分布着的电子以同样的角速度做圆周运动。电子的径向振动发射线光谱，垂直于环面的振动则发射带光谱，环上的电子飞出是β射线，中心球的正电粒子飞出是α射线。长冈的计算，特别是关于稳定性的论断受到批评。因此当时流行的还是汤姆生的模型。德国的哈斯在1910年的一篇论文中，把能量子概念和汤姆生的原子模型结合起来。汤姆生的学生，曼彻斯特大学物理教授卢瑟福(1871—1937年)，领导在他的实验室工作的德国物理学家盖革(1882—1945年)和新西兰物理学家马斯登

(1880—1970年)，发现金原子使α射线产生大于90°的散射角，与汤姆生的小角散射理论不同。他们在19 09年进行的大角散射实验结果却表明有一个很小的带正电的核心，周围好像空荡荡的，直接否定了汤姆生的原子结构模型。于是卢瑟福开始根据他的实验资料探索新的原子结构模型，于1911年提出了一个多少有点类似于佩兰和长冈的电子绕核回转的模型。卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明上遇到了困难。按照古典电动力学电子绕核回转会发射连续的电磁波，因而损失能量并且很快就陷落到原子核上，那么，如何解决卢瑟福的原子模型有实验根据，但却与古典理论不符这个尖锐矛盾呢？这是当时原子物理学家面临的难题。玻尔(1885—1962年)勇敢地选择了卢瑟福的模型。玻尔出生在哥本哈根的一个教授家庭，1911年获哥本哈根大学博士学位。1912年3—7月曾在卢瑟福的实验室进修，就在这进修期间孕育了他的原子理论。玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量，也就是说原子只能处在分立的定态之中，而且最低的定态就是原子的正常态。接着他在友人汉森的启发下从光谱线的组合定律达到定态跃迁的概念。于是在1913年7、9和11月发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》的三个部分。玻尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由E＝hy给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年，德国物理学家索末菲(1868—1951年)把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。1916年，爱因斯坦从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就，把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体。

量子力学的矩阵力学的建立和演化

旧量子论是以电子运动的古典力学和与其不相容的量子假设的不自然的结合为基础的，把玻尔的理论应用于氢原子可以算出它所发射的光的频率，并且和观察结果一致。然而这些频率和电子环绕原子核的轨道频率以及它们的谐频都不相同，这个事实暴露了玻尔理论的内在矛盾。人们自然要问，原子中电子的轨道运动的频率怎么能够不在发射的频率中显示出来

呢?难道这意味着没有轨道运动?假如轨道运动的观念是不正确的，那么原子中的电子到底是怎样的呢？对于这些问题的思索是沿着两条道路进行的。一条道路是玻尔指出的，对于高轨道，发射辐射的频率和轨道频率及其谐频一致这个事实，使他提出发射光谐线的强度接近于对应的谐波的强度。这个对应原理对于近似计算谱线强度已经证明是很有用的。另一条道路来自爱因斯坦的光的波粒二象性的启发。电子也许是像光子一样具有波粒二象性，对应于一个电子的运动是某种物质波。量子论是准确的数学描述就是沿这两条道路发展出来的。沿着对应原理的道路，人们不再把力学定律写成电子的位置和速度的方程，而是写为电子轨道傅里叶展式中的频率和振幅的方程，找到同发射辐射的频率和强度相对应的那些量之间的关系，建立了矩阵形式的量子力学。量子力学的矩阵形式的理论体系是由海森伯(1901—1976年)开创的。海森伯出生于德国维尔次堡城的一个中学教师的家庭。他的父亲后来成了慕尼黑大学教授。像当时大多数青年人一样，1919年的青年运动曾一度使海森伯着了迷。第一次世界大战中德国的战败使他对过去的理想进行反省。柏拉图的《蒂迈欧篇》使他从充满矛盾的社会中走出来，到自然界中去寻找世界的和谐。1922年，他在慕尼黑大学的老师索末菲带他到哥廷根去听玻尔的讲课。这位年仅21岁的大学生竟不安于毕恭毕敬地听大人物的讲话，勇敢地指出玻尔理论的矛盾。玻尔感到海森伯的异议是经过深思熟虑的，邀他到郊外散步。两人在俯临莱纳河谷和富有浪漫色彩的大学城的小山丘上长谈。

从此两人结下了友谊，海森伯很快成长为玻尔事业的继承人。1924年复活节，已成为哥廷根大学玻恩(1882—1970年)助手的海森伯被玻尔邀请去哥本哈根从事研究，翌年回到哥廷根。 1925年5月底，海森伯患枯草热病，告假去北海赫耳果兰岛疗养10天。在那里过着宁静寂寞的生活。他透过疗养所的窗户眺望大海。辽阔的大海使他想起玻尔的一句话，“能领会无限的一部分”。在海滩上散步的海森伯的脑海像大海一样不平静，他想到爱因斯坦处理同时性概念的启示，确立了“物理学只处理可观察量”的观念。沿着这个思路，他抛弃了玻尔理论中的电子轨道这个不可观察量而代之以可观察的辐射频率和强度这些光学量，把玻尔的对应原理加以扩充，猜测出一套新量子论的数学方案。在回哥廷根的路上，他会见了在汉堡的他的老同学鲍里(1900—1958年)，受到鲍里的鼓励更增强了信心，于是，在6月上旬完成了《关于一些运动学和力学关系的量子论的重新解释》的论文，并于7月中旬寄给玻恩去鉴定是否值得发表。玻恩把它推荐给德国《物理学期刊》发表。玻恩经过一个星期的钻研发现海森伯的数学方案是70 多年前就已创造出来的矩阵乘法。由于玻恩不熟悉矩阵数学，于是到处请教，最后遇到熟悉矩阵数学而又愿意合作的年轻人约尔丹(1902—)。9 月份他们两人联合发表了题为《论量子力学》的论文，用数学矩阵的方法发展了海森伯的思想。

他们同时和在哥本哈根的海森伯通信讨论，三人合作的论文《论量子力学Ⅱ》于12月发表，

把量子力学发展成系统的理论。在这个理论中，牛顿力学的运动方程被矩阵之间的类似方程

所代替，后来人们把这个理论称为矩阵力学，以区别量子力学的另一种形式——波动力学。

玻恩在完成三人合作的论文后，于1925年10月去美国麻省理工学院访问。在那里他同维

纳(1894—1964年)合作，用算符理论推广了矩阵力学，发展出量子力学的算符表示形式——

算符力学。比海森伯还年轻的英国剑桥大学的狄拉克(1902—1985年)不满足于海森伯的表述

形式，试图使它同牛顿力学的推广形式——哈密顿方程相适应。 1925年11月7日，他完

成了论文《量子力学的基本方程》，参照古典力学的泊松括号引入量子泊松括号，把古典力

学方程改造成量子力学方程。两个月后他写的论文中引进q数的概念，表示量子力学变数

不遵守对易规则。1926年7月发表的他的论文《量子代数》称为q数理论。

量子力学的波动力学的诞生

贵族出身的法国人德布罗意(1892—)推广了爱因斯坦的光量子论，提出物质波概念，

并沿着物质波的道路找到了环绕原子核的物质波的波动方程。从而导致量子力学的另一种

形式——波动力学的诞生。德布罗意本来是学历史的，大学毕业后转学物理。他起初对相

对论有兴趣，很快又研究起辐射理论。在爱因斯坦关于光的波粒二象性和布里渊(1889—)

用驻波概念诠释玻尔——索末菲量子化条件的启发下，试图建立一种理论，把实物的粒子

性和某种波动性综合起来。1923年9-10月，他一连发表三篇短文，指出爱因斯坦的公式

不仅适用于光子，也应适用于电子。就是说，一向被人看作粒子的电子也应具有E=h v

波动的性质，它的波长λ=h/p。他预言电子穿过小孔时，会像光一样呈现衍射现象。借助

于这种物质波，他解释了玻尔的定态概念，为玻尔—— 索末菲的量子化条件提供了理论根

据。他还进一步指出关于自由粒子的新力学和旧力学之间的关系，完全同波动光学和几何

光学之间的关系一样。1924年，他向巴黎大学提交的博士论文《关于量子理论的研究》是

他以前的几篇论文的总结和严密的论证。在1924年4月召开的第四届索尔维物理学会议上，

德布罗意的老师郎之万(1872—1946 年）向爱因斯坦介绍了德布罗意的工作，一向喜欢物理

学对称性的爱因斯坦很感兴趣，使得不太相信这个新奇理论的郎之万接受了德布罗意的论

文，并于年底把德布罗意的论文寄给爱因斯坦。爱因斯坦在他同年12月6日致罗伦兹

(1853—1928年)的信中称它是解开物理学之谜的“第一道微光”。在1925年2月发表的《单

原子理想气体的量子理论》的论文中提到德布罗意的物质波理论，这一举动扩大了物质波

理论的流传和影响。物质波的理论传到哥廷根也引起玻恩的注意。瑞士苏黎世大学的薛定

谔(1887—1961年)把德布罗意波推广到束缚粒子上建立了波动力学。薛定谔出生于维也纳，父亲继祖业经营工厂，但真正的兴趣是意大利绘画和植物学。所以薛定谔生长在企业家且有文化教养的家庭。他19岁进维也纳大学。在这里，玻尔兹曼(1844—1906年)及其继任人的学术思想和治学精神都曾对他有很大的影响。1910年，获博士学位留校作实验助手。1914年，被征入伍作炮兵士官。战争结束后返回学术领域。1921年，成为苏黎世大学理论物理学教授，主要的研究兴趣是统计力学。爱因斯坦1925年2月发表的那篇关于量子统计的论文引起了薛定谔对德布罗意思想的极大注意。他在同年12月完成的一篇论文《论爱因斯坦的气体理论》中说，按照德布罗意—爱恩斯坦运动粒子的波动理论，粒子不过是波动背景上的一种“波峰” 而已。在苏黎世联邦工业大学和苏黎世大学联合举办的物理学讨论班上，他介绍了德布罗意的工作。

苏黎世联邦工业大学的理论物理学教授德拜(1884—1966年)向他提议，为了恰当地处理波，应当有一个波动方程。此后他致力于建立波动方程。他得到了一个方程，首先用于氢原子中的电子，并考虑了电子运动的相对论效应，建立了相对论性的波动方程。由于与实验不一致他曾一度感到失望。后来他放弃了相对论的考虑，重新用他的方法处理氢原子中的电子问题，结果同实验非常接近。受到这一结果的鼓舞，1926年1—6月，他以同一题目《作为本征值问题的量子化》发表了4 篇论文。波动力学诞生了。按照这个理论，原子的状态由一个波函数描述，它随时间的变化遵循一个偏微分方程。他成功地推导出氢原子各定态的能量值作为他的波动方程的本征值，并给出将一套古典运动方程转换成多维空间中对应的波动方程的更一般的规定。

矩阵力学和波动力学的殊途同归

对于同一对象竟然出现两种形式完全不同的理论，在开始的时候，创立者双方各对对方的理论反感并进行挑剔。海森伯公开写文章指责薛定谔的方法并没有得到德布罗意义上的波动方程。鲍里在一封信中说：“我越掂量薛定谔理论的物理部分，我越感到憎恶。锹拉克在晚年的回忆中承认，当初他对波动力学有点敌意，理由是，他觉得既然已经有了一种完美的量子力学，为什么还要回到海森伯以前的阶段。同样，薛定谔对海森伯理论也很反感。在1926年的一篇文章中说，他对那种蔑视任何形象化的、颇为困难的超越代数方法感到厌恶和沮丧。但老一代物理学家几乎都倾向薛定谔的理论。爱因斯坦在致薛定谔的信中称赞他的天才思想。索末菲为之高兴。普朗克像一个孩子读谜语那样反复读他的文章。历史的发展往往出人意料。1926年3月，薛定谔在发表了他的第二篇论文以后发现，矩阵力学和

他的波动力学在数学上是等价的，原来两个理论殊途同归。他发表了题为《论海森伯—玻恩—约丹的量子力学和我的量子力学的关系》的论文。同时鲍里也独立地发现了这种等价性。后来，经过变换理论和希尔伯特空间的引用，这种等价性得到了更加明确的表述和证明。量子力学有了一致的数学表述形式，但是关于它的物理意义还完全不清楚。人们知道怎样描述原子的定态，但不知道怎样描述一个通过云室的电子。薛定谔理论的波代表什么?它具有怎样的物理意义?也是不清楚的。薛定谔曾经把它看作在空间存在的真实的波，粒子是波的密集，称为“波包”。但是这种波包随着时间的演进将扩散开来，不复存在。这是和粒子的稳定性这一基本事实不符的。因此有人开玩笑地说，薛定谔的方程比他本人还聪明。1926年6月，玻恩结合电子碰撞实验对波函数提出一种统计诠释，认为电子波函数的平方代表电子在某时某地出现的几率。物质波是一种几率波而不是真实的波。不久这种见解就得到了公认。可是薛定谔还坚持他的看法。1926年9月，玻尔邀请薛定谔到哥本哈根讲学。薛定谔坚持物理学的连续性，抨击玻尔的量子跳跃(即跃迁)观念。他们从早到晚地争论。最后，当玻尔引用爱因斯坦1916年关于跃迁几率的论文为自己辩护时，薛定谔有点绝望地说，如果一定要坚持这个该死的量子跳跃，他将为他对量子理论作的贡献而感到遗憾。薛定谔离开以后的几个月之内，哥本哈根的物理学家们继续讨论这个问题。最后的解答又是从两条不同的道路逐渐接近的。一条是改变问题的提法，不问“人们怎样才能在已知的数学方案中表示出一给定的实验状况”，而是问“只有数学形式系统中表示出来的实验状况才能在自然中发生，也许这是正确的？”海森伯接受了爱因斯坦关于“只有理论才能决定什么被观察到”的观点，相信对这后一种提问应作肯定的回答。据此他寻求并发现了量子力学的形式系统对古典力学基础上的那些概念的应用的限制。人们不能像在牛顿力学中那样谈论电子的位置和速度，不能以任意精度同时测定这两个量。这两个量的不准确度的乘积不应小于普朗克常数除以粒子的质量。这就是测不准关系，也称测不准原理。海森伯1927年3月发表的题为《关于量子力学的运动学和力学的直觉内容》的论文论证了他的测不准原理。另一条接近的道路是玻尔的互补原理。玻尔把粒子图像和波动图像看作是同一个实在的两个互补描述。这两个描述中的任何一个都只能部分正确，使用粒子概念和波动概念都必须有所限制，否则就不能避免矛盾。如果考虑到测不准关系表示的那些限制，矛盾就消失了。玻尔于1927年9月在意大利科摩举行的纪念伏打（1745—1927年) 逝世一百周年的国际物理学讨论会上首次公开发表了他关于互补原理的一些思想。至此，量子力学就有了一个前后一致的解释，它通常被称为“哥本哈根解释”。1927年 10月在布鲁塞尔召开的索尔维物理学会议上被大多数物理学家接受。但是爱因斯坦不接受这种观点，在会议期间同玻尔就此进行了

激烈的争论。自此开始两种观点争论一直延续到今天，它是物理学史上最富哲学意义的论战。量子论的影响

量子论成功地揭示了微观物质世界的基本规律，但是不等于说它只是关于微观世界的特殊规律而与宏观世界毫无关系。实际上整个物理学都是量子物理学，我们今天所了解的量子物理学的一些定律都是自然界最普遍的定律。支配微观世界的规律原则上也可以预言由大量基本粒子构成的宏观物理体系的行为。这意味着经典物理学定律来自微观物理学定律。从这个意义上讲，量子力学在宏观世界中也一样适用。事实上量子论极大地加速了原子物理学和凝聚态物理学的发展，为核物理学和粒子物理学开辟了道路。量子论在天体物理学领域的应用发展出量子天体物理学。量子论运用于化学产生的量子化学成为化学理论的前沿。量子论对分子生物学的产生也起了重要的启迪作用，使生物学发生了革命。可以说量子论是多产的科学理论。量子论作为理论基础对技术发展的作用惊人地广泛，现代技术标志的原子能技术、激光技术、电子计算技术和电讯技术无一能够离开量子论这个基础理论。量子论的产生和发展不仅是科学上的一场深刻的革命，而且在哲学上提出了许多值得研究的问题，无论在认识论方面还是在方法论方面，都促进着哲学的变革。量子论的新见识之一是微观客体的波粒二象性。在原子范围内真正的实在既不是粒子也不是波，真正的实在是量子态。无疑量子态有一个难以捉摸的特征。它有潜在能力，依据与其相互作用的仪器的类型，或者呈现波动性或者呈现粒子性。只有当它不被观察所破坏时才显现其真貌。量子论的新见识之二是弱型因果律。力学因果律是指在不同时间客体状态的关系。在古典力学中状态的定义不包含几率的概念，因此古典力学的因果律是决定论的因果律。在量子论中状态的定义包含几率的概念，因此量子力学的因果律是非决定论的，相对古典力学的强型因果律，它是弱型因果律。量子论的新见识之三是关于认识主体和认识客体关系的。因为观察仪器不可逆地改变客体的状态，并且观察结果依赖于仪器类型的选择，所以我们所观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。在生活的戏剧中，我们既是演员又是观众。科学技术作为人类社会最有生命力的力量，越来越支配人们的思想和行为。这是因为现代生活广泛使用的科学技术产品渊源于它的理论，在量子论的指引下，出现了原子物理学、固体物理学、量子化学和原子能技术等新兴学科和新技术。这一切开辟了人类认识自然、征服自然的新天地，成为当代科学技术发展的重要理论基础之一。

量子力学发展简史

量子力学发展简史 摘要： 相对论是在普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入能量子概念的基础上发展起来的，爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展。玻尔、德布罗意、薛定谔、玻恩、狄拉克等人为解决量子理论遇到的困难，进行了开创性的工作，先后提出电子自旋概念，创立矩阵力学、波动力学，诠释波函数进行物理以及提出测不准原理和互补原理。终于在1925 年到1928年形成了完整的量子力学理论，与爱因斯坦的相对论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。 关键词：量子力学，量子理论，矩阵力学，波动力学，测不准原理 量子力学是研究微观粒子（如电子、原子、分子等）的运动规律的物理学分 支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础，是现代物理学的两大基本支柱。经典力学奠定了现代物理学的基础，但对于高速运动的物体和微观条件下的物体，牛顿定律不再适用，相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。量子力学认为在亚原子条件下，粒子的运动速度和位置不可能同时得到精确的测量，微观粒子的动量、电荷、能量、粒子数等特性都是分立不连续的，量子力学定律不能描述粒子运动的轨道细节，只能给出相对机率，为此爱因斯坦和玻尔产生激烈争论，并直至去世时仍不承认量子力学理论的哥本哈根诠释。 量子力学是一个物理学的理论框架，是对经典物理学在微观领域的一次革命。 它有很多基本特征，如不确定性、量子涨落、波粒二象性等，在原子和亚原子的微观尺度上将变的极为显著。爱因斯坦、海森堡、玻尔、薛定谔、狄拉克等人对其理论发展做出了重要贡献。原子核和固体的性质以及其他微观现象，目前已基本上能从以量子力学为基础的现代理论中得到说明。现在量子力学不仅是物理学中的基础理论之一，而且在化学和许多近代技术中也得到了广泛的应用。上世纪末和本世纪初，物理学的研究领域从宏观世界逐渐深入到微观世界；许多新的实验结果用经典理论已不能得到解释。大量的实验事实和量子论的发展，表明微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性（参见波粒二象性），微观粒子的运动不能用通常的宏观物体运动规律来描写。德布罗意、薛定谔、海森堡，玻尔和狄拉克等人逐步建立和发展了量子力学的基本理论。应用这理论去解决原子和分子范围内的问题时，得到与实验符合的结果。因此量子力学的建立大大促进了原子物理。固体物理和原子核物理等学科的发展，它还标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。量子力学是用波函数描写微观粒子的运动状态，以薛定谔方程确定波函数的变化规律，并用算符或矩阵方法对各物理量进行计算。因此量子力学在早期也称为波动力学或矩阵力学。量子力学的规律用于宏观物体或质量和能量相当大的粒子时，也能得出经典力学的结论。在解决原子核和基本粒子的某些问题时，量子力学必须与狭义相对论结合起来（相对论量子力学），并由此逐步建立了现代的量子场论。

量子力学的发展综述

量子力学的发展综述 量子力学是对经典物理学在微观领域内的一次革命，是现代物理学的基础，它从根本上否定了牛顿物理学。本文带大家再次回到那个伟大的年代，再次简要回顾下那场史诗般壮丽的革命。 标签：量子力学发展量子多世界解释 量子理论的中心思想是一切东西都是由不可预言的量子构成，但这些粒子的统计行为遵循一种可以预言的波动图样。简简单单的一句话，深入研究起来确实那样令人困惑，整个20世纪的物理学家们就是在不断的量子的迷雾中摸索着。现在我们也要沿着他们的航线领略一下量子理论奇。 一、量子的创生 19世纪末，物理学界取得了一系列举世瞩目的成就，当人们为所谓的物理学大厦已经根深蒂而感到皆大欢喜时，几个悬而未决的谜题却一直困扰着高瞻远虑的物理学家们[1]。“在物理学阳光灿烂的天空中飘浮着两朵小乌云”这句话在几乎每一本关于物理学史的书籍中被反复提到，具体一些的话，指的是人们在迈克尔—莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。这两朵乌云带来的狂风暴雨，远远超出了人们的想象：第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发;第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。1900年，普朗克在解决黑体辐射问题时，做了一个假定，“必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”普通的一个假设，却推翻自牛顿以来200多年，曾被认为坚固不可摧毁的物理世界。这与有史以来的一切物理学家的观念截然相反，自牛顿和伽利略以来，一切自然的过程都被当成是连续不间断的，是微积分的根本基础，牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，都是建立在这个基础之上，从没有人怀疑过这个物理学的根基。1900年12月14日，量子的诞辰，这一天，量子这个幽灵从普朗克的方程中脱胎而出。这个幽灵拥有彻底的革命性和无边的破坏力，物理学构成的精密体系被摧毁成断壁残垣，甚至推动量子论的某些科学家最终也站到了它的对立面。量子论这场前所未有的革命，从这个叫马克思·普朗克的男人这里开始了。 二、量子力学的建立和论战 量子这个概念已经诞生了，然而他的创造者普朗克却抛弃了它，不断地告诫人们，不到万不得已不要使用，不要胡思乱想。不怪普朗克本人畏首畏尾，实在是量子这个概念太过惊世骇俗，但是接下来一系列的成就证明了它的价值：1.为了解释光电效应，1905年爱因斯坦提出光量子论，揭示了光的波粒二象性;2.玻尔结合原子的核式结构模型和量子论，1913年提出了氢原子理论;3.德布罗意从光量子理论得到启发，于1923年提出物质波假说;4.海森堡抛弃了玻尔的轨道概念，建立了矩阵力学（1925年）[2]。海森堡建立矩阵力学标志着量子力学的建立，但是刚诞生的矩阵力学立刻受到了挑战：薛定谔于1926年把物质波的思想加以发展，建立了波动力学。矩阵力学？波动力学？全新的量子论建立不到一

量子力学发展史

鬼话连篇：荒诞量子力学 原创2017-01-15小学僧老和山下的小学僧 先来个绕口令渲染一下诡异的氛围，量子力学奠基人波尔曾曰：如果你第 一次学量子力学认为自己懂了，那说明你还没懂。” 为了理解这个叹为观止的理论的伟大，只能把起点设得低一些，就从认识论'说起吧！中学僧请跳过，直接看后半篇。 人类为了生存，一直试图认识和解释这个世界。最早的认识论”充满了想象，后来逐渐演化成了宗教”，比如上帝创造了万物。过了一阵子，有些人发现这种认识论"不靠谱，跪了半天祈雨，还不如萧敬腾管用！脑袋瓜好使的人就在思考世界的本源是什么”、东西为什么往下掉”，如此云云。早期的聪明人只是坐在办公室研究世界，于是这种单纯的思辨就慢慢变成了哲学” 大家围坐论道，逼格是挺高，但只能争个面红耳赤，张三说世界在乌龟背上，李四说世界在大象背上。我说哥们儿，你们就不能验证一下吗？当然不能！土鳖才动手，君子只动口，这种风气夸张到什么程度呢？亚里士多德认为女性的牙齿比男性少”，就这么一个理论，愣是被奉为经典几百年。 很长一段时间，大家就是这么靠拍脑袋研究世界。拍着拍着，突然有个家伙灵光一闪，拍出了逻辑思维，做起了实验，这就是伽利略”。伽利略是第一个系统地用严密的逻辑和实验来研究事物的人，这便是科学”的雏形，所以伽利略很伟大，属于一流伟大”这个范畴。 是不是觉得早生几百年，你我都是科学家？别天真了，其实经常以负面形象出现的亚里士多德，绝对属于当时最聪明的人，时代局限性造成的无知”不是无知。 打个补丁，本文说的科学”是单纯的一门学科，而不是形容词。啥意思呢？因为某党的某些需求，科学这个词在国内的意义急剧扩大化，以至于现在科学' 就是真理”的代名词，很多地方可以把科学”和合理”两个词互换。你的做法很科学”，你的做法很合理”，这两句话有区别吗？再看英文版：你的做法很Scienee :这可就是语病了。本文说的科学”就是“Scienee, 是—门学科，而不是理:。

物理学发展简史

物理学发展简史 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

一、古典物理学与近代物理学： 1、古典物理学：廿世纪以前所发展的物理学称为古典物理学，以巨观的角度研究物理，可分为 力学、热学、光学、电磁学等主要分支。 2、近代物理学：廿世纪以后(1900年卜朗克提出量子论后)所发展的物理学称为近代物理学， 以微观的角度研究物理，量子力学与相对论为近代物理的两大基石。

一、古典物理学对人类生活的影响： 1、力学：简单机械(杠杆、轮轴、滑轮、斜面、螺旋、劈) …… 2、光学： (一)反射原理： (1)平面镜：镜子…… (2)凹面镜：手电筒、车灯、探照灯…… (3)凸面镜：路口、商店监视镜…… (二)折射原理： (1)凸透镜：放大镜、显微镜、相机…… (2)凹透镜：眼镜、相机…… 3、热学：蒸汽机、内燃机、引擎、冰箱、冷(暖)气机…… 4、电学： (一)利用电能运作：一般电器用品，如：电视机、冰箱、洗衣机…… (二)利用电磁感应：发电机、变压器…… (三)利用电磁波原理：无线通讯、雷达…… 二、近代物理学对人类生活的影响： 1、半导体： (一)半导体：导电性介于导体和绝缘体间之一种材料，可分为元素半导体(如：硅、锗等)和 化合物半导体(如：砷化镓等)两种。 (二)用途： (1)半导体制成晶体管，体积小、耗电量少，具有放大电流讯号功能。 (2)半导体制成二极管具整流能力。 (3)集成电路(IC)： (A)1958年发展出「集成电路」技术，系利用长晶、蚀刻、蒸镀等方式于一小芯片上容 纳上百万个晶体管、二极管、电阻、电感、电容等电子组件之技术，而此电路即称为 集成电路。 (B)IC之特性：体积小、效率高、耗电低、稳定性高、可大量生产。 (C)IC之应用：计算机、手机、电视、计算器、手表等电子产品。 (4)计算机信息科技之扩展大辐改变了人类的生活习惯，故俗称第二次工业革命。 2、雷射： (一)原理：利用爱因斯坦「原子受激放射」理论，诱发大量原子由受激态同时做能态之跃迁 并放射同频率之光子，藉以将光加以增强。 (二)特性：聚旋光性好、强度高、光束集中、频率单一(单色光)。 (三)应用：

量子力学史简介

近代物理学史论文题目：量子力学发展脉络及代表人物简介 姓名： 学号： 学院： 2016年12月27

量子力学发展脉络 量子力学是研究微观粒子运动的基本理论，它和相对论构成近代物理学的两大支柱。可以毫不犹豫的说没有量子力学和相对论的提出就没有人类的现代物质文明。而在原子尺度上的基本物理问题只有在量子力学的基础上才能有合理地解释。可以说没有哪一门现代物理分支能离开量子力学比如固体物理、原子核粒子物理、量子化学低温物理等。尽管量子力学在当前有着相当广阔的应用前景，甚至对当前科技的进步起着决定性的作用，但是量子力学的建立过程及在其建立过程中起重要作用的人物除了业内人对于普通得人却鲜为人知。本文主要简单介绍下量子力学建立的两条路径及其之间的关系及后续的发展，与此同时还简单介绍了在量子力学建立过程中起到关键作用的人物及其贡献。 通过本文的简单介绍使普通人对量子力学有个简单认识同时缅怀哪些对量子力学建立其关键作用的科学家。 旧量子理论 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的旧量子论包括普朗克量子假说、爱因斯坦光电效应光电子假说和波尔的原子理论。 在19世纪末，物理学家存在一种乐观情绪，他们认为当时建立的力学体系、统计物理、电动力学已经相当完善，而剩下的部分不过是提高重要物理学常数的观测精度。然而在物理的不断发展中有些科学家却发现其中存在的一些难以解释的问题，比如涉及电动力学的以太以及观测到的物体比热总小于能均分给出的值。对黑体辐射研究的过程中，维恩由热力学普遍规律及经验参数给出维恩公式，但随后的研究表明维恩公式只在短波波段和实验符合的很好，而在长波波段和实验有很大的出入。随后瑞利和金森根据经典电动力学给出瑞利金森公式，而该公式只在长波波段和实验符合的很好，而在短波波段会导致紫外光灾。普朗克在解决黑体辐射问题时提出了一个全新的公式普朗克公式，普朗克公式和实验数据符合的很好并且数学形式也非常简单，在此基础上他深入探索这背后的物理本质。他发现如果做出以下假设就可以很好的从理论上推导出他和黑体辐射公式：对于一定频率f的电磁辐射，物体只能以hf为单位吸收

有量子力学发展史谈一谈物理学研究方法汇总

量子力学理论体系的发展，从二十世纪初开始，经历了半个多世纪，积累了十二项诺贝尔物理学奖的成果才形成的。 德国物理学家普朗克因发现能量子而对物理学的发展做出杰出贡献，荣获1918 年度诺贝尔物理学奖。他 1895 年开始研究热辐射问题，1900 年普朗克在德国物理学会年会上宣读了《关于正常光谱的能量分布定律》的论文。他指出能量在辐射过程中不是连续的，而是如一股股的涓流似的被释放。这股涓流就是量子，而量子的能量只决定于频率 v，即 E=hv，h = 6.63×10 ?34 J ? S，h 为作用量子，后人称之为普朗克常数，作用量子在物理学中是一种崭新的、前所未闻的事物，它要求从根本上修改我们自从牛顿和莱布尼兹在一切因果关系的连续性基础上创立了微积分以来的全部物理概念。真正认识量子论的价值并大大开拓其应用疆界的是爱因斯坦，1905 年提出光量子的概念，成功地解释了光电效应，1913 年玻尔在此基础上又提出了原子结构的量子理论，揭示了原子光谱之谜。于是普朗克的量子理论，标志着一个新的、广阔的物理学科——量子力学的诞生。 德国物理学家爱因斯坦，因发现了光电效应而获 1921 年度诺贝尔73物理学奖，1905 年爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，他推广普朗克把能量子的不连续性局限在辐射和吸收过程中，认为光在传播过程中能量也是不连续的，每个光子都有一定的能量，对于频率为 v 的光，其光子能量为 E=hv。光电效应是由于金属中的自由电子吸收了光子能量而从金属中逸出而发生的。这样，爱因斯坦用光量子理论成功地解释了光电效应，并确定了其规律。爱因斯坦光量子理论的重要意义，是使对光的本性认识推进了一大步，历时三个多世纪的波动说和微粒说的争论，被爱因斯坦的光的波粒二象性论点所代替，并为以后其他的微观粒子的波粒二象性的观点打下了坚实的基础。必须指出爱因斯坦对物理学的贡献不仅仅只是正确解释光电效应一方面，他所创立的狭义相对论、广义相对论等是他对人类科学最大的划时代贡献。只是当时决定授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖的时候，他的相对论还未被所有科学家承认，物理学界还存在着激烈的争论和巨大的分歧，因此评委会有意回避了相对论的贡献，只是他对理论物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的规律而授予他这项荣誉奖励。 丹麦物理学家玻尔因研究原子结构及原子辐射获 1922 年度诺贝尔物理学奖。

量子力学的发展史及其哲学思想

十九世纪末期,物理学理论在当时看来已发展到相当完善的阶段.那时,一般的物理现象都可以从相应的理论中得到说明:物体的机械运动比光速小的多时,准确地遵循牛顿力学的规律;电磁现象的规律被总结为麦克斯韦方程;光的现象有光的波动理论,最后也归结为麦克斯韦方程;热的现象理论有完整的热力学以及玻耳兹曼,吉不斯等人建立的统计物理学.在这种情况下,当时有许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露,剩下的工作只是把这些基本规律应用到各种具体问题上,进行一些计算而已。 这种把当时物理学的理论认作”最终理论”的看法显然是错误的,因为:在绝对的总的宇宙发展过程中,各个具体过程的发展都是相对的,因而在”绝对真理的长河中,人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识具有相对的真理性.”生产力的巨大发展,对科学试验不断提出新的要求，促使科学试验从一个发展阶段进入到另一个新的发展阶段。就在物理学的经典理论取得上述重大成就的同时，人们发现了一些新的物理现象，例如黑体辐射，光电效应，原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等，都是经典物理理论所无法解释的。这些现象揭露了经典物理学的局限性，突出了经典物理学与微观世界规律性的矛盾，从而为发现微观世界的规律打下基础。黑体辐射和光电效应等现象使人们发现了光的波粒二象性；玻尔为解释原子的光谱线系而提出了原子结构的量子论，由于这个理论只是在经典理论的基础上加进一些新的假设，因而未能反映微观世界的本质。因此更突出了认识微观粒子运动规律的迫切性。直到本世纪二十年代，人们在光的波粒二象性的启示下，开始认识到微观粒子的波粒二象性，才开辟了建立量子力学的途径。 量子力学诞生和发展的过程，是充满着矛盾和斗争的过程。一方面，新现象的发现暴露了微观过程内部的矛盾，推动人们突破经典物理理论的限制，提出新的思想，新的理论；另一方面，不少的人（其中也包括一些对突破经典物理学的限制有过贡献的人），他们的思想不能（或不完全能）随变化了的客观情况而前进，不愿承认经典物理理论的局限性，总是千方百计地企图把新发现的现象以及为说明这些现象而提出的新思想，新理论纳入经典物理理论的框架之内。虽然本书中不能详细叙述这个过程。尽管这些新现象在十九世纪末就陆续被发现，而量

量子力学的发展进程

量子力学的发展进程 黑体2014 摘要：简述了量子力学的发展进程。量子力学是近代物理学的重要组成部分,是研究微观粒子(分子、原子、原子核、基本粒子等)运动规律的一种基础理论。它是本世纪二十年代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建立起来的。它的发展曾经引起物理思想上的巨大变革,它产生的影响,绝不局限于物理学和化学这两门学科,而且还涉及人类认识本身的种种基本问题。因此对它的发展进程进行研究有着特别的重要意义。笔者想在这篇文章中对量子力学的发展进程作一简要的回顾,并就自己在学习周世勋《量子力学教程》这门课程中一些疑惑和感想做一说明。 关键词：量子力学；进程；学习心得

The development process of quantum mechanics Abstract:Briefly describes the development process of quantum mechanics. It is an important part of modern physics, quantum mechanics is the study of microscopic particles (molecules, atoms, nuclei, elementary particles, etc.) a basic theory of the motion law. It is in the 20 s of this century in summing up a lot of experimental facts and the old quantum theory established on the basis of it. Its development has caused physical and ideological change, the impact of it, not limited to the physics and chemistry, the two subjects, but also the basic problem of human cognition itself. So the study of its development process has a special significance. In this article the development process of quantum mechanics makes a brief review of, and in their learning Zhou Shixun in the course of the quantum mechanics course some doubts and thoughts. Key words:Quantum mechanics; Process; The learning

量子力学的发展及应用

量子力学论文题目: 量子力学发展历史及应用领域 学生姓名武术 专业电子科学与技术 学号_ 222009322072082 班级2009 级 2班 指导教师张济龙 成绩 _ 工程技术学院 2011年12 月

量子力学发展历史及应用领域 武术 西南大学工程技术学院，重庆 400716 摘要:量子力学发展至今已有一百年了，它发展的道路并不是一帆风顺的。这一百年虽是艰难的，但是辉煌的。此后，人们发现量子力学与现代科技的联系日益紧密，它的发展潜力是不能低估的。本文从两个部分逐次论述了量子力学的发展及应用。第一部分是量子力学的发展，这部分阐述了早期量子论。第二部分是量子力学的应用，这部分阐明了量子力学在固体物理和信息科学中的应用。 关键词：早期量子论；量子力学的发展；量子力学的应用 量子力学诞生至今一百年。经过一百年的发展，它由原子层次的动力学理论，已经向物理学和其他学科以及高新技术延伸。而事实上，它已超出物理学范围；它不仅是现代物质科学的主心骨，又是现代科技文明建设的主要理论基础之一。 建立在量子概念的量子力学及其物理诠释，促使人类的思想观念产生根本性转变；虽然这新概念很抽象，但就目前文明的空前繁荣而言，量子力学所产生的影响是相当广泛的。而看看量子力学的前沿性进展新貌，则会感到心驰神往。 量子力学可谓是量子理论的第二次发展层次，第一次常称作早期量子论，第三次就是量子场论。本文除了论述这三个层次以外，又说了它在现代物理乃至现代物质科学中的地位，阐述了它应用的状况。 一.量子力学的发展 19世纪末20世纪初，人们认为经典物理发展很完美的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个的发现了。经典力学时期物理学所探讨的主要是用比较直接的实验研究就可以接触到的物理现象的定理和理论。牛顿定理和麦克斯韦电磁理论在宏观和慢速的世界中是很好的自然规律。而对于微观世界的

量子力学的历史和发展

量子力学的历史和发展 量子论和相对论是现代物理学的两大基础理论。它们是在二十世纪头30年发生的物理学革命的过程中产生和形成的，并且也是这场革命的主要标志和直接的成果，量子论的诞生成了物理学革命的第一声号角。经过许多物理学家不分民族和国籍的国际合作，在1927年它形成了一个严密的理论体系。它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果，而且在人类思想史上也占有极其重要的地位。如果说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念，那么量子论则很大程度改变了人们的实践，使人类对自然界的认识又一次深化。它对人与自然之间的关系的重要修正，影响到人类对掌握自己命运的能力的看法。量子论的创立经历了从旧量子论到量子力学的近30年的历程。量子力学产生以前的量子论通常称旧量子论。它的主要内容是相继出现的普朗克量子假说、爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子理论。 热辐射研究和普朗克能量子假说 十九世纪中叶，冶金工业的向前发展所要求的高温测量技术推动了热辐射的研究。已经成为欧洲工业强国的德国有许多物理学家致力于这一课题的研究。德国成为热辐射研究的发源地。所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波。所有的热物体都会发出热辐射。凝聚态物质(固体和液体)发生的连续辐射很强地依赖它的温度。一个物体被加热从暗到发光，从发红光到黄光、蓝光直至白光。1859年，柏林大学教授基尔霍夫(1824—1887年)根据实验的启发，提出用黑体作为理想模型来研究热辐射。所谓黑体是指一种能够完全吸收投射在它上面的辐射而全无反射和透射的，看上去全黑的理想物体。1895年，维恩(1864—1928年)从理论分析得出，一个带有小孔的空腔的热辐射性能可以看作一个黑体。实验表明这样的黑体所发射的辐射的能量密度只与它的温度和频率有关，而与它的形状及其组成的物质无关。黑体在任何给定的温度发射出特征频率的光谱。这光谱包括一切频率，但和频率相联系的强度却不同。怎样从理论上解释黑体能谱曲线是当时热辐射理论研究的根本问题。1896年，维恩根据热力学的普遍原理和一些特殊的假设提出一个黑体辐射能量按频率分布的公式，后来人们称它为维恩辐射定律。普朗克就在这时加入了热辐射研究者的行动。普朗克(1858—1947年)出身于一个书香门第之家，曾祖父和祖父曾在哥廷根大学任神学教授，伯父和父亲分别是哥廷根大学和基尔大学的法学教授。他出生在基尔，青年时期在慕尼黑度过。17岁进慕尼黑大学攻读数学和物理学，后来转到柏林大学受教于基尔

(完整版)物理学发展简史

欢迎共阅 一、古典物理学与近代物理学： 1、古典物理学：廿世纪以前所发展的物理学称为古典物理学，以巨观的角度研究物理，可分为 力学、热学、光学、电磁学等主要分支。 2、近代物理学：廿世纪以后(1900年卜朗克提出量子论后)所发展的物理学称为近代物理学，以 微观的角度研究物理，量子力学与相对论为近代物理的两大基石。 理

1 2 3 4 1 )和化 (1)半导体制成晶体管，体积小、耗电量少，具有放大电流讯号功能。 (2)半导体制成二极管具整流能力。 (3)集成电路(IC)： (A)1958年发展出「集成电路」技术，系利用长晶、蚀刻、蒸镀等方式于一小芯片上容纳 上百万个晶体管、二极管、电阻、电感、电容等电子组件之技术，而此电路即称为集 成电路。 (B)IC之特性：体积小、效率高、耗电低、稳定性高、可大量生产。 (C)IC之应用：计算机、手机、电视、计算器、手表等电子产品。 (4)计算机信息科技之扩展大辐改变了人类的生活习惯，故俗称第二次工业革命。 2、雷射： (一)原理：利用爱因斯坦「原子受激放射」理论，诱发大量原子由受激态同时做能态之跃迁并 放射同频率之光子，藉以将光加以增强。

(二)特性：聚旋光性好、强度高、光束集中、频率单一(单色光)。 (三)应用： (1)工业上：测量、切割、精密加工…… (2)医学上：切割手术(肿瘤、近视)…… (3)军事上：定位、导引…… (4)生活、娱乐上：激光视盘、光纤通讯…… 3、光纤： (一)光纤：将高纯度石英熔融抽丝制成极细之圆柱体，柔软可挠曲，含内层(纤芯)及外层(包 层)两层。 (二)原理：纤芯之折射率大于包层，光讯号以特定角度射入纤芯之一端后，因连续之全反射而 传递至另一端。 (三)特性： (核 2。 (1)向量：兼具大小及方向性者，如：速度、力…… (2)纯量：仅具大小无方向性者，如：体积、时间、功…… (二)依定义方式而分： (1)基本量：由基本概念定义而出之物理量，共有时间、长度、质量、电流、温度、发光强 度(光度)、物质的量(物量)七种。 (2)导出量：由基本量所定义出之物理量，如：体积、面积、速度等。 (3)物理学(力学)上最常用的三个基本量：时间、长度、质量。 二、测量： 1、定义：将待测物理量与一标准量做比较的过程。

量子力学在现实中的十大应用

数千年来，人类一直依靠天生的直觉来认识自然界运行的原理。虽然这种方式让我们在很多方面误入歧途，譬如，曾一度坚信地球是平的。但从总体上来说，我们所得到的真理和知识，远远大过谬误。正是在这种虽缓慢、成效却十分积极的积累过程中，人们逐渐摸索总结出了运动定律、热力学原理等知识，自身所处的世界才变得不再那么神秘。于是，直觉的价值，更加得到肯定。但这一切，截止到量子力学的出现。 这是被爱因斯坦和玻尔用“上帝跟宇宙玩掷骰子”来形容的学科，也是研究“极度微观领域物质”的物理学分支，它带来了许许多多令人震惊不已的结论——科学家们发现，电子的行为同时带有波和粒子的双重特征（波粒二象性），但仅仅是加入了人类的观察活动，就足以立刻改变它们的特性；此外还有相隔千里的粒子可以瞬间联系（量子纠缠）：不确定的光子可以同时去向两个方向（海森堡测不准原理）；更别提那只理论假设的猫既死了又活着（薛定谔的猫）…… 诸如以上，这些研究结果往往是颠覆性的，因为它们基本与人们习惯的逻辑思维相违背。以至于爱因斯坦不得不感叹道：“量子力学越是取得成功，它自身就越显得荒诞。” 到现在，与一个世纪之前人类刚刚涉足量子领域的时候相比，爱因斯坦的观点似乎得到了更为广泛的共鸣。量子力学越是在数理上不断得到完美评分，就越显得我们的本能直觉竟如此粗陋不堪。人们不得不承认，虽然它依然看起来奇异而陌生，但量子力学在过去的一百年里，已经为人类带来了太多革命性的发明创造。正像詹姆斯·卡卡廖斯在《量子力学的奇妙故事》一书的引言中所述：“量子力学在哪？你不正沉浸于其中吗。” 陌生的量子，不陌生的晶体管 美国《探索》杂志在线版给出的真实世界中量子力学的一大应用，就是人们早已不陌生的晶体管。 1945年的秋天，美国军方成功制造出世界上第一台真空管计算机ENIAC。据当时的记载，这台庞然大物总重量超过30吨，占地面积接近一个小型住宅，总花费高达100万美元。如此巨额的投入，注定了真空管这种能源和空间消耗大户，在计算机的发展史中只能是一个过客。因为彼时，贝尔实验室的科学家们已在加紧研制足以替代真空管的新发明——晶体管。 晶体管的优势在于它能够同时扮演电子信号放大器和转换器的角色。这几乎是所有现代电子设备最基本的功能需求。但晶体管的出现，首先必须要感谢的就是量子力学。 正是在量子力学基础研究领域获得的突破，斯坦福大学的研究者尤金·瓦格纳及其学生弗里德里希·塞茨得以在1930年发现半导体的性质——同时作为导体和绝缘体而存在。在晶体管上加电压能实现门的功能，控制管中电流的导通或者截止，利用这个原理便能实现信息

量子力学的产生与发展

量子力学的产生与发展 量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。它是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，量子力学的发现引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献。 量子的诞生 19世纪末正当人们为经典物理取得重大成就的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。德国物理学家维恩通过热辐射能谱的测量发现的热辐射定理。1900年德国物理学家普朗克为了解释热辐射能谱提出了一个大胆的假设：在热辐射的产生与吸收过程中能量是以hV为最小单位，一份一份交换的。普朗克利用内插法,将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利―金斯公式衔接起来.在1900年提出了一个新的公式。量子论就这样随着二十世纪开始由伟大的物理学家普朗克把它带到我们这个世界来。虽然在围绕原子论的争论过程中，玻尔兹曼(1844—1966年)在反驳唯能论时说过“怎么能说能量就不像原子那样分立存在呢？”这样的话，马赫(1838—1916年)曾经表明化学运动不连续性的观点，但真正把能量不连续的概念引入物理学的是普朗克。因为能量不连续的概念与古典物理学格格不入，物理学界对它最初的反映是冷淡的。物理学家们只承认普朗克公式是同实验一致的经验公式，不承认他的理论性的量子假说。普朗克本人也惴惴不安，因为他的量子假设是迫不得已的“孤注一掷的举动”。他本想在最后的结果中令h→0，但却发现根本办不到。他其后多年试图把量子假说纳入古典物理学框架之内，取消能量的不连续性，但从未成功。只有爱因斯坦最早认识到普朗克能量子概念在物理学中的革命意义。

著名科学家爱因斯坦经过认真思考，于1905年提出了光量子说。1916年美国物理学家密立根发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。 量子的青年时代 杂乱的数字以及有趣的台阶想法 从光谱学中，我们知道任何元素都产生特定的唯一谱线。这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律，却是一个大难题。拿氢原子的谱线来说吧，这是最简单的原子谱线了。它就呈现为一组线段，每一条线都代表了一个特定的波长。比如在可见光区间内，氢原子的光谱线依次为：656，484，434，410，397，388，383，380……纳米。这些数据无疑不是杂乱无章的，1885年，瑞士的一位数学教师巴尔末（Johann Balmer）发现了其中的规律，并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系，这就是著名的巴尔末公式。将它的原始形式稍微变换一下，用波长的倒数来表示，则显得更加简单明了：ν＝R（1/2^2 - 1/n^2） 1913年丹麦物理学家玻尔疑惑于卢瑟福原子行星模型的不稳定，建了一所“诺贝尔奖幼儿园”的卢瑟福向他推荐了这个公式。在玻尔眼里，这无疑是一个晴天霹雳，它像一个火花，瞬间点燃了玻尔的灵感，所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了，玻尔知道，隐藏在原子里的秘密，终于向他嫣然展开笑颜。一个大胆的想法在玻尔的脑中浮现出来：如同具有一定势能的人从某一层台阶上跳下来一样。台阶数“必须”是整数，就是我们的量子化条件。原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换。也就是说，电子只能按照某些“确定的”轨道运行，这些轨道，必须符合一定的势能条件，从而使得电子在这些轨道间跃迁时，只能释放出符合巴耳末公式的能量来。氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一个台阶所释放的能量。因为观测到的光谱线是量子化的，所以电子的“台阶”（或者轨道）必定也是量子化的，它不能连续而取任意值，而必须分成“底楼”，“一楼”，“二楼”等，在两层“楼”之间，是电子的禁区，它不可能出现在那里。正如一个人不能悬在两级台阶之间漂浮一样。如果现在电子在“三楼”，它的能量用W3表示，那么当这个电子突发奇想，决定

量子理论发展史

量子理论发展史 20世纪初，Planck提出了能在全波段与观测结果符合的黑体辐射能量密度随频率分布的公式，即Planck公式。要从理论上导出Planck公式，需假定物体吸收或发射电磁辐射，只能以“量子”（quantum）的方式进行，每个“量子”的ε.由于能量不连续的概念在经典力学中是完全不容许的，所以尽管这能量为hv = 个假设能堆到出与实际观测极为符合的Planck公式，在相当长的时间内量子假设并未受到重视。 Einstein在用量子假设说明光电效应问题时提出了光量子概念，他认为辐射场就是由光量子组成，采用光量子概念后光电效应中的疑难迎刃而解。Einstein 和P.J.W.Debye进一步把能量不连续的概念应用于固体中原子的振动，成功解释了温度趋于零时固体比热容趋于零的现象。至此，物理学家们才开始重视能量不连续的概念，并用它来解决经典物理学中的其它疑难问题。比较突出的是原子结构与原子光谱的问题。 1896年，汤姆生提出原子结构的葡萄干面包模型，即正电荷均匀分布于原子中，电子以某种规则排列镶嵌其中。1911年，卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了原子的有核模型:原子的正电荷及几乎全部质量集中于原子中心很小的区域，形成原子核，电子围绕原子核旋转。有核模型可以很好解释α粒子的大角度散射实验，但引来了两大问题：（1）原子的大小问题。在经典物理框架中思考卢瑟福的有核模型，找不到一个合理的特征长度。（2）原子的稳定性问题。电子围绕原子核的加速旋转运动。按照经典电动力学，电子将不断辐射能量而减速，轨道半径不断缩小，最后掉到原子核上，原子随之塌缩。但现实世界表明，原子稳定地存在于自然界。矛盾就这样尖锐地摆在面前，亟待解决。 此时，丹麦年轻的物理学家玻尔来到卢瑟福的的实验室，他深深为此矛盾吸引，在分析了这些矛盾后，玻尔深刻认识到原子世界必须背离经典电动力学。玻尔把作用量子h（quantum of action）引进卢瑟福模型，提出原子的量子论：一是原子的具有离散能量的定态概念，一是两个定态之间的量子跃迁概念和频率条件。[4]然而，玻尔理论应用到简单程度仅次于氢原子的氦原子时，结果与实验不符。对微观粒子的运动规律的探索显得紧迫。为了达到这个目的，1924年德布罗意在光有波粒二象性的启示下，提出了微观粒子也具有波粒二象性的假说。[5]提出了德布罗意关系，按照德布罗意关系，与自由粒子联系的波是一个平面波。1927年，戴维孙和革末的电子衍射实验证明了德布罗意假说的正确性。 量子力学理论在1923—1927年间建立起来。微观粒子的量子态用波函数来描述，Schrodinger 方程表示微观粒子波函数随时间变化的规律。海森堡的矩阵

量子力学发展历程

量子力学发展历程 摘要：量子理论是在普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入能量子概念的基础上发展起来的，爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展。玻尔、德布罗意、薛定谔、玻恩、狄拉克等人为解决量子理论遇到的困难，进行了开创性的工作，先后提出电子自旋概念，创立矩阵力学、波动力学，诠释波函数进行物理以及提出测不准原理和互补原理。终于在1925年到1928年形成了完整的量子力学理论，与爱因斯坦的相对论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。 关键词：量子力学；量子理论；矩阵力学；波动力学；测不准原理 量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质，光的吸收与辐射等等方面。从1900年到1913年量子论的早期提出，到经过许多科学家如玻恩、海森伯、玻尔等人的努力诠释，量子力学得到了进一步发展。后来遭到爱因斯坦和薛定谔等人的批评，他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理。双方展开了一场长达半个世纪的论战，至今尚未结束。 1 普朗克的能量子假设 普朗克在黑体辐射的维恩公式（u = b(λ^-5)(e^-a/λT)）和瑞利公式（u = 8π(υ^2)kT / c^3）之间寻求协调统一，找到了与实际结果符合极好的内插公式，迫使他致力于从理论上推导这一新定律。1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。 2光电效应和固体比热的研究 普朗克的出能量子假说具有划时代的意义，但是，不论是他本人还是同时代人当时对这一点都没有充分认识。爱因斯坦最早明确地认识到，普朗克的发现标志了物理学的新纪元.1905年，爱因斯坦在其论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并应用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。在那篇论文中，爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，提示了经典理论的困境，提出只要把光的能量看成不是连续的，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解释。与此同时，他还大胆地提出了光电方程，当时还没有足够的实验事实来支持他的理论，因此，爱因斯坦称之为“试探性观点”。但他的光量子理论并没有及时地得到人们的理解和支持，直到1916年，美国物理学家密立根对爱因斯坦的光电方程作出了全面的验证，光量子理论才开始得到人们的承认。1906年，爱因斯坦将普

量子力学的产生与启示

量子力学的产生与启示 摘要：本文对量子力学的产生做了论述，并通过对量子力学产生的整个过程做了分析与归纳，不仅得出了量子力学产生的四点重大意义，而且认识到辩证思想和创新意识是量子力学产生的必要条件,并结合这些结论探讨了如何培养学生的创新意识和作为科学人员应具备哪些科学素养，对人类以后的科学研究具有指导意义。 关键词:能量子假设;科学素质;创新意识;综合能力 The emergence of quantum mechanics and Enlightenment Abstract: In this paper, so the emergence of quantum mechanics is discussed, and by quantum mechanics have done the whole process of analysis and summary, not only have come to the quantum mechanics of the four points of great significance, and recognizing that dialectical thinking and innovation have a sense of quantum mechanics a necessary condition, combined with these conclusions on how to foster innovation and awareness of students and staff as a science which should have the scientific knowledge, scientific research on human future guidance. Key words:energy sub-hypothesis; scientific quality; innovation awareness; comprehensive ability

量子力学科普：量子力学发展史话

量子力学科普：量子力学发展史话 先说明，文章里有些东西具有伪真实性，但是文章的视角未尝不可当做反思，有些东西也未必是空穴来风。 故事发生在二十世纪初的法国。巴黎延续着千百年的灯红酒绿，香榭丽舍大道上散发着繁华和暧昧，红磨坊里弥漫着躁动与彷徨。 而在此时的巴黎，有一个年轻人，名字叫做德布罗意,从他的名字当中可以看出这是一个贵族，事实上德布罗意的父亲正是法国的一个伯爵，并且是正是一位当权的内阁部长。这样一个不愁吃不愁穿只是成天愁着如何打发时光的花花公子自然要找一个能消耗精力的东西来磨蹭掉那些无聊的日子,德布罗意则找到了一个很酷的“事业”——研究中世纪史。据说是因为中世纪史中有着很多神秘的东西吸引着这位年轻人。 时间一转就到了1919，这是一个科学界急剧动荡动着的年代。就在这一年，德布罗意突然移情别恋对物理产生了兴趣，尤其是感兴趣于当时正流行的量子论。具体来说就是感兴趣于一个在当时很酷的观点：光具有粒子性。这一观点早在十几年前由普朗克提出，而后被爱因斯坦用来解释了光电效应，但即便如此，也非常不见容于物理学界各大门派。 德布罗意倒并不见得对这一观点的物理思想有多了解，也许他的理解也仅仅就是理解到这个观点是在说“波就是粒子”。 或许是一时冲动，或许是因为年轻而摆酷，德布罗意来到了一派宗师朗之万门下读研究生。 从此，德布罗意走出了一道足以让让任何传奇都黯然失色的人生轨迹。 历史上德布罗意到底花了多少精力去读他的研究生也许已经很难说清，事实上

德布罗意在他的五年研究生生涯中几乎是一事无成。事实上也可以想象，一个此前对物理一窍不通的中世纪史爱好者很难真正的在物理上去做些什么。 白驹过隙般的五年转眼就过去了，德布罗意开始要为他的博士论文发愁了。其实德布罗意大约只是明白普朗克爱因斯坦那帮家伙一直在说什么波就是粒子，（事实上对于普朗克大约不能用“一直”二字，此时的普朗克已经完全抛弃自己当初的量子假设，又回到了经典的就框架。）而真正其中包含的物理，他能理解多少大约只有上帝清楚。 五年的尽头，也就是在1924，德布罗意终于提交了自己的博士论文。他的博士论文只有一页纸多一点，不过可以猜想这一页多一点的一份论文大约已经让德布罗意很头疼了，只可惜当时没有枪手可以雇来帮忙写博士论文。 他的博士论文只是说了一个猜想，既然波可以是粒子，那么反过来粒子也可以是波。 而进一步德布罗意提出波的波矢和角频率与粒子动量和能量的关系是： 动量＝普朗克常数／波矢 能量＝普朗克常数＊角频率 这就是他的论文里提出的两个公式 而这两个公式的提出也完全是因为在爱因斯坦解释光电效应的时候提出光子的动量和能量与光的参数满足这一关系。 可以想象这样一个博士论文会得到怎样的回应。在对论文是否通过的投票之前，德布罗意的老板朗之万就事先得知论文评审委员会的六位教授中有三位已明确表态会投反对票。 本来在欧洲，一个学生苦读数年都拿不到学位是件很正常的事情，时至今日