量子力学创建和发展史的思考.doc

量子力学创建和发展史的思考 杨宇轩 （南漳县第二中学 湖北 襄阳 441100） 摘要：介绍了玻尔理论的建立及其面临的重大困难，叙述了矩阵力学与波动力学的建立、发展的过程及量子力学框架建立起来以后科学家对量子力学自洽性的讨论，结尾阐述了量子力学建立过程的一些基本哲学思想。 关键词：矩阵力学；波动力学；等价性；物质波；自洽性 1引言 当物理学大厦上“两朵乌云”尖锐地挑战经典力学，普朗克提出了他的能量子假说。当核式结构模型引起原子“坍缩”问题之后，玻尔提出了他的氢原子理论。当玻尔理论走向困境，科学家们是补救和发展他的理论，还是从新的观点出发建立新的理论体系？矩阵力学海森堡选择了后者，波动力学创始人薛定谔也选择了后者。他们跳出了旧量子观念的包围圈，分别建立起了矩阵力学和波动力学，后来薛定谔证明了它们的等价性。在量子力学的创建过程中矩阵力学和波动学的创建是极其华丽恢弘的史诗乐章。 海森堡把对应原理与可观察量相结合，把电子的坐标用振幅和频率来表示，再把经典量和量子论量相对应，然后通过演算得到了海森堡乘法原则。后来他与玻恩、约尔丹合作建立了矩阵力学的基本结构。而波动力学的创建则是以德布罗意物质波为出发点，利用了类比的方法得出波动力学方程。薛定谔发表的《作为本征值问题的量子化》系列论文标志着“波动力学”延生。 2玻尔理论建立及其面临的重大困难 玻尔是一位极其伟大的物理学家，生于丹麦，因对原子结构和辐射的研究贡献，获1932年诺贝尔奖。玻尔的氢原子理论和互补原理在物理学中具有重要地位，尤其是互补原理在物理学各个领域的发展中具有很重要的指导作用。玻尔理论中提出的定态假设、频率假设和轨道角动量量子化假设成功地解释了困难重重的卢瑟福原子模型，解决了近三十年的光谱之谜，使得氢原子理论第一次在光谱实验上得到理论的说明，成功地揭开了“巴耳末公式之谜”。更为重要的是打破了人们对物理学大厦已落成仅需修修补补的梦呓，第一次指出经典理论不能完全适用于原子内部运动过程，首次打开了人们认识原子结构的大门。推动了物理学研究对象的范围向着微观、宇观的尺度发展，逐步建立、完善了物理学的主干与分枝学科。 波尔的定态和频率假设在原子结构和分子结构的现代理论中仍是十分重要的概念，为量子力学的建立奠定了基础。尽管玻尔理论为物理学作出了很大的贡献，并且能解释一些问题。但是，人们越来越清楚地看到玻尔理论中的一些关联必须进一步摒弃。因为玻尔理论存在着不可克服的困难。他只能计算出氢原子谱线的频率，不能解释精细结构及塞曼效应，无法计算光谱的强度、宽度、偏振等问题。玻尔理论的缺陷，就本身来讲他的量子化条件没有任何实验根据；另外，它是经典理论加量子观点的混合产物。为了克服波尔理论中的矛盾，在经典概念与量子概念之间提出了著名的对应原理。玻尔认为：原子在很高的量子态时，量子理论必须得出与经典理论相同的结果，即是说经典理论是量子理论的极限情况，这时它们存在着一一对应的关系。尽管此理论没有能够使玻尔理论摆脱困境，但是在一些问题的探讨中起着指导性的重要作用。对应原理为海森堡建立矩阵力学提供了一个重要的线索。 3海森堡矩阵力学的创建和发展 海森堡生于巴伐利亚州乌兹堡。1920进入慕尼黑大学学习。在大学第一学期他想加入数学家林德曼的研讨班，被拒绝后投到物理学家索末菲的门下。索末菲引导海森堡进入了量子论最前沿的研究领域。1922年冬季索末菲带领海森堡来到哥延根大学聆听玻尔关于原子结构的系列讲座。年轻的海森堡和玻尔在一起散步中谈了许多关于原子理论方面的问题。玻尔谈到自己理论的出发点时说：“这理论的出发点，不是这种想法，以为原子是小型的行星系，人们在这里可以应用天文学的定律，我从来没有当真地这样认为过。对我来说，出发点是物质的稳定性。而这种稳定性从迄今为止的物理学看，是一个奇迹。”当海森堡问到：“那么你在前几天演讲时谈到，而且为之提出理由的原子图像，意味着什么？是什么意思？”玻尔回答说：“这些图像实际上是从经验中推论出来的，或者说猜出来的，不是根据理论计算的结果。我希望，这些图像只是很好地描写了原子的结构，象用经典物理的直观语言所能做到的，再好不过地描写它一样。”当海森堡问到：“如何才能达到科学进步呢？物理毕竟是一门精密科学呀！”玻尔却说：“等到与物质结构稳定性有关的那些佯谬、不可理解的特征，随着新的经验越来越清楚的时候。如果到了这个时候，那么可以希望，逐步形成一个新的概念。我们也能解释原子中不可直观的过程。但离那时还远哩。”玻尔与海森堡的这次谈话对海森堡在科学领域的成长产生了很大的影响。 矩阵力学建立的背景是玻尔的氢原子理论。玻尔理论沿袭了轨道的概念来描述电子的运动，但又作了定态的限制。他认为原子的辐射是原子中的电子在各定态轨道间的跃迁。玻尔的这牛顿力学加量子条件的理论，存在无法克服的困难。海森堡虽然对玻尔