淺談量子力學(xué)發(fā)展與展望
發(fā)布時間:2018-06-27 來源: 歷史回眸 點擊:
摘要:從量子力學(xué)誕生的時刻開始,盡管其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),但許多科學(xué)家懷疑它并不是完整的物理理論由它產(chǎn)生的一系列觀念和物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念是如此相反,以至于它的許多發(fā)現(xiàn)者都感到迷惑和不解,并為此展開了激烈的爭論,量子力學(xué)是在百家爭鳴的環(huán)境下不斷發(fā)展的。本文回顧了量子論和量子力學(xué)產(chǎn)生的過程和圍繞量子力學(xué)發(fā)生的爭論,論述了量子力學(xué)對人類社會的科學(xué)、哲學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟帶來的巨大影響對量子力學(xué)的進一步發(fā)展進行了討論。
關(guān)鍵詞:普朗克;量子論;相對論
一、前言
1900年12月14日,德國物理學(xué)家馬克思-普朗克發(fā)表了一篇重要的論文,他在分析黑體輻射的能譜時,提出了光的能量和頻率成正比并以不連續(xù)的量子狀態(tài)輻射的新概念。量子論提出后,經(jīng)過25年的時間,由許多物理學(xué)家共同努力,激烈爭辯,最終才形成了量子力學(xué)量子力學(xué)、相對論和基因雙螺旋結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)最重要的三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。量子力學(xué)在其中又占有特殊的位置。它打開了人類認(rèn)識原子世界的大門。歷史上沒有哪一個理論的成就如此深刻地改變著人類社會的生產(chǎn)、生活和觀念。沒有量子力學(xué)的指導(dǎo),就不會認(rèn)識化學(xué)鍵,不會有高教的化學(xué)臺成和化學(xué)工業(yè),就不會認(rèn)識能帶結(jié)構(gòu),不會發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體晶體管、集成電路和激光,不會有今天的信息技術(shù)和工業(yè),也就不會形成今天全球化的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和信息革命。量子力學(xué)使我們得以了解分子、原子、核于、夸克、輕于的性質(zhì)和各種物態(tài)的結(jié)構(gòu),是最有預(yù)見力和精確的理論,它不僅是微觀世界的理論,而且是宏觀相干量子態(tài)的理論。量子力學(xué)直到今天仍有豐富的生命力,基于它的發(fā)現(xiàn)始終層出不窮。在今后相當(dāng)一段時間內(nèi),它仍然將居于物理學(xué)創(chuàng)新的中心。從量子力學(xué)誕生的時刻開始,盡管其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),但許多科學(xué)家懷疑它并不是完整的物理理論由它產(chǎn)生的一系列觀念和物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念是如此相反,以至于它的許多發(fā)現(xiàn)者都感到迷惑和不解,并為此展開了激烈的爭論,量子力學(xué)是在百家爭鳴的環(huán)境下不斷發(fā)展的。
二、量子論發(fā)現(xiàn)的背景
到19世紀(jì)末,已建立了三大物理理論:(1)牛頓力學(xué),確定粒子的運動;(2)麥克斯韋電動力學(xué),確定電磁場和電磁渡的運動;(3)熱力學(xué)和統(tǒng)計物理,確定熱平衡態(tài)的物性。這三大理論都形成了完整的數(shù)學(xué)框架,特別是拉格朗日、哈密頓和Jocobi發(fā)展的分析動力學(xué),費馬的最小作用原理給牛頓力學(xué)以嶄新的形式和深刻的內(nèi)涵。
雖然三大經(jīng)典理論在解釋某些自然現(xiàn)象時取得了很大的成功,當(dāng)時人們相信它們能解釋萬物運動的規(guī)律,但經(jīng)過努力,仍不能解釋上述這些物性的經(jīng)驗規(guī)律是如何由基本規(guī)律形成的。在19世紀(jì)和20世紀(jì)之交,一系列新的發(fā)現(xiàn)和經(jīng)典理論預(yù)見的結(jié)果相左,加劇了存在的問題,如光速不變(1879年邁克耳孫一莫雷)、黑體輻射(1859年基爾霍夫,1879年斯特藩,1884年玻爾茲曼,1896年維恩)、光電效應(yīng)(1887年赫茲)、放射性(1896年貝克勒爾)、電子軌道的不穩(wěn)定性(1899年盧瑟福)等等,形成了傳統(tǒng)物理學(xué)的危機。
三、1923年后的10年內(nèi)量子力學(xué)獲得飛速發(fā)展
1923年,德布羅意在其博士論文中提出了電子也具有波動性的建議;1924年,泡利提出了不相容原理;1924年。玻色和愛因斯坦引進了玻色一愛因斯坦(Bose-Einstein)統(tǒng)計;1925年,烏倫貝克(GE.Uhlenbeck)和古德斯密特(S A.Goudsmit)提出了電子自旋的建議;1925年,海森伯、玻思和約爾丹(E.P.Jordan)發(fā)表量子矩陣力學(xué);1926年,薛定諤提出波動方程。發(fā)表量子波動力學(xué);1926年,薛定諤證明量子矩陣力學(xué)和量子波動力學(xué)在數(shù)學(xué)上等價;1926年,克萊因(0.B.Klein)和戈登(W.Gordon)提出相對論波動方程;1926年,費米發(fā)現(xiàn)自旋和統(tǒng)計的聯(lián)系;1926年,狄拉克引進費米一狄拉克統(tǒng)計;1927年,戴維孫(C J.Davission)、革末(L.H.Germer)和湯姆孫(G.P.Thomson)的實驗證明電子的波動性;1927年,海森伯提出測不準(zhǔn)關(guān)系式;1927年,玻恩提出波函數(shù)的統(tǒng)計解釋;1928年,狄拉克發(fā)表電子的相對論方程;1930年,狄拉克引進電子空穴;1931年,泡利提出中微子假說;1931年,泡令(L.C Pauling)發(fā)現(xiàn)化學(xué)共振鍵;1932年,查德威克(j.Chadwick)發(fā)現(xiàn)中子;1932年,海森伯引進同位旋概念。提出原子核的核子模型;1932年,安德森(C.D.Anderson)發(fā)現(xiàn)正電子。
值得指出的是,量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)者們多數(shù)雖然年輕,但都具有深厚的理論和實驗的知識。他們了解光譜和各種物性的實驗進展和狀況,對分析動力學(xué)、電磁場理論、熱力學(xué)和統(tǒng)計物理都有深刻的領(lǐng)會。他們還掌握了數(shù)學(xué)的最新發(fā)展,如希爾伯特(Hilben)空間這說明,只有掌握人類創(chuàng)造的全部知識財富,才能產(chǎn)生革命性的創(chuàng)新。
四、不同意見的爭論是發(fā)展科學(xué)的重要推動力
盡管量子力學(xué)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),在解釋一系列實驗現(xiàn)象上取得了完全成功,但是從它誕生的時刻開始,對它的物理解釋和理解就存在不同的意見和爭論。一批為量子力學(xué)的發(fā)展作出過重要貢獻(xiàn)的物理學(xué)家,如愛因斯坦、薛定諤等始終懷疑量子力學(xué),認(rèn)為它不是最終的理論,而另一批物理學(xué)家,以玻爾、海森伯為首則持完全相反的意見。
五、量子力學(xué)和相對論
有人從測量過程的突變性推論相對論遭到破壞,認(rèn)為這預(yù)示量子力學(xué)和相對論存在沖突,發(fā)掘這種沖突是發(fā)展量子力學(xué)的前提。但需要指出的是,測量過程的理論可能在現(xiàn)有量子力學(xué)的能力范圍之外。其次,相對論和量子力學(xué)在量子場論中已得到很好的結(jié)臺,如量子電磁場理論已是當(dāng)今世界最精確的理論,理論預(yù)測和實驗結(jié)果高度符臺。很難想象在低能區(qū)相對論和量子力學(xué)二者之間存在矛盾。當(dāng)然兩者都需要進一步發(fā)展,他們在極高的普朗克能區(qū)會統(tǒng)一在薪的理論之中。
六、量子力學(xué)發(fā)展的歷史帶給我們的啟示
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