有量子力學(xué)發(fā)展史談一談物理學(xué)研究報告方法

..>量子力學(xué)理論體系的開展，從二十世紀(jì)初開場，經(jīng)歷了半個多世紀(jì)，積累了十二項諾貝爾物理學(xué)獎的成果才形成的。德國物理學(xué)家普朗克因發(fā)現(xiàn)能量子而對物理學(xué)的開展做出出色奉獻，榮獲1918年度諾貝爾物理學(xué)獎。他1895年開場研究熱輻射問題，1900年普朗克在德國物理學(xué)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(xué)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(rèn)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(biāo)志著一個新的、廣闊的物理學(xué)科——量子力學(xué)的誕生。德國物理學(xué)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(xué)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(rèn)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(rèn)識推進了一大步，歷時三個多世紀(jì)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(xué)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(xué)最大的劃時代奉獻。只是當(dāng)時決定授予愛因斯坦諾貝爾物理學(xué)獎的時候，他的相對論還未被所有科學(xué)家成認(rèn)，物理學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)的根底，對量子論和量子力學(xué)的開展起了重要作用，玻爾成為20世紀(jì)與愛因斯坦齊名的物理學(xué)家。德國物理學(xué)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(xué)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(xué)的建立打下了實驗根底。1923年美國物理學(xué)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(rèn)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(xué)獎。法國物理學(xué)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(xué)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(xué)理工學(xué)院，申請博士學(xué)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(xué)上有著超人的美學(xué)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(xué)界的廣泛關(guān)注。1925年美國物理學(xué)家戴維和英國物理學(xué)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(xué)論證，提出了著名的薜定諤波動方程。美國物理學(xué)家戴維和英國物理學(xué)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(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)和化學(xué)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(xué)理論建立了系統(tǒng)的成果，于是量子力學(xué)理論體系的完整的數(shù)學(xué)描述的研究也隨之開展起來。德國物理學(xué)家海森伯，因創(chuàng)立量子力學(xué)并發(fā)現(xiàn)氫的同素異形體獲1932年度諾貝爾物理學(xué)獎。海森伯利用矩陣數(shù)學(xué)，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(xué)的理論體系——矩陣力學(xué)。1925年他將其研究結(jié)果寫成"論運動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子解釋"的論文發(fā)表，標(biāo)志著量子力學(xué)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(xué)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(xué)家用矩陣力學(xué)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(xué)家薜定諤和英國物理學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)，并用該理論解決了原子物理學(xué)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(xué)的開展起了巨大作用。薜定諤注意到海森伯矩陣力學(xué)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(xué)與矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上完全等價。薜定諤方程用于研究微觀粒子的動力學(xué)規(guī)律的重要性如同牛頓方程在經(jīng)典力學(xué)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(xué)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(xué)，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(xué)推向了更加成熟的階段。英籍物理學(xué)家玻恩因在量子力學(xué)的根本研究，特別是波函數(shù)統(tǒng)計解釋與德國物理學(xué)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(xué)獎。薜定諤認(rèn)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(xué)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(xué)"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(yán)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(xué)家的公認(rèn)。美籍奧地利物理學(xué)家泡利因發(fā)現(xiàn)不相容原理獲1945年度諾貝爾物理學(xué)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(xué)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(xué)，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(xué)理論、把波動力學(xué)從單粒子推廣到多粒子等均有重要奉獻。美國物理學(xué)家費因曼、施溫格和日本物理學(xué)家朝永振一郎三人因在量子電動力學(xué)方面所做的對根本粒子物理學(xué)深刻的根底性研究，共獲1965年諾貝爾物理學(xué)獎。1930～1940年期間發(fā)現(xiàn)，利用量子電動力學(xué)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(xué)成為一種嚴(yán)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(xué)的路經(jīng)積分方法，并用它重寫和重建了量子力學(xué)及量子電動力學(xué)的大局部公式和局部理論，還在量子電動力學(xué)中建立了一套嚴(yán)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(xué)，把原子構(gòu)造、輻射吸收、粒子的產(chǎn)生和湮沒、固體物理學(xué)、激光、微波波譜學(xué)、等離子體學(xué)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(xué)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(xué)說，對量子概念起了巨大的推動作用。在此后量子力學(xué)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(xué)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(xué)會建立起來〞。1926年海森伯應(yīng)邀在柏林大學(xué)作量子力學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)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(xué)與動力學(xué)的直覺容"中提出了測不準(zhǔn)原理，找到了理論與實驗統(tǒng)一的出路，構(gòu)成了量子力學(xué)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(xué)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(xué)理論的學(xué)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(xué)開展有重要奉獻的第二位人物，要首推丹麥物理學(xué)家玻爾。玻爾在科學(xué)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(xué)上自由討論、相互學(xué)習(xí)的被稱為"哥本哈根精神〞的學(xué)術(shù)氣氛和精神，對科學(xué)家及科學(xué)界產(chǎn)生了巨大影響。他還致力于推進科學(xué)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(xué)習(xí)、工作、交流的各國學(xué)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(xué)者如周培源、周光召、胡寧、宗燧、福家、曾謹(jǐn)言等都先后到哥本哈根學(xué)習(xí)、工作、交流過。因此哥本哈根被世人稱之為物理學(xué)家的朝圣地，玻爾本人也被譽為"科學(xué)國際化之父〞。1927年哥本哈根學(xué)派提出的兩論的測不準(zhǔn)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(yán)格的因果律〞，而哥本哈根學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)形式是不可更改的最終形式的論點，認(rèn)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(rèn)為量子力學(xué)理論有在邏輯矛盾，他選擇測不準(zhǔn)原理為突破口，設(shè)計了一個又一個的"理想實驗〞來否認(rèn)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(rèn)了哥本哈根詮釋的邏輯性，但并未縫合他們之間哲學(xué)思想上存在的鴻溝。1931年開場又對量子力學(xué)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(xué)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(xué)原理的不能協(xié)調(diào)一致，從而斷言哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)是不完備的。他認(rèn)為不應(yīng)死抱住可觀察的東西這個當(dāng)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(zhǔn)確度來做預(yù)測，認(rèn)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(xué)。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(xué)的所有結(jié)果。與此相反，到80年代具有更準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，卻證明了量子理論是正確的。量子力學(xué)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(xué)家能精力充分的多活20年，量子力學(xué)是否比現(xiàn)在的版本會更加透徹、精深？對量子力學(xué)理論體系開展歷史的學(xué)習(xí)，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(xué)這門學(xué)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(dāng)代此領(lǐng)域的高水平學(xué)者，被評出的科學(xué)成果，反映過去一年里物理學(xué)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(xué)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(xué)的現(xiàn)象和規(guī)律如何用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)理論方程去描述