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量子物理百年回顾         
量子物理百年回顾
作者:思议 文章来源:不可思议网 点击数: 更新时间:2006-4-21 1:10:59
. Dirac)提出了相对论性的波动方程用来描述电子,解释了电子的自旋并且预测了反物质。

· 狄拉克提出电磁场的量子描述,建立了量子场论的基础。

· 玻尔提出互补原理(一个哲学原理),试图解释量子理论中一些明显的矛盾,特别是波粒二象性。

  量子理论的主要创立者都是年轻人。1925年,泡利25岁,海森堡和恩里克·费米(Enrico Fermi)24岁,狄拉克和约当23岁。薛定谔是 一个大器晚成者,36岁。玻恩和玻尔年龄稍大一些,值得一提的是他 们的贡献大多是阐释性的。爱因斯坦的反应反衬出量子力学这一智力 成果深刻而激进的属性:他拒绝自己发明的导致量子理论的许多关键 的观念,他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他对理论物理的最后一项 贡献,也是对物理学的最后一项重要贡献。

  创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶,开尔文爵士在祝贺玻尔1913年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因。 他说,玻尔的论文中有很多真理是他所不能理解的。开尔文认为基本 的新物理学必将出自无拘无束的头脑。

  1928年,革命结束,量子力学的基础本质上已经建立好了。后来, Abraham Pais以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命。其 中有一段是这样的,1925年,Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck就提 出了电子自旋的概念,玻尔对此深表怀疑。10月玻尔乘火车前往荷兰 的莱顿参加亨德里克·A·洛伦兹(Hendrik A. Lorentz)的50岁生日庆 典,泡利在德国的汉堡碰到玻尔并探询玻尔对电子自旋可能性的看法; 玻尔用他那著名的低调评价的语言回答说,自旋这一提议是“非常, 非常有趣的”。后来,爱因斯坦和Paul Ehrenfest在莱顿碰到了玻尔并 讨论了自旋。玻尔说明了自己的反对意见,但是爱因斯坦展示了自旋 的一种方式并使玻尔成为自旋的支持者。在玻尔的返程中,遇到了更 多的讨论者。当火车经过德国的哥挺根时,海森堡和约当接站并询问 他的意见,泡利也特意从汉堡格赶到柏林接站。玻尔告诉他们自旋的发现是一重大进步。

  量子力学的创建触发了科学的淘金热。早期的成果有:1927年海 森堡得到了氦原子薛定谔方程的近似解,建立了原子结构理论的基础; John Slater,Douglas Rayner Hartree, 和Vladimir Fock随后又提出了原子 结构的一般计算技巧;Fritz London和Walter Heitler解决了氢分子的结 构,在此基础上,Linus Pauling建立了理论化学;Arnold Sommerfeld和 泡利建立了金属电子理论的基础,Felix Bloch创立了能带结构理论; 海森堡解释了铁磁性的起因。1928年George Gamow解释了α放射性衰 变的随机本性之谜,他表明α衰变是由量子力学的隧道效应引起的。 随后几年中,Hans Bethe建立了核物理的基础并解释了恒星的能量来源。随着这些进展,原子物理、分子物理、固体物理和核物理进入了 现代物理的时代。


量子力学要点

  伴随着这些进展,围绕量子力学的阐释和正确性发生了许多争论。 玻尔和海森堡是倡导者的重要成员,他们信奉新理论,爱因斯坦和薛 定谔则对新理论不满意。要理解这些混乱的原因,必须掌握量子理论 的关键特征,总结如下。(为了简明,我们只描述薛定谔的波动力学。)

  基本描述:波函数。系统的行为用薛定谔方程描述,方程的解称为波函数。系统的完整信息用它的波函数表述,通过波函数可以计算 任意可观察量的可能值。在空间给定体积内找到一个电子的概率正比 于波函数幅值的平方,因此,粒子的位置分布在波函数所在的体积内。 粒子的动量依赖于波函数的斜率,波函数越陡,动量越大。斜率是变 化的,因此动量也是分布的。这样,有必要放弃位移和速度能确定到 任意精度的经典图象,而采纳一种模糊的概率图象,这也是量子力学 的核心。

  对于同样一些系统进行同样精心的测量不一定产生同一结果,相反,结果分散在波函数描述的范围内,因此,电子特定的位置和动量 没有意义。这可由测不准原理表述如下:要使粒子位置测得精确,波 函数必须是尖峰型的,然而,尖峰必有很陡的斜率,因此动量就分布 在很大的范围内;相反,若动量有很小的分布,波函数的斜率必很小, 因而波函数分布于大范围内,这样粒子的位置就更加不确定了。

  波的干涉。波相加还是相减取决于它们的相位,振幅同相时相加,反相时相减。当波沿着几条路径从波源到达接收器,

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