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发信人: arwei (爱你·久子...读书学习), 信区: material
标  题: 量子物理百年回顾·D. Kleppner & R. Jackiw(3)
发信站: 听涛站 (2002年12月12日18:23:43 星期四), 站内信件

 量子力学史
　　1923年路易·德布罗意（Louis de Broglie）在他的博士论文中提出
光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的。他将粒子的波长
和动量联系起来：动量越大，波长越短。这是一个引人入胜的想法，
但没有人知道粒子的波动性意味着什么，也不知道它与原子结构有何
联系。然而德布罗意的假设是一个重要的前凑，很多事情就要发生了。
　　1924年夏天，出现了又一个前凑。萨地扬德拉·N·玻色（Satyendra
N. Bose）提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律。他把光看作
一种无（静）质量的粒子（现称为光子）组成的气体，这种气体不遵
循经典的玻耳兹曼统计规律，而遵循一种建立在粒子不可区分的性质
（即全同性）上的一种新的统计理论。爱因斯坦立即将玻色的推理应
用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的
分布规律，即著名的玻色-爱因斯坦分布。然而，在通常情况下新老理
论将预测到原子气体相同的行为。爱因斯坦在这方面再无兴趣，因此
这些结果也被搁置了10多年。然而，它的关键思想——粒子的全同性，
是极其重要的。
　　突然，一系列事件纷至沓来，最后导致一场科学革命。从1925年
元月到1928年元月：
· 沃尔夫刚·泡利（Wolfgang Pauli）提出了不相容原理，为周期表奠
定了理论基础。
· 韦纳·海森堡（Werner Heisenberg）、马克斯·玻恩（Max Born）
和帕斯库尔·约当（Pascual Jordan）提出了量子力学的第一个版本，
矩阵力学。人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理
解原子中电子的运动这一历史目标。
· 埃尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）提出了量子力学的第二种形
式，波动力学。在波动力学中，体系的状态用薛定谔方程的解——波
函数来描述。矩阵力学和波动力学貌似矛盾，实质上是等价的。
· 电子被证明遵循一种新的统计规律，费米-狄拉克统计。人们进一
步认识到所有的粒子要么遵循费米-狄拉克统计，要么遵循玻色-爱因
斯坦统计，这两类粒子的基本属性很不相同。
· 海森堡阐明测不准原理。
· 保尔·A·M·狄拉克（Paul A. M. 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。

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