量子力学史简介

都分解成若干个简谐振动的叠加来理解。经过分解，旧理论中表示位移、动量的物理量被分解为由一系列表示振动的函数构成的多项式，每个函数对应于一个可能出现的跃迁状态，振动的频率就是跃迁时放出或吸收的光子的频率，振幅代表这个跃迁状态可能出现的几率，与相应频率的光线在光谱中的亮度相对应，这样，新理论中出现的全部变量就都变成了可以直接通过实验观测的。由于在这套体系中，所有传统物理量都被写成了多项式形式，因此涉及大量多项式相乘的运算。海森堡的同事波恩和约当注意到，把这套体系用高等数学中处理多项式相乘的工具矩阵来表示再合适不过了。1925年，他们和海森堡一起完成了将新量子论改写为矩阵的工作，即今天我们所说的量子力学的第一套数学形式：矩阵力学。

从矩阵力学的建立过程可以看到，事实经验在其中起到了关键的作用。普朗克的能量量子和爱因斯坦的光量子都是为了解释实验中出现的反常现象而被迫创造出的新概念；波尔理论的成功更直接得益于氢原子光谱的经验证据的支持；而海森堡则干脆声称其理论只针对实验中的可观测量。相反，在这条路径中，物理理论图景的发展却一直远远滞后，甚至可以说从始至终就是模糊不清的。普朗克的能量量子概念就连他自己也觉得难以理解；波尔自始至终也无法说清原子核外电子按固定轨道分布的原因及其跃迁机制；至于海森堡，甚至以“摒弃形而上学假设”为旗帜，要求把讨论严格限制在可观测量上。

随着波动力学和矩阵力学的创立，在同一研究领域出现了两个形式完全不同、但同样有效的量子理论。开始时，两种理论的创立者对对方的理论都抱有排斥甚至敌视的态度。海森堡给泡利的信中写到：“我越是思考薛定谔理论的物理内容，就越感到憎恨。”同样，薛定谔对矩阵力学也很反感，他说；“这种超越代数的方法简直无法想象，它如果不使我拒绝的话，至少使我气馁。”后来薛定谔认真钻研了矩阵力学，于1926年4月发表了《关于海森堡-波恩-约当的量子力学与我的波动力学之间的关系》，从数学上证明了两种理论的等价性：海森堡的矩阵可以由薛定谔的本征函数构成，反之亦然。5月，薛定谔写信给狄拉克，说明了两种理论的一致性。两种理论都是以微观粒子具有波粒二相性这一实验事实为基础，通过与经典理论的类比而建立起来的。后来，把矩阵力学和波动力学合在一起，统称为量子力学。

狄拉克在1925年11月发表的论文《量子力学的基本方程》中，运用泊松括

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号和对应原理，很简单的把经典力学方程改造为量子力学方程，并引进了狄拉克符号，从而建立了相对论性量子力学。同时为粒子物理和量子电动力学奠定了基础，因此狄拉克与薛定谔共获1933年诺贝尔物理奖。

量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以波尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。

哥本哈根学派的诠释波尔的“互补原理”、海森堡的“测不准关系”和波恩的“几率解释”被人们称为量子力学的“正统”解释。波函数的几率诠释：在微观领域里，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。测不准关系：1927年，海森堡在论文《量子论中运动学和动力学的可观测内容》中，提出了著名的“测不准原理”海森堡认为，微观粒子既不是经典的粒子，也不是经典的波；当人们用宏观仪器观测微观粒子时，就会发生观测仪器对微观粒子行为的干扰，使人们无法准确掌握微观粒子的原来面貌；而这种干扰是无法控制和避免的，就像盲人想知道雪花的形状和构造。互补原理：海森堡认为，测不准关系的存在，表明了位置和动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限；波尔则认为这一原理并不表明粒子语言和波动语言的不适用性，只是表明同时应用它们既是不可能的，但又必须同等应用它们才能对物理现象提供完备的描述。也就是说，微观粒子具有波粒二相性，正是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中波和粒子这两种图像却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图像都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图像结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是波尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种哲学原理。

以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：因果性还是几率波？他针对波尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：“波尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”量子力学仅可建立在可观察量的

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基础上？爱因斯坦对这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。

爱因斯坦和波尔的争论，使量子力学的意义不断得到澄清，一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是：科学规律本质上是因果性的，还是概率性的？这场争论并没有破坏他们的友谊，他们相互尊重，为后人树立了榜样。

总之，量子力学冲破了经典物理的局限，迅速发展起来，成为我们研究微观世界的有力武器。普朗克、卢瑟福、波尔、德布罗意、薛定谔、海森堡等科学家为追求真理而勇于探索的精神，成为我们学习的榜样。

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