量子力学史

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量子力学史
有人引用量子力学中的随机性支持自由意志说,但是第一,这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观的自由意志之间仍然有着难以逾越的距离；第二,这种随机性是否不可约简(irreducible)还难以证明,因为人们在微观尺度上的观察能力仍然有限.
自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题.统计学中的许多随机事件的例子,严格说来实为决定性的. 量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础.量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用.
量子力学的发展简史
量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的.旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论.
1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象.
1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应.其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题.
1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论.按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量.这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多困难.
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说.德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样,实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质,即既具有粒子性也具有波动性.这一假说不久就为实验所证实.
德布罗意的波粒二象性假设：E=ħω,p=h/λ,其中ħ＝h/2π,可以由E=p²/2m得到λ＝√(h²/2mE).
由于微观粒子具有波粒二象性,微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律,描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学.当粒子的大小由微观过渡到宏观时,它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学.
量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上.在量子力学中,粒子的状态用波函数描述,它是坐标和时间的复函数.为了描写微观粒子状态随时间变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程.这个方程是薛定谔在1926年首先找到的,被称为薛定谔方程.
当微观粒子处于某一状态时,它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现.当粒子所处的状态确定时,力学量具有某一可能值的几率也就完全确定.这就是1927年,海森伯得出的测不准关系,同时玻尔提出了并协原理,对量子力学给出了进一步的阐释.
量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学.经狄拉克、海森伯和泡利等人的工作发展了量子电动力学.20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论,它构成了描述基本粒子现象的理论基础.
量子力学是在旧量子论建立之后发展建立起来的.旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象.由于旧量子论不能令人满意,人们在寻找微观领域的规律时,从两条不同的道路建立了量子力学.
1925年,海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识,抛弃了不可观察的轨道概念,并从可观察的辐射频率及其强度出发,和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学；1926年,薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识,找到了微观体系的运动方程,从而建立起波动力学,其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性；狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论,给出量子力学简洁、完善的数学表达形式.
海森堡还提出了测不准原理,原理的公式表达如下：ΔxΔp≥ħ/2.
量子力学的基本内容
量子力学的基本原理包括量子态的概念,运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理.
在量子力学中,一个物理体系的状态由态函数表示,态函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态.状态随时间的变化遵循一个线性微分方程,该方程预言体系的行为,物理量由满足一定条件的、代表某种运算的算符表示；测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作,对应于代表该量的算符对其态函数的作用；测量的可能取值由该算符的本征方程决定,测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算.
态函数的平方代表作为其变数的物理量出现的几率.根据这些基本原理并附以其他必要的假设,量子力学可以解释原子和亚原子的各种现象.
根据狄拉克符号表示,态函数,用表示,态函数的概率密度用ρ＝表示,其概率流密度用（ħ/2mi）（Ψ*▽Ψ－Ψ▽Ψ*）表示,其概率为概率密度的空间积分.
态函数可以表示为展开在正交空间集里的态矢比如|Ψ（x）>＝∑|ρ_i>,其中|ρ_i>为彼此正交的空间基矢,＝δm,n为狄拉克函数,满足正交归一性质.
态函数满足薛定谔波动方程,iħ(d/dt)|m>=H|m>,分离变数后就能得到不含时状态下的演化方程H|m>＝En|m>,En是能量本征值,H是哈密顿能量算子.
于是经典物理量的量子化问题就归结为薛定谔波动方程的求解问题.
关于量子力学的解释涉及许多哲学问题,其核心是因果性和物理实在问题.按动力学意义上的因果律说,量子力学的运动方程也是因果律方程,当体系的某一时刻的状态被知道时,可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态.
但量子力学的预言和经典物理学运动方程(质点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不同的.在经典物理学理论中,对一个体系的测量不会改变它的状态,它只有一种变化,并按运动方程演进.因此,运动方程对决定体系状态的力学量可以作出确定的预言.
但在量子力学中,体系的状态有两种变化,一种是体系的状态按运动方程演进,这是可逆的变化；另一种是测量改变体系状态的不可逆变化.因此,量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言,只能给出物理量取值的几率.在这个意义上,经典物理学因果律在微观领域失效了.
据此,一些物理学家和哲学家断言量子力学摈弃因果性,而另一些物理学家和哲学家则认为量子力学因果律反映的是一种新型的因果性——几率因果性.量子力学中代表量子态的波函数是在整个空间定义的,态的任何变化是同时在整个空间实现的.
20世纪70年代以来,关于远隔粒子关联的实验表明,类空分离的事件存在着量子力学预言的关联.这种关联是同狭义相对论关于客体之间只能以不大于光速的速度传递物理相互作用的观点相矛盾的.于是,有些物理学家和哲学家为了解释这种关联的存在,提出在量子世界存在一种全局因果性或整体因果性,这种不同于建立在狭义相对论基础上的局域因果性,可以从整体上同时决定相关体系的行为.
量子力学用量子态的概念表征微观体系状态,深化了人们对物理实在的理解.微观体系的性质总是在它们与其他体系,特别是观察仪器的相互作用中表现出来.
人们对观察结果用经典物理学语言描述时,发现微观体系在不同的条件下,或主要表现为波动图象,或主要表现为粒子行为.而量子态的概念所表达的,则是微观体系与仪器相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性.
量子力学表明,微观物理实在既不是波也不是粒子,真正的实在是量子态.真实状态分解为隐态和显态,是由于测量所造成的,在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义.微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上.量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体,它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的.关于远隔粒子关联实验的结论,也定量地支持了量子态不可分离

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奏，很多事情就要发生了。
1924年夏天，出现了又一个前奏。萨地扬德拉...

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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奏，很多事情就要发生了。
1924年夏天，出现了又一个前奏。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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《上帝掷骰子吗》

高三物理书上有简洁的说明

上面的前两条会答得比较系统，但有些没抓到关键比较关键的几点，我谨在第一条回答的基础上加几点：总的量子力学的正统解释是所谓的哥本哈根正统解释：海森堡的测不准原理，玻恩的统计解释，玻尔的互补原理。具体如下：
量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断...

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上面的前两条会答得比较系统，但有些没抓到关键比较关键的几点，我谨在第一条回答的基础上加几点：总的量子力学的正统解释是所谓的哥本哈根正统解释：海森堡的测不准原理，玻恩的统计解释，玻尔的互补原理。具体如下：
量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。
1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。
1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质，即既具有粒子性也具有波动性。这一假说不久就为实验所证实。 有几点改动如下：“实体的微粒”“实体”。
德布罗意的波粒二象性假设：E=ħω，p=h/λ，其中ħ＝h/2π，可以由E=p²/2m得到λ＝√(h²/2mE)。
量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的，被称为薛定谔方程。
•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；另一个版本，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，在这个过程中，海森堡提出了测不准原理。
后来证实这两种形式在数学实质上是等价的。
然后就是玻尔的互补原理：任何事物都有许多不同的侧面，对于同一研究对象，一方面承认了它的一些侧面就不得不放弃其另一些侧面，在这种意义上它们是“互斥”的；另一方面，那些另一些侧面却又不可完全废除的，因为在适当的条件下，人们还必须用到它们，在这种意义上说二者又是“互补”的。这正好解释了任何物质的波粒二性的兼容性，并说明了海森堡提出的测不准原理只是该原理的一种分支。
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然后就是对波粒二性的物理意义的探讨，玻恩是旧量子理论的摧毁者，他认为旧量子论本身内在矛盾是根本性的，为公理化的方法所不容，构造特性架设的办法只是权宜之计，新量子论必须另起炉灶，用公理化方法从根本上解决问题。波函数和各种物理现象的观察之间有什么关系，统计解释认为：波函数的二次方代表粒子出现的几率取得了很大的成功。从统计解释可以知道，在量度某一个物理量的时候，虽然已知几个体系处在相同的状态，但是测量结果不都是一样的，而是有一个用波函数描述的统计分布。
量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯和泡利等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论，它构成了描述基本粒子现象的理论基础。后经费曼，施温格,朝永振一郎的工作而达到相当成熟。
接着就是量子色动力学，量子色动力学主要用于描述强子的相互作用，夸克由于带色荷而产生强相互作用，夸克之间交换胶子。与电磁相互作用不同，光子是不带电荷的，而胶子是带色荷的，因此胶子之间还可直接有强相互作用。
以上的回答有部分与第一条相识，但有很多的补充

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