通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)量子力學(xué)是個(gè)不錯(cuò)的主意。下面我就按照時(shí)間的線索大致捋捋有哪些著名實(shí)驗(yàn)。我這里入選的范圍比較寬泛，以期給出更廣的歷史視角。
量子力學(xué)誕生前，19世紀(jì)最大的物理學(xué)成就是電磁學(xué)，電磁學(xué)統(tǒng)一了電、磁、光三種現(xiàn)象。并隨之伴隨著電燈、電報(bào)等技術(shù)發(fā)明進(jìn)入人們的日常生活。
在這個(gè)領(lǐng)域的著名實(shí)驗(yàn)有：
1814-1825年，夫瑯禾費(fèi)向慕尼黑科學(xué)院展示自己編繪的太陽(yáng)光譜，光譜學(xué)是后來(lái)發(fā)展原子物理學(xué)的基礎(chǔ)。
夫瑯禾費(fèi)在演示他的光譜儀。
1884年，巴爾末發(fā)現(xiàn)了氫光譜公式，這個(gè)公式及更一般的里德堡公式可以由著名的玻爾模型推出來(lái)。
1879年，邁克爾遜利用旋轉(zhuǎn)鏡法精確地測(cè)量了光速，得到的數(shù)值是299910公里每秒，隨之在1887年，邁克爾遜和莫雷完成了著名的“邁克爾遜-莫雷”實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)傳統(tǒng)的機(jī)械波的概念，波動(dòng)需要介質(zhì)，那么對(duì)光波（電磁波）而言，這個(gè)介質(zhì)就是所謂以太，但“邁克爾遜-莫雷”實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有找到以太。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以被后來(lái)愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論所解釋。
除了電磁學(xué)和光學(xué)，熱力學(xué)在19世紀(jì)也有很大的發(fā)展。
當(dāng)時(shí)科學(xué)家研究的一個(gè)課題是“熱輻射譜”，熱輻射就是不同頻率的電磁波的集合，當(dāng)溫度為T(mén)的物體處于熱平衡狀態(tài)的時(shí)候，它輻射出來(lái)的電磁波的強(qiáng)度和頻率存在一個(gè)關(guān)系，當(dāng)時(shí)的德國(guó)科學(xué)家（維恩）和英國(guó)科學(xué)家（瑞利和金斯）分別基于不同的假設(shè)得到了兩個(gè)分布公式，但這兩個(gè)公式對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線（魯本斯）吻合的都不是很好。
與魯本斯有密切合作關(guān)系的普朗克于1900年10月19日向德國(guó)物理學(xué)會(huì)匯報(bào)了自己的新公式——普朗克公式，同一天魯本斯的最新測(cè)量結(jié)果也在會(huì)議上公布。
1900年底，普朗克提出了量子假說(shuō)，并通過(guò)量子假說(shuō)推導(dǎo)出了普朗克公式。從此量子力學(xué)的發(fā)展正式拉開(kāi)了歷史的序幕。
克魯克斯管（陰極射線管）示意。
在19世紀(jì)真空技術(shù)也有了重要進(jìn)展，基于真空技術(shù)，人們可以做出燈泡，燈泡是必須抽真空的，否則燈絲會(huì)很快燒斷。如果在燈泡里再插入一個(gè)電極作為陽(yáng)極，燈泡就會(huì)成為陰極射線管。從燈絲（陰極）跑出的電子加速撞在陽(yáng)極上，陽(yáng)極會(huì)發(fā)出X射線（1895，倫琴）。而如果高頻的光照射到陰極上，則可以從陰極中激發(fā)出光電子（光電效應(yīng)：1887，赫茲）。如果我們讓陰極跑出的電子加速，跑的很快很快的話，就是加速器。
1897年，湯姆遜測(cè)量了陰極射線（電子）的荷質(zhì)比（e/m），發(fā)現(xiàn)比質(zhì)子（氫離子）的荷質(zhì)比大很多，說(shuō)明電子的質(zhì)量比氫離子的質(zhì)量小上千倍。1899年，湯姆遜還證明光電子就是電子。
在湯姆遜工作之前的1895年，塞曼研究了光譜線在磁場(chǎng)中的分裂，洛倫茲假設(shè)物體里存在著自由運(yùn)動(dòng)的電子（金屬電子論）解釋了塞曼分裂，并估算出了e/m的取值，這個(gè)工作和湯姆遜的工作一起使得人們相信在物質(zhì)中普遍存在電子。
原子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)基本層次，1869年，門(mén)捷列夫提出了元素周期律，并發(fā)布了一張?jiān)刂芷诒怼０l(fā)現(xiàn)新元素并確定元素的性質(zhì)是化學(xué)家的一項(xiàng)重要工作。
一張現(xiàn)代的元素周期表。
1896年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾鹽具有放射性。所謂放射性就是物質(zhì)會(huì)放出和X射線類(lèi)似的具有穿透能力的射線。隨后居里夫婦發(fā)現(xiàn)了釙和鐳等具有放射性的新元素。
根據(jù)放射性穿透能力的不同，可以分為α，β和γ三種射線。
1909年，盧瑟福等用α射線（高能He核）照射到金屬箔上，發(fā)現(xiàn)部分高能α粒子會(huì)被金屬箔以大角度反射回來(lái)。盧瑟福實(shí)驗(yàn)說(shuō)明原子中的正電荷集中分布在原子的極小區(qū)域，這就是原子的有核模型。
盧瑟福的工作是打開(kāi)微觀物理世界的重要一步，人們發(fā)現(xiàn)根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)很難解釋原子有核模型的穩(wěn)定性問(wèn)題。
1913年，玻爾提出了原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型。通過(guò)定態(tài)（原子中存在確定的量子化的能級(jí)），量子躍遷，量子化等概念，玻爾解釋了氫原子光譜，X射線特征譜線等不同物理現(xiàn)象。
并且定態(tài)概念，很快就被“弗蘭克-赫茲”實(shí)驗(yàn)（1913）所證實(shí)。這本身是個(gè)歪打正著的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楦ヌm克和赫茲在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候并不知道玻爾模型。
“斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)”示意，從教學(xué)的角度，講這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以直接介紹矩陣力學(xué)，因此是個(gè)更現(xiàn)代的教學(xué)法。
斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)（1921）也是為了驗(yàn)證玻爾模型做的，發(fā)現(xiàn)銀原子磁矩的取值確實(shí)也是量子化的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也比斯特恩和蓋拉赫當(dāng)初設(shè)想的要意義深遠(yuǎn)，因?yàn)樗f(shuō)明電子存在一個(gè)新的內(nèi)稟性質(zhì)——自旋，其取值只有向上和向下兩種可能。
1925年，烏倫貝克和古德施米特提出了自旋概念，并解釋了反常塞曼效應(yīng)。但要完全理解自旋的意義，還要等狄拉克出場(chǎng)才行。
玻爾模型雖然取得了很大的成功，但它還不是一個(gè)系統(tǒng)化的理論，并且很難推廣到多電子的情形。1923年，德布羅意提出了量子力學(xué)中的核心概念——物質(zhì)波，德布羅意認(rèn)為電子必須被描述為一種波動(dòng)，并用駐波來(lái)解釋量子力學(xué)中的定態(tài)。
物質(zhì)波，或波粒二象性是量子力學(xué)中的核心概念，與之相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)，可分為兩個(gè)系列。一個(gè)系列是光的粒子性，包括：黑體輻射（普朗克分布），光電效應(yīng)，康普頓散射等。另一個(gè)系列是電子（或粒子）的波動(dòng)性，包括：原子光譜，戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)，中子衍射實(shí)驗(yàn)等。
戴維遜和革末，費(fèi)曼的雙縫實(shí)驗(yàn)也可以看做是戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)的變種。區(qū)別是雙縫實(shí)驗(yàn)是費(fèi)曼出于教學(xué)和研究目的提出的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，而革末實(shí)驗(yàn)是歷史上真的被做過(guò)的實(shí)驗(yàn)。
既然電子是個(gè)波，那么就需要寫(xiě)出電子滿(mǎn)足的波動(dòng)方程。這個(gè)任務(wù)是薛定諤首先完成的，1926年薛定諤寫(xiě)出了著名的薛定諤方程，薛定諤方程就是一個(gè)偏微分方程，但薛定諤的這個(gè)方程并沒(méi)有考慮狹義相對(duì)論。
在薛定諤之前的1925年，海森堡及其合作者，玻恩和約旦就已經(jīng)完成了量子力學(xué)的第一個(gè)版本——矩陣力學(xué)，海森堡的思路是不從位置、軌道等經(jīng)典物理概念出發(fā)，直接對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的各種躍遷幾率幅寫(xiě)出方程，海森堡的工作最初是很晦澀的，但在玻恩等加入之后，物理意義變得逐漸清晰起來(lái)。
波動(dòng)力學(xué)比較容易被初學(xué)者理解，矩陣力學(xué)適合做研究，應(yīng)用的也更廣?，F(xiàn)在很多人說(shuō)，玻恩是量子力學(xué)發(fā)展史中被低估的一個(gè)大師是有一定道理的。
1928年，狄拉克完成了相對(duì)論性量子力學(xué)（狄拉克方程），解釋了自旋，并預(yù)言了反粒子（正電子）。狄拉克是量子力學(xué)的最終完成者。除了狄拉克方程，狄拉克δ函數(shù)，表象理論，正則量子化等都是量子力學(xué)中的核心概念。并且狄拉克的工作也是通向量子場(chǎng)論和費(fèi)曼路勁積分的關(guān)鍵一步。
狄拉克是一個(gè)特別謙遜的物理學(xué)家，比如他曾盛贊一旦有了薛定諤方程，所有的材料和化學(xué)問(wèn)題“原則上”都解決了，其實(shí)這句話用在他自己的狄拉克方程上才更貼切。
1932年，安德森在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，這是對(duì)狄拉克方程的直接驗(yàn)證。
在量子力學(xué)基本完成之后，物理學(xué)家又開(kāi)始從“哲學(xué)”的意義上對(duì)量子力學(xué)進(jìn)行反思。這里面最有價(jià)值的就是愛(ài)因斯坦的工作，愛(ài)因斯坦通過(guò)構(gòu)造一個(gè)量子糾纏態(tài)，說(shuō)明量子力學(xué)是一個(gè)不具有“局域?qū)嵲谛浴钡睦碚摗?/p>
愛(ài)因斯坦本人是不喜歡這個(gè)結(jié)論的，后來(lái)玻姆等試圖發(fā)展量子力學(xué)的隱變量理論，但這些替代性理論如何在實(shí)驗(yàn)上與正統(tǒng)的量子力學(xué)區(qū)分是個(gè)問(wèn)題。1964年，貝爾提出了一個(gè)不等式，使得區(qū)分隱變量理論和正統(tǒng)理論成為可能。
1982年，Aspect通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了貝爾不等式，實(shí)驗(yàn)表明量子力學(xué)確實(shí)是非局域的，即愛(ài)因斯坦關(guān)于量子力學(xué)的個(gè)人偏好是錯(cuò)誤的。
Aspect實(shí)驗(yàn)示意。
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