要正確地理解量子力學(xué)，追溯其發(fā)展歷史是非常必要的。量子力學(xué)不同于相對(duì)論和牛頓力學(xué)，它更少有被罩上個(gè)別偉人的光環(huán)。它可說(shuō)成是有史以來(lái)最出色和最富激情的一代物理學(xué)家集體努力的成果。綜觀量子力學(xué)發(fā)展史，真可謂是群星璀璨、光彩紛呈。因此，讓我們先回頭看看歷史。
說(shuō)到當(dāng)時(shí)的'那一代’物理學(xué)家，最令人矚目的是他們的年齡。在這點(diǎn)上，量子論的發(fā)展可與近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)公司的發(fā)展相提并論：都是一伙年輕人的天下！看看當(dāng)年那一批爭(zhēng)奇斗艷，光彩奪目的科學(xué)明星吧，當(dāng)他們對(duì)量子力學(xué)作出重要貢獻(xiàn)時(shí)，大多數(shù)是20-30歲的年齡。這也就是為什么在當(dāng)時(shí)，量子力學(xué)被人們稱(chēng)為“男孩物理學(xué)”的原因。
讓我們細(xì)數(shù)'男孩’們對(duì)量子力學(xué)的貢獻(xiàn)：
愛(ài)因斯坦1905年提出光量子假說(shuō)，26歲。
玻爾1913年提出原子結(jié)構(gòu)理論，28歲。
德布羅意1923年提出德布羅意波，31歲。
海森堡1925年創(chuàng)立矩陣力學(xué)，1927年提出測(cè)不準(zhǔn)原理，24-26歲。
還有更多的年輕人：泡利25歲，狄拉克23歲，烏侖貝克25歲，古德施密特23歲，約爾當(dāng)23歲……
和他們比起來(lái)，36歲的薛定諤，43歲的波恩，42歲的普朗克，該算是老叔叔老爺爺了。
物理學(xué)家們將量子力學(xué)的誕生之日，定為1900年12月14日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論文的那一天。在此之前，牛頓力學(xué)加上麥克斯韋方程建造的宏偉物理大廈雖然還巍然挺立，但天空已經(jīng)陰云密布，一片'山雨欲來(lái)風(fēng)滿(mǎn)樓’的氣氛彌漫其間。42歲的'老爺爺’普朗克戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地伸出腦袋看看天，身邊是潘多拉的盒子，這妖精該不該放出來(lái)呢？也許它能驅(qū)除烏云，恢復(fù)藍(lán)天，也許它將如同石頭縫里蹦出的孫猴子，揮動(dòng)金箍棒，將世界擾得地覆天翻？普朗克的直覺(jué)告訴他，結(jié)論會(huì)是后者。但是，妖精總是要出來(lái)的，天意不可違啊。于是，盒子被打開(kāi)，量子力學(xué)這個(gè)怪物就此誕生了。
之后的100多年，盡管量子物理學(xué)一個(gè)里程碑又一個(gè)里程碑，成果斐然，但由于它驚世駭俗、不同凡響的本質(zhì)，孫悟空難跳出如來(lái)佛的掌心，量子論每前進(jìn)一步似乎都舉步維艱。
其實(shí)，整個(gè)物理學(xué)在爭(zhēng)論些什么呢？說(shuō)穿了也很簡(jiǎn)單。那是最古老也最困惑人的問(wèn)題：“光，到底是什么？物質(zhì)，又是什么？”
用現(xiàn)代的語(yǔ)言，說(shuō)得再具體一些：“光和物質(zhì)，到底是粒子還是波？”這個(gè)粒子說(shuō)波動(dòng)說(shuō)糾纏不清的問(wèn)題，穿越時(shí)空幾百年，引發(fā)了各種學(xué)說(shuō)理論，伴隨著越來(lái)越精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也招來(lái)了一場(chǎng)又一場(chǎng)連綿不斷的口水戰(zhàn)。
在量子力學(xué)誕生之前，對(duì)此問(wèn)題的爭(zhēng)論有過(guò)一段時(shí)期的平靜。那就是上文所說(shuō)的'牛頓力學(xué)加上麥克斯韋方程建造的宏偉物理大廈’輝煌鼎盛之時(shí)。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界以為一切完滿(mǎn)天下太平，古老的問(wèn)題已經(jīng)不是問(wèn)題，答案猶如鐵板釘釘：“光是一種電磁波，符合美妙無(wú)比的麥克斯韋方程，其余的物質(zhì)粒子，則符合放之四海而皆準(zhǔn)的牛頓力學(xué)?！薄?/span>
連躲在天國(guó)中的拉普拉斯妖也俯首下望，而且沾沾自喜地向世界宣稱(chēng)他的決定論：“一切都在控制之中。給我宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)，我將可以告訴你宇宙的過(guò)去和未來(lái)!”。
然而，科學(xué)家們對(duì)世界的探索永遠(yuǎn)不會(huì)停止，探索的結(jié)果使晴朗的天空飄起了兩片不起眼的小烏云：那是邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)和有關(guān)黑體輻射的研究。兩片小烏云使物理學(xué)界陷入困境。一切想驅(qū)散烏云的努力都適得其反。烏云日積月累，越來(lái)越大，以至于發(fā)展到了壓頂之勢(shì)。
再后來(lái)，第一片烏云動(dòng)搖了牛頓力學(xué)，引發(fā)了愛(ài)因斯坦的相對(duì)論革命，從第二片烏云中，則誕生了本文所討論的量子理論。
黑體輻射問(wèn)題到底給經(jīng)典物理造成了些什么麻煩呢？物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，當(dāng)理論解釋不了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候，麻煩就來(lái)了。所謂黑體，是指對(duì)光不反射、只吸收，但卻能輻射的物體。經(jīng)典理論認(rèn)為光是一種電磁波，然而，由經(jīng)典物理、麥克斯韋方程推導(dǎo)而出的'維恩公式’和'瑞利－金斯公式’，卻與黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符合，甚至導(dǎo)致'當(dāng)輻射的頻率趨于無(wú)窮大時(shí)，輻射能量發(fā)散’的所謂'紫外災(zāi)難’這種荒謬結(jié)論。
當(dāng)年的普朗克使用了一個(gè)巧妙而新穎的思想方法：假設(shè)黑體輻射時(shí)，能量不是連續(xù)的，而是一份一份地發(fā)射出來(lái)的話(huà)，就可以導(dǎo)出一個(gè)新的公式，這個(gè)公式在頻率較小時(shí)自動(dòng)回到瑞利-金斯公式，在頻率大時(shí)又自動(dòng)回到維恩公式。因此，新公式在所有的頻率范圍，都與實(shí)驗(yàn)符合得很好！這就是普朗克1900年論文的主要內(nèi)容。
普朗克畢竟是一個(gè)傳統(tǒng)而保守的德國(guó)物理學(xué)家，他只是按照科學(xué)方法辦事，并未奢望要掀起一場(chǎng)革命，連自己都不知道自己已經(jīng)把'量子’這個(gè)妖精引進(jìn)了物理學(xué)，這個(gè)妖精的標(biāo)簽是一個(gè)著名的普適常數(shù)h，被稱(chēng)為普朗克常數(shù)。當(dāng)他用戰(zhàn)粟發(fā)抖的手，打開(kāi)了潘多拉盒子之后，蹦出來(lái)的妖精第一棒就將他自己打暈了。因?yàn)樵诮?jīng)典物理里，能量應(yīng)該是連續(xù)的，而普朗克的新理論卻假設(shè)能量只能是一份一份地被發(fā)射出來(lái)，這看上去不是不可思議嗎？普朗克認(rèn)為自己制造的這個(gè)'量子妖精’破壞了物理學(xué)的完美，因此，他極力企圖把它給收回到潘多拉盒子中去。普朗克曾經(jīng)花費(fèi)了15年的時(shí)光，試圖找到一種經(jīng)典物理方法，來(lái)導(dǎo)出同樣的公式，以解決黑體輻射問(wèn)題。但是這個(gè)試探卻沒(méi)有成功，'量子妖精’放出來(lái)之后，便一發(fā)不可收拾，后來(lái)更是四方揮舞金箍棒，大鬧天宮。
普朗克不喜歡這個(gè)妖精，也沒(méi)有提出光量子的思想，直到1905年，26歲的愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)才真正使人們看到了量子概念所閃現(xiàn)的光芒。
愛(ài)因斯坦比普朗克更進(jìn)了一步，認(rèn)為不僅僅場(chǎng)的能量是一份一份輻射出來(lái)的，而且光本身就是由不連續(xù)的光量子組成，每一個(gè)光量子的能量E = hν，它只與光的頻率ν有關(guān)，而與強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這兒的h便是普朗克常數(shù)，那個(gè)被普朗克釋放到世上來(lái)的小妖精！
啊，光不就是一種電磁波嗎？它能精確地被麥克斯韋方程所描述，如今怎么又變成一個(gè)一個(gè)的光量子了呢？這不就像是已經(jīng)被打倒在地的階級(jí)敵人-牛頓時(shí)代光的微粒說(shuō)，又反攻倒算打回來(lái)了么？其實(shí)，豈止反攻倒算，而是已經(jīng)鳥(niǎo)槍換大炮，裝備精銳，完全改頭換面而來(lái)！還好，早在愛(ài)因斯坦出生的那一年，愛(ài)因斯坦還是個(gè)7、8個(gè)月大的嬰兒時(shí)，麥克斯韋就48歲英年早逝了，沒(méi)有聽(tīng)到這個(gè)令他傷心的消息。麥克斯韋一生反對(duì)進(jìn)化論，想必也接受不了'量子論’這種古怪的妖精。不過(guò)，他對(duì)基督的虔誠(chéng)勝于科學(xué)，臨終時(shí)念念不忘的，不是他的電磁理論，而是他的老婆。他的臨終遺言是：“我的天父，求你看顧我的妻子！”
光量子的概念好像也不符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)。'波光粼粼’，多么富有詩(shī)意，誰(shuí)能看出光是一粒一粒的呢！不過(guò)，這點(diǎn)倒不難理解，因?yàn)橐粋€(gè)光量子的能量實(shí)在是太小了，比如，藍(lán)光頻率v=6.2796912×10^14(Hz)，普朗克常數(shù)h＝6.6×10^(-34)。因此，一個(gè)藍(lán)光子的能量E=hv=4×10^-19焦耳。這個(gè)數(shù)值很小，使我們感覺(jué)不到一份一份光量子的存在。
1913年，28歲的波爾提出了他的量子化的原子結(jié)構(gòu)理論。當(dāng)時(shí)，盧瑟福將原子類(lèi)比于太陽(yáng)系的'行星模型’，碰到了根本性的困難：在經(jīng)典力學(xué)的框架下，這種結(jié)構(gòu)將是不穩(wěn)定的。為此，波爾在盧瑟福模型中引進(jìn)了普朗克常數(shù)h，又是這個(gè)小妖精，又是使用這個(gè)公式E=hv。波爾認(rèn)為，和行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)有所不同，原子中的電子軌道，不是連續(xù)而任意變化的，而是只能處于一個(gè)一個(gè)分立的能級(jí)中。也就是說(shuō)，電子軌道是量子化的。
這個(gè)量子化的波爾原子理論，在當(dāng)時(shí)取得了極大成功，成功地解釋了原子穩(wěn)定性，原子光譜譜線(xiàn)等問(wèn)題，使人們?cè)僖淮误w會(huì)到這個(gè)量子妖精，蹦跳在微觀物理世界中時(shí)產(chǎn)生的巨大力量。這時(shí)的量子力學(xué)，終于算是長(zhǎng)成了一個(gè)調(diào)皮頑劣的大男孩，正在努力操練絕世武功，企圖伺機(jī)大展身手咧。
但是，波爾的原子理論的基礎(chǔ)仍然是建立在經(jīng)典物理的大地上，不是徹底革命的量子理論。因此，在它誕生的那一刻，就種下了'短命’的禍根，只迎來(lái)了10年左右的輝煌。
接著便到了1923年，31歲的德布羅意提出德布羅意波。1925年，24歲的海森堡創(chuàng)立矩陣力學(xué)，以及1926年，37歲的薛定諤建立薛定諤方程。
在這接踵而至的一大批'男孩’們的努力下，'男孩物理學(xué)’-- 量子力學(xué)，進(jìn)入了它的成熟期。
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參考資料：
有關(guān)“男孩物理學(xué)”的說(shuō)法來(lái)自于下列博文：
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