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1、物理学史论文 摘 要全面列举一下20世纪最有影响的科学进展应当包含广义相对论、量子力学、宇宙大爆炸、遗传密码的破译、生物进化理论和其他一些读者喜欢的课题。在这些进展当中，量子力学深层次的根本属性使得它处在一个最为独特的位置。它迫使物理学家们改造他们关于实在的观念；迫使他们重新审视事物最深层次的本性；迫使他们修正位置和速度的概念以及原因和结果的定义。关键词：量子物理；旧量子论；历史AbstractComprehensive list of what the 20th centurys most influential scientific progress should include gene
2、ral relativity, quantum mechanics, big bang, cracked the genetic code, biological evolutionary theory, and other readers like the subject. Among these advances, the fundamental quantum mechanical properties of deep-level makes it in a most unique position. It forced the physicists to transform their
3、 ideas about it; forced them to re-examine the deepest nature of things; force them to correct position and velocity of the concept and definition of cause and effect. Keyword: Quantum Physics；The old quantum theory；History目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章绪 论11.1 引言11.2量子世界1第二章 量子物理学及其发展简史32.1旧量子论32.1.1量子力
4、学史32.1.2量子力学要点32.1.3争议与混乱3参考文献4II第一章绪 论1.1 引言量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已经一百多年了。期间，经过玻尔、德布罗意、玻恩、海森柏、薛定谔、狄拉克、爱因斯坦等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，初步建立了一套完整的量子力学理论。1.2量子世界我们把科学家们在研究原子、分子、原子核、基本粒子时所观察到的关于微观世界的系列特殊的物理现象称为量子现象量子世界除了其线度极其微小之外（10-1010-15m量级），另一个主要特征是它们所涉及的许多宏观世界所对应的物理量往往不能取连续变化的值，（如：坐标、动量、能量、角动量、自旋），甚至取值
5、不确定。许多实验事实表明，量子世界满足的物理规律不再是经典的牛顿力学，而是量子物理学。量子物理学是当今人们研究微观世界的理论，也有人称为研究量子现象的物理学。由于宏观物体是由微观世界建构而成的，因此量子物理学不仅是研究微观世界结构的工具，而且在深入研究宏观物体的微结构和特殊的物理性质中也发挥着巨大作用。第二章 量子物理学及其发展简史2.1 旧量子论量子革命的导火线不是对物质的研究，而是辐射问题。具体的挑战是理解黑体（即某种热的物体）辐射的光谱。烤过火的人都很熟悉这样一种现象：热的物体发光，越热发出的光越明亮。光谱的范围很广，当温度升高时，光谱的峰值从红线向黄线移动，然后又向蓝线移动（这些不是我
6、们能直接看见的）。 结合热力学和电磁学的概念似乎可以对光谱的形状作出解释，不过所有的尝试均以失败告终。然而，Planck假定振动电子辐射的光的能量是量子化的，从而得到一个表达式，与实验符合得相当完美。但是他也充分认识到，理论本身是很荒唐的，就像他后来所说的那样：“量子化只不过是一个走投无路的做法”。Planck将他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上，如果没有新秀Albert Einstein，量子物理恐怕要至此结束。 1905年，他毫不犹豫的断定：如果振子的能量是量子化的，那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的。尽管Maxwell理论以及一个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性，Eins
7、tein的理论还是蕴含了光的粒子性行为。随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值时才能被吸收，这些能量就像是被一个个粒子携带着一样。光的波粒二象性取决于你观察问题的着眼点，这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一，它成为接下来20年中理论上的难题。辐射难题促成了通往量子理论的第一步，物质悖论则促成了第二步。众所周知，原子包含正负两种电荷的粒子，异号电荷相互吸引。根据电磁理论，正负电荷彼此将螺旋式的靠近，辐射出光谱范围宽广的光，直到原子坍塌为止。接着，又是一个新秀Niels Bohr迈出了决定性的一步。1913年，Bohr提出了一个激进的假设：原子中的电子只能处于包含基态在内
8、的定态上，电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量，同时辐射出一定波长的光，光的波长取决于定态之间的能量差。结合已知的定律和这一离奇的假设，Bohr扫清了原子稳定性的问题。Bohr的理论充满了矛盾，但是为氢原子光谱提供了定量的描述。他认识到他的模型的成功之处和缺陷。凭借惊人的预见力，他聚集了一批物理学家创立了新的物理学。一代年轻的物理学家花了12年时间终于实现了他的梦想。开始时，发展Bohr量子论（习惯上称为旧量子论）的尝试遭受了一次又一次的失败。接着一系列的进展完全改变了思想的进程。2.1.1 量子力学史1923年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
9、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de Broglie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。Satyendra N. Bose提出了一种全新的方法来解释Planck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Boltzmann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。Einstein立即将Bose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
10、子数关于能量的分布规律，即著名的Bose-Einstein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。Einstein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： Wolfgang Pauli 提出了不相容原理，为周期表奠定了理论基础。 Werner Heisenberg、Max Born 和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。 Er
11、win Schr?dinger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Schr?dinger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，Fermi-Dirac统计。人们进一步认识到所有的粒子要么遵循Fermi-Dirac统计，要么遵循Bose-Einstein统计，这两类粒子的基本属性很不相同。 Heisenberg阐明测不准原理。 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。 Dirac提出电磁场的量子描述，建立了量子场论的基础。 Bohr提出互补原理
12、（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，Pauli 25岁，Heisenberg和Enrico Fermi 24岁，Dirac和Jordan 23岁。Schr?dinger是一个大器晚成者，36岁。Born和Bohr年龄稍大一些，值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的。Einstein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Bose-Einstein 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
13、人惊讶，Lord Kelvin在祝贺Bohr 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，Bohr的论文中有很多真理是他所不能理解的。Kelvin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，Bohr对此深表怀疑。10月Bohr乘火车前往荷兰的莱顿参加Hendrik A. Lorentz的50岁生日庆典，Pauli在德国的汉堡格碰
14、到Bohr并探询Bohr对电子自旋可能性的看法；Bohr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，Einstein和Paul Ehrenfest在莱顿碰到了Bohr并讨论了自旋。Bohr说明了自己的反对意见，但是Einstein展示了自旋的一种方式并使Bohr成为自旋的支持者。在Bohr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，Heisenberg和Jordan接站并询问他的意见，Pauli也特意从汉堡格赶到柏林接站。Bohr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Heisenberg得到了氦
15、原子Schr?dinger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Pauli建立了金属电子理论的基础，Felix Bloch创立了能带结构理论；Heisenberg解释了铁磁性的起因。1928年George Gamow解释了放射性衰变的随机本性之谜，他表明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。2.1.2 量子力学要点 伴随着这些进展，围绕量子力学的阐释和正确性发生了许多争论。Bohr和Heisenberg是倡导者的重要成员，他们信奉新理论，Einstein和Schr?dinger则对新理论不满意。要理解这些混乱的原因，必须掌握量子理论的关键特征，总结如下
