量子力學百年:如何在幾個月內顛覆并重塑物理學?

   時間:2025-01-10 15:04 來源:天脈網作者:沈瑾瑜

聯合國宣布,今年被定為“量子科學與技術之年”,以此紀念量子力學這一革命性理論的百年誕辰。1925年,以德國物理學家沃納·海森堡發表的一篇開創性論文為標志,量子力學正式開啟了其現代時代,并在短短數月內徹底改變了物理學的基本面貌。

在量子力學誕生之前,經典物理學對于亞原子現象的解釋力不從心,于是引入了量子概念。然而,舊量子理論的核心——玻爾-索末菲模型,雖然在解釋氫原子光譜等方面取得了成功,但在處理更復雜的原子結構時遇到了難題。海森堡在哥廷根大學擔任馬克斯·玻恩助手期間,正是這些難題激發了他對量子理論的深入思考。

海森堡發現,玻爾-索末菲模型在處理具有多個電子的原子時,計算結果與實驗觀察結果不符。他開始懷疑電子在軌道中運動的觀念,并試圖尋找一種全新的理論來描述量子世界。經過長時間的苦思冥想,海森堡在1925年7月提出了一個激進的新理論——量子力學。在這個理論中,電子不再被視為沿著連續軌跡移動的粒子,而是基于一種全新的、原則上可觀測的量之間的關系來構建原子模型。

海森堡的論文《運動學和力學關系的量子力學重新詮釋》發表后,引起了物理學界的巨大轟動。他提出了電子運動的方程,包括諸如位置和動量等量的復雜數組,如可觀測的能量和躍遷幅度。然而,這一理論在當時看來非?;逎y懂,許多物理學家難以接受這種全新的數學形式。隨后幾個月內,波恩和約爾當等人將海森堡的理論重新表述為矩陣力學,但這種表述仍然難以被直觀理解。

1926年上半年,埃爾溫·薛定諤提出了一種更能被接受的方法——波動力學。薛定諤認為電子的運動可以在時空中被描述,并制定了波動方程來計算氫原子的能量狀態。這一理論為量子狀態提供了更直觀的理解,將電子看作波而非粒子。然而,海森堡對波動力學的出現不以為然,他認為波動理論不能解釋大量的量子現象。盡管如此,波動力學迅速成為解決問題的首選數學形式,并推動了量子力學的進一步發展。

在1925年至1927年間,科學家們發表了近200篇關于量子力學的文章,推動了這一理論的飛速發展。海森堡引入了“不確定度關系”這一概念,提出電子的位置越精確,其動量就越不精確。這一概念已成為量子力學的一個核心概念。同時,越來越多的物理學家開始將量子理論應用到更廣泛的實際問題中,如化學鍵的本質、金屬導電性等,取得了顯著成果。盡管在量子力學的發展過程中存在爭議和批評,但隨著時間的推移,這一理論逐漸被廣泛接受并成為現代物理學的基礎之一。

 
 
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