量子力学的代表人物

摘要：量子力学是近现代物理学的重要支柱，本文简述了那些在量子力学各个发展过程阶段做出重大贡献的物理学家，以及他们的主要成果。

关键词：量子力学；物理

打开历史科学家排名，仔细察看就会发现前五十名中有十几个甚至二十几个科学家的研究方向都和量子力学相关，像普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、泡利、狄拉克、费米、玻恩、玻色、薛定谔等，这些物理学大神大都因为量子力学方面的贡献获得了诺贝尔奖。十九世纪末，物理学的大厦已经建成，晴朗天空中的远处飘浮着两朵令人不安的乌云，一朵乌云产生了相对论，另一朵乌云产生了量子力学。如果说相对论是爱因斯坦略显冷清的独角戏，那么量子力学就是一段精彩绝伦的群戏。

最先出场的是普朗克，他在研究黑体辐射时，发现维恩的黑体辐射公式在频率较高时辐射功率与维恩公式符合的较好，但是当频率较低时辐射功率与维恩公式出入较大。他在原有公式的基础上改变了一个熵的表达式，得到的实验结果与新的公式完全符合。即使是他本人也不理解为什么要改动熵的公式，他想要得到黑体辐射公式后面隐含的真相。他大胆打破了经典物理的思想限制，提出能量是不连续的而是一份一份的，并提出了能量与频率成正比，还有著名的普朗克常数，自此量子力学正式诞生。

接下来登场的是大名鼎鼎的爱因斯坦，当时他只是瑞士专利局的小职员。虽然普朗克掀开了量子力学的幕布，但是连他本人都不确定自己的发现是否正确，更不用说当年其他的物理学家。爱因斯坦看到了普朗克提出的量子概念，并把黑体辐射看作是一种叫“光子”构成的气体，并指出了光的粒子性。光的性质经过了三百年的争论，其中不乏物理学泰斗牛顿为代表的粒子说、惠更斯为代表的波动说，最终由麦克斯韦创立的光的电磁说确定了光的波动性。这时爱因斯坦再次提出光具有粒子性，的确很难让人接受，但他在论文中用光量子的概念成功解释了光电效应现象。光子要不全部被吸收、要不完全不被吸收，与光照时长无关。同时他把普朗克的黑体辐射公式应用到固体的比热中，得到固体的比热会随着温度降低而减小，而且自己推导出来的公式与实验结果吻合的很好，这种固体的比热现象是用经典物理无法解释的。爱因斯坦在普朗克的基础上大大地发展了他的量子思想。

第三个登场的是玻尔，他可以说是爱因斯坦在量子力学上一生的对手，不光多次证明了爱因斯坦的错误，而且创立了研究量子力学的著名哥本哈根学派。玻尔在研究氢原子的辐射光谱时，引入了量子的概念，提出了能级和稳态的概念，最终整理成氢原子的量子理论，不但解释了所有已知的氢原子谱线，还成功预测了紫外光区新的谱线。量子理论还远没有完善，虽然他的理论在解释氢原子的谱线频率上很成功，但是无法描述谱线的宽度，也不能预测氢原子中释放出来的光子的偏振。他也知道自己理论的缺陷，在推导氢原子的谱线时加入了轨道圆周运动等经典物理的概念，并没有完全摆脱经理物理和并建立全新的量子理论。总之玻尔对量子理论的发展起到了里程碑式的推动作用，不仅如此，还启发了后来的泡利、海森堡等一批量子力学的门徒。他和普朗克、爱因斯坦被称为是旧量子理论的奠基人之一。

至此，虽然量子理论还属于萌芽期，得到的过程和结论都有漏洞和缺陷。像普朗克的黑体辐射公式的推导是错的，爱因斯坦固体比热理论是通过类比得到的而不是通过严谨的推导得到，玻尔即用了经典物理的理论又用了普朗克的量子理论，勉强拼凑得到氢原子的能级，好像为了满足实验结果而拼凑得到的结论，更无法解释氢原子的电子为什么只能在固定的能级和电子为什么会跃迁等问题。但是经过普朗克、爱因斯坦、玻尔为代表的物理学家们的努力，量子理论开始有了属于自己的体系，毕竟万事开头难。

随着玻尔的氢原子的量子理论的巨大成功，各地的物理学家投入到量子力学的研究中，并得到了井喷式的发展。他们不仅年轻充满活力，更是敢于打破思想的束缚，建立起全新的量子理论。

来自印度的玻色给出了新的推导普朗克黑体辐射公式的方法。因为之前普朗克在推导过程中总是尝试回到经典物理中，他的所有方法都是有缺陷的。玻色在推导中引入了一个全新的概念，光子是完全相同的不可区分的，再利用普朗克提出的光量子，玻色给出了黑体辐射公式的正确推导。

来自哥廷根大学的泡利为了解释玻尔的氢原子的量子理论中电子不聚集在最低的能级问题，提出了两个假设：除了空间自由度外，电子还有一个自由度，也就是后来证实的自旋；任何两个电子不能同时处于完全相同的量子态，现在被称为泡利不相容原理。

费米在看到了泡利的研究成果后，提出了氢原子中一种新的量子气体，气体中的粒子完全相同不可区分，而且每个量子态只能被一个粒子占据，这与玻色提出的光子完全不可区分，可以占据同一量子态是不同的。

一段时间后，狄拉克利用一种新方法重新讨论了这个问题，并全面系统的给出了全同粒子的性质。

在玻色、泡利、费米、狄拉克发展全同粒子的同时，海森堡提出了新的量子理论，认为应该放弃电子轨道等经典物理学概念，只关注那些实验上可观测的量，因为电子的轨道是观测不到的，只能观测到电子在不同能级的跃迁。他提出了两个可观测量的乘法是不对易的，在玻恩和约旦的帮助下，利用数学上的矩阵，创立了矩阵力学。

德布罗意受爱因斯坦的光电效应的影响，认为光可以是粒子也可以是波，即波粒二象性，利用经典物理的动量和量子力学的能量，推导出电子绕质子形成驻波，完美的推导出玻尔的氢原子轨道和能级，并成功预言了电子的散射和干涉。

薛定谔受爱因斯坦和德布罗意的关于粒子也是波的观点启发，想到是波就应该有相应的波动方程，最终提出了著名的波动方程和波函数，并利用方程得到氢原子的正确能级。这个方程完全等价于海森堡的矩阵力学，但运算要方便的多。

最后为整个新的量子理论画上完美句号的是狄拉克，他在看到薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学后，证明了两种理论的等价性，并且通过多粒子波函数的置换对称性明确指出量子世界只有两种粒子：玻色子和费米子。他之后更是把量子力学与狭义相对论结合，得到了新的波动方程。

总之，正是有了这些物理学家前仆后继不懈努力的研究，才有了二十世纪初量子力学的蓬勃发展和今天的广泛应用。普朗克的锲而不舍、爱因斯坦的大胆想象、玻尔的薪火传递、德布罗意的年少成名、狄拉克的大智若愚、费米的自学成才、泡利的尽善尽美、海森堡的勇于创新、玻色的无知无畏、薛定谔的厚积薄发都是值得我们学习和借鉴的。

参考文献：

[1]曾谨言.量子力学导论[M].2版.北京大学出版社，2000.

[2]杨仲耆，申先甲.物理学思想史[M].长沙：湖南教育出版社，1993.