主题：【分享】量子力学的历史和发展

量子论和相对论是现代物理学的两大基础理论。它们是在二十世纪头30年发生的 物理学革命的过程中产生和形成的，并且也是这场革命的主要标志和直接的成果，量 子论的诞生成了物理学革命的第一声号角。经过许多物理学家不分民族和国籍的国际 合作，在1927年它形成了一个严密的理论体系。它不仅是人类洞察自然所取得的富有 革命精神和极有成效的科学成果，而且在人类思想史上也占有极其重要的地位。如果 说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念，那么量子论则很大 程度改变了人们的实践，使人类对自然界的认识又一次深化。它对人与自然之间的关 系的重要修正，影响到人类对掌握自己命运的能力的看法。 量子论的创立经历了从旧量子论到量子力学的近30年的历程。量子力学产生以前 的量子论通常称旧量子论。它的主要内容是相继出现的普朗克量子假说、爱因斯坦的 光量子论和玻尔的原子理论。

　　

　　热辐射研究和普朗克能量子假说

　　

　　十九世纪中叶，冶金工业的向前发展所要求的高温测量技术推动了热辐射的研究。 已经成为欧洲工业强国的德国有许多物理学家致力于这一课题的研究。德国成为热辐 射研究的发源地。所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波。所有的热物体都会发 出热辐射。凝聚态物质(固体和液体)发生的连续辐射很强地依赖它的温度。一个物体 被加热从暗到发光，从发红光到黄光、蓝光直至白光。1859年，柏林大学教授基尔霍 夫(1824—1887年)根据实验的启发，提出用黑体作为理想模型来研究热辐射。所谓黑 体是指一种能够完全吸收投射在它上面的辐射而全无反射和透射的，看上去全黑的理 想物体。1895年，维恩(1864—1928年)从理论分析得出，一个带有小孔的空腔的热辐 射性能可以看作一个黑体。实验表明这样的黑体所发射的辐射的能量密度只与它的温 度和频率有关，而与它的形状及其组成的物质无关。黑体在任何给定的温度发射出特 征频率的光谱。这光谱包括一切频率，但和频率相联系的强度却不同。怎样从理论上 解释黑体能谱曲线是当时热辐射理论研究的根本问题。1896年，维恩根据热力学的普 遍原理和一些特殊的假设提出一个黑体辐射能量按频率分布的公式，后来人们称它为 维恩辐射定律。普朗克就在这时加入了热辐射研究者的行动。 普朗克(1858—1947年)出身于一个书香门第之家，曾祖父和祖父曾在哥廷根大学 任神学教授，伯父和父亲分别是哥廷根大学和基尔大学的法学教授。他出生在基尔， 青年时期在慕尼黑度过。17岁进慕尼黑大学攻读数学和物理学，后来转到柏林大学受 教于基尔霍夫和赫尔姆霍茨(1821—1894年)等名师。1879年，他以《论热力学第二定 律》的论文获博士学位。他先后在慕尼黑大学和基尔大学任教并从事热力学研究。18 88年11月，他作为基尔霍夫的继任人到柏林大学讲授理论物理学。 他的研究方向从热力学转向热辐射，就是到柏林后才开始的。开始时他用热力学 方法研究黑体辐射理论。他假定空腔壁是由具有相同频率的电谐振子组成的，用热力 学方法处理这种谐振子集。1899年，他得到了一个和维恩辐射定律一致的关系式。同 年年底他得知库尔鲍欧(1857—1927年)和鲁本斯(1865—1922年)在 9月份发表的实验 报告，维恩以及他自己的辐射定律在高频部分与这实验相符，而在低频部分则与实验 偏离。他不得不尝试修改自己的公式，他得到了一个，仍然不好。 正当他继续修改自己的辐射公式时，1900年6月英国物理学家瑞利(1842—1912年) 发表论文批评维恩在推导辐射公式时引入了不可靠的假定。他把统计物理学的能量均 分定理用于他的一个以太振动模型，导出了一个新的辐射公式。同年10月 7日，鲁本 斯夫妇走访普朗克，并告诉他瑞利的辐射定律在低频部分与他的实验相符，在高频部 则与实验相差甚大。普朗克受到启发，立即用内插法导出了一个在高频趋近维恩公式 而在低频则趋近瑞利公式的新的辐射定律。10月19日，他在德国物理学会的会议上以 《论维恩辐射定律的改进》为题报告了自己的结果。鲁本斯当晚进行了核验，证明普 朗克的新公式同实验完全相符。鲁本斯深信普朗克公式与实验曲线的精确一致绝非巧 合，在这个公式中一定孕育着一个新的科学真理。于是鲁本斯在第二天就把这一结果 告诉了普朗克。普朗克受到极大的鼓舞，并决定寻找隐藏在公式背后的物理实质。 普朗克又回到他的谐振子模型，而且这次他把出发点从热力学转到统物理学。但 是他回避了能量均分定理。他把玻尔兹曼原理运用于线性谐振子热平衡时的能谱分布 问题上，导出了振子热平衡时的能谱分布公式。若想使新得到的这个公式能说明实验 曲线，则这公式必须与以前用内插法得到的公式具有同一形式。而要得到这样的统一， 则要求新公式中所包含的振子的能量值必须是一系列不连续的量。而这是与古典物理 学关于能量是连续的观点尖锐对立的。普朗克尊重实验事实，于是提出一个大胆的、 革命性的假设：每个带电线性谐振子发射和吸收能量是不连续的，这些能量值只能是 某个最小能量元e的整数倍，而每个能量元和振子的频率成正比。后来人们称e为“能 量子”，称 h为“普朗克常数”。1900年12月24日，普朗克在德国物理学会的会议上 以《论正常光谱能量分布定律的理论》为题报告了自己的结果。
量子论就这样随着二 十世纪开始由伟大的物理学家普朗克把它带到我们这个世界来。 虽然在围绕原子论的争论过程中，玻尔兹曼(1844—1966年)在反驳唯能论时说过 “怎么能说能量就不像原子那样分立存在呢？”这样的话，马赫(1838—1916年)曾经 表明化学运动不连续性的观点，但真正把能量不连续的概念引入物理学的是普朗克。 因为能量不连续的概念与古典物理学格格不入，物理学界对它最初的反映是冷淡的。 物理学家们只承认普朗克公式是同实验一致的经验公式，不承认他的理论性的量子假 说。普朗克本人也惴惴不安，因为他的量子假设是迫不得已的“孤注一掷的举动”。 他本想在最后的结果中令h→0，但却发现根本办不到。他其后多年试图把量子假说纳 入古典物理学框架之内，取消能量的不连续性，但从未成功。只有爱因斯坦最早认识 到普朗克能量子概念在物理学中的革命意义。