浅谈量子力学发展与展望

　　摘要：从量子力学诞生的时刻开始，尽管其数学结构严谨，但许多科学家怀疑它并不是完整的物理理論由它产生的一系列观念和物理学的传统观念是如此相反，以至于它的许多发现者都感到迷惑和不解，并为此展开了激烈的争论，量子力学是在百家争鸣的环境下不断发展的。本文回顾了量子论和量子力学产生的过程和围绕量子力学发生的争论，论述了量子力学对人类社会的科学、哲学、技术和经济带来的巨大影响对量子力学的进一步发展进行了讨论。
　　关键词：普朗克；量子论；相对论
　　一、前言
　　1900年12月14日，德国物理学家马克思-普朗克发表了一篇重要的论文，他在分析黑体辐射的能谱时，提出了光的能量和频率成正比并以不连续的量子状态辐射的新概念。量子论提出后，经过25年的时间，由许多物理学家共同努力，激烈争辩，最终才形成了量子力学量子力学、相对论和基因双螺旋结构是20世纪最重要的三大科学发现。量子力学在其中又占有特殊的位置。它打开了人类认识原子世界的大门。历史上没有哪一个理论的成就如此深刻地改变着人类社会的生产、生活和观念。没有量子力学的指导，就不会认识化学键，不会有高教的化学台成和化学工业，就不会认识能带结构，不会发现半导体晶体管、集成电路和激光，不会有今天的信息技术和工业，也就不会形成今天全球化的经济结构调整和信息革命。量子力学使我们得以了解分子、原子、核于、夸克、轻于的性质和各种物态的结构，是最有预见力和精确的理论，它不仅是微观世界的理论，而且是宏观相干量子态的理论。量子力学直到今天仍有丰富的生命力，基于它的发现始终层出不穷。在今后相当一段时间内，它仍然将居于物理学创新的中心。从量子力学诞生的时刻开始，尽管其数学结构严谨，但许多科学家怀疑它并不是完整的物理理论由它产生的一系列观念和物理学的传统观念是如此相反，以至于它的许多发现者都感到迷惑和不解，并为此展开了激烈的争论，量子力学是在百家争鸣的环境下不断发展的。
　　二、量子论发现的背景
　　到19世纪末，已建立了三大物理理论：（1）牛顿力学，确定粒子的运动；（2）麦克斯韦电动力学，确定电磁场和电磁渡的运动；（3）热力学和统计物理，确定热平衡态的物性。这三大理论都形成了完整的数学框架，特别是拉格朗日、哈密顿和Jocobi发展的分析动力学，费马的最小作用原理给牛顿力学以崭新的形式和深刻的内涵。
　　虽然三大经典理论在解释某些自然现象时取得了很大的成功，当时人们相信它们能解释万物运动的规律，但经过努力，仍不能解释上述这些物性的经验规律是如何由基本规律形成的。在19世纪和20世纪之交，一系列新的发现和经典理论预见的结果相左，加剧了存在的问题，如光速不变（1879年迈克耳孙一莫雷）、黑体辐射（1859年基尔霍夫，1879年斯特藩，1884年玻尔兹曼，1896年维恩）、光电效应（1887年赫兹）、放射性（1896年贝克勒尔）、电子轨道的不稳定性（1899年卢瑟福）等等，形成了传统物理学的危机。
　　三、1923年后的10年内量子力学获得飞速发展
　　1923年，德布罗意在其博士论文中提出了电子也具有波动性的建议；1924年，泡利提出了不相容原理；1924年。玻色和爱因斯坦引进了玻色一爱因斯坦（Bose-Einstein）统计；1925年，乌伦贝克（GE.Uhlenbeck）和古德斯密特（S A.Goudsmit）提出了电子自旋的建议；1925年，海森伯、玻思和约尔丹（E.P.Jordan）发表量子矩阵力学；1926年，薛定谔提出波动方程。发表量子波动力学；1926年，薛定谔证明量子矩阵力学和量子波动力学在数学上等价；1926年，克莱因（0.B.Klein）和戈登（W.Gordon）提出相对论波动方程；1926年，费米发现自旋和统计的联系；1926年，狄拉克引进费米一狄拉克统计；1927年，戴维孙（C J.Davission）、革末（L.H.Germer）和汤姆孙（G.P.Thomson）的实验证明电子的波动性；1927年，海森伯提出测不准关系式；1927年，玻恩提出波函数的统计解释；1928年，狄拉克发表电子的相对论方程；1930年，狄拉克引进电子空穴；1931年，泡利提出中微子假说；1931年，泡令（L.C Pauling）发现化学共振键；1932年，查德威克（j.Chadwick）发现中子；1932年，海森伯引进同位旋概念。提出原子核的核子模型；1932年，安德森（C.D.Anderson）发现正电子。
　　值得指出的是，量子力学的发现者们多数虽然年轻，但都具有深厚的理论和实验的知识。他们了解光谱和各种物性的实验进展和状况，对分析动力学、电磁场理论、热力学和统计物理都有深刻的领会。他们还掌握了数学的最新发展，如希尔伯特（Hilben）空间这说明，只有掌握人类创造的全部知识财富，才能产生革命性的创新。
　　四、不同意见的争论是发展科学的重要推动力
　　尽管量子力学的数学结构严谨，在解释一系列实验现象上取得了完全成功，但是从它诞生的时刻开始，对它的物理解释和理解就存在不同的意见和争论。一批为量子力学的发展作出过重要贡献的物理学家，如爱因斯坦、薛定谔等始终怀疑量子力学，认为它不是最终的理论，而另一批物理学家，以玻尔、海森伯为首则持完全相反的意见。
　　五、量子力学和相对论
　　有人从测量过程的突变性推论相对论遭到破坏，认为这预示量子力学和相对论存在冲突，发掘这种冲突是发展量子力学的前提。但需要指出的是，测量过程的理论可能在现有量子力学的能力范围之外。其次，相对论和量子力学在量子场论中已得到很好的结台，如量子电磁场理论已是当今世界最精确的理论，理论预测和实验结果高度符台。很难想象在低能区相对论和量子力学二者之间存在矛盾。当然两者都需要进一步发展，他们在极高的普朗克能区会统一在薪的理论之中。
　　六、量子力学发展的历史带给我们的启示

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