量子力学史话:数学与物理齐创新

许多人都曾经设想过,如果有一天,摩擦定律突然发了脾气,不起作用了,地面上将会发生什么现象?如果有一天万有引力定律突然发了脾气,不起作用了,那么地面上将会发生什么现象?我们不妨设想一下,如果有一天量子力学突然发了脾气,不起作用了,那么将会发生什么现象?

如果量子力学突然不起作用,那么地面上的一切物体,从花、草、树木到人类,从棉花到最硬的金刚石,包括地球本身,都要解体变成一个个的分子,分子又要解体变成一个个原子,而原子的电子说不定一齐掉到原子核上……

那么,什么是量子力学呢?

量子力学是微观世界的规律,特别是微观世界的成员如何组成宏观世界的规律。有了量子力学,才有我们周围的一切,才有我们人类本身,才有生命。当然,量子力学是不会突然不起作用的。

量子力学是微观世界的根本规律,正如牛顿定律和库仑定律等是宏观世界的根本规律一样。量子力学是微观世界中能量不太高的微观粒子,特别是电子所服从的运动规律。不同的原子核和电子构成各种原子,几种原子又能构成千百万种形形色色的分子,原子或分子构成各种各样的固体物质,其中各种微观粒子的构成规律统统受量子力学的支配。所以说量子力学是微观世界中低能量的微观粒子运动的根本规律。

量子力学是如何创立的呢?概括来讲,量子力学是数学与物理齐创新的结果。

量子力学诞生于1925年末和1926年初,是由两组物理学家相互独立地,通过不同途径得出的同一结果。

一组以德国的海森伯格和美籍奥地利科学家泡利为代表,他们主要根据原子的离散能级,希望改造当时的经典力学,找到一种新的力学去解释能级离散的规律。另一组以奥地利人薛定谔为代表,他主要根据电子的波动性,给这种波找一个波动方程来表示电子运动的规律。结果两组几乎同时达到了各自的目的。海森伯格等人建立了矩阵力学,薛定谔建立了波动力学。但是这两种理论看起来完全不同,看不到它们之间有什么联系。他们分别用自己的理论去计算氢原子的能级,结果得到了完全一致的、符合实验检验的结果,这就是第一个关于微观世界的理论的诞生。

不久之后,薛定谔证明了这两种外貌很不相同的理论实际上是等价的,是同一种物理规律的两种不同的数学表现。经过英国人狄托克从理论上整理加工,这些理论成为一门完整的、描述低能量的微观粒子的运动规律的学科,这就是量子力学。

【科学小链接】

电子的波性

1887年,科学家发现电子之后,人们一直认为电子是有一定质量、带一定负电荷的一粒一粒的东西。但在20世纪初,科学家确定了光不仅有波动性,还具有粒子性(光子)之后,法国物理学家德布罗意在1924年提出,光子既有波动性又有粒子性,那么我们一直认为是粒子的东西,如电子,是否也有波动性呢?三年之后,实验果然证实了这一想法是正确的。

 

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