王涛
如何理解量子力学?(4)出现之前的历史
2025-10-22 12:35
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         谈量子力学不能不谈它的历史。从1900年普朗克提出了黑体辐射谱的正确公式,到1925年量子力学的诞生,这里边出现了一个态度不断转变的过程。

    在1900年以前,电磁学的经典理论已经被麦克斯韦提出,并且被赫兹用实验证实,开启了一个全新的时代。在这个理论中,电磁波被理解成是以太的振动,所以电磁波本身并不是真正的实体,电磁波和平常的声波一样,是一种波动现象,是一个连续变化的物理过程。

    所以把电磁波看成是某种粒子的流,在1900年,怎么看都是不正确的。

    普朗克为了解释黑体辐射谱,把空腔的壁看成是一堆简谐振子,然后它的状态以能量量子化的方式而存在。这个话现在是能理解的,但是那个时候,可能是无法理解的。普朗克那个时候是不相信这个的。

    所以量子力学中的量子,一开始的时候,就是能量子的基本用法。到了1905年,爱因斯坦把这个想法应用到了光电效应中,说光,或者电磁波,在能量上是一份一份的,和经典电磁波的理解是不一样的。那个时候,爱因斯坦也不是相信以太的,所以经典电磁波的想法也改变了,成为了时空中传播的独立实体。在爱因斯坦的头脑中,电磁波的概念,出现了两次转变。

     这种观念的转变,在那个时候是非常诡异的。

     但是这个理论,的确解释了两个实验。这说明了,在所谓的微观世界,物理规律和宏观世界看起来不一样,特别是微观粒子存在的方式是需要考虑的。在宏观世界,物理问题有各种简化,甚至可以看成是质点。但是微观世界的微观粒子,以一种什么样子的方式而存在,似乎真正的成为了一个问题。

     1911年,卢瑟福根据实验结果,提出原子的中心有一个原子核,然后电子围绕这个原子核转动。这个图景很让人疑惑,因为电子的转动,在经典世界会辐射能量,所以电子会很快的掉到原子核上,是不稳定的。如果这个图景是真实的,那么原子尺度的物理学,就不能用经典物理学来解释。1913年,玻尔的确提出了原子的旧量子论,给出了电子围绕原子核转动的量子化条件,解释了氢原子光谱。这是一个重大的转变。

    所以,微观世界需要一个新的理论,越来越成为一个共识。

    那之后,微观世界的新实验结果就越来越多,越来越指向一个新的理论的存在。微观世界的发现,对于人类社会来说是非常重要的。很显然,这个世界不是简单的宏观世界的缩小而成,这是一个新世界,拥有新的物理学规律,甚至粒子存在的方式,都是一个需要重新思考的问题。

   这个转变的故事非常有趣,因为它持续了25年,从不可思议,到明确认识到新理论的必然性,体现了科学研究的许多根本性的特征。这个系列博文是理解量子力学的,所以这段历史虽然在后边也会提到,但是不是关注的对象。但是如果是考虑科学哲学和科学史的,那么这段历史必然会被反复的研究。

   详细的讨论,可以见各个量子力学方面的科普读物,比如非常有名气的《上帝掷骰子么?》

     

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