簡述量子力學(xué)發(fā)展

簡述量子力學(xué)發(fā)展摘要:量子力學(xué)是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)科，屬于研究微觀粒子運動規(guī)律的分支。它的主要研究對象是分子、原子、凝聚態(tài)物質(zhì)，此外還有原子核結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等基礎(chǔ)性理論。它同相對論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，量子力學(xué)除了在近代物理學(xué)方面起著基礎(chǔ)性作用，同時在化學(xué)等相關(guān)學(xué)科以及很多近現(xiàn)代技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。通過量子力學(xué)的發(fā)展，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及相互作用的原理的了解發(fā)生了質(zhì)的變化。通過量子力學(xué)，很多之前無法解釋的現(xiàn)象得到了真正的解釋，新的現(xiàn)象也被精準(zhǔn)的預(yù)言出來，因為通過量子力學(xué)的精確計算，以及精確的實驗證明，很多之前無法觸及的領(lǐng)域漸漸清晰明朋。量子力學(xué)發(fā)展前景廣闊，在許多機器中，量子隧道的效應(yīng)已經(jīng)發(fā)展成事實，如閃光存儲片中可以通過量子隧道效應(yīng)完成清除存儲單元的工作。雖然量子力學(xué)主要是在物質(zhì)的原子范疇內(nèi)被廣泛應(yīng)用，但是很多大型系統(tǒng)也正在或?qū)\用到量子效應(yīng)。關(guān)鍵詞：量子力學(xué);物理;微觀;發(fā)展;應(yīng)用一、舊量子論的產(chǎn)生和發(fā)展由于人們在十六、十七世紀(jì)對機械運動的基本規(guī)律已有了比較系統(tǒng)、比較完整的了解，經(jīng)過伽里略、牛頓等科學(xué)家進行科學(xué)實驗和推理，從而產(chǎn)生了物理學(xué);到了十八世紀(jì)，物理學(xué)迅速地向前發(fā)展，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，先后形成了熱學(xué)和分子運動論、電磁學(xué)理論。到了十九世紀(jì)中期，形成了完整的、系統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)理論體系。運用這種經(jīng)典理論，人們成功地解釋了許多物理現(xiàn)象，解決了不少生產(chǎn)實際問題。由于經(jīng)典物理學(xué)在發(fā)展過程中幾乎沒有遇到什么重大難題，因而當(dāng)時有許多物理學(xué)家錯誤地認(rèn)為經(jīng)典物理學(xué)理論是物理學(xué)的“最終理淪”，往后沒有什么重大的工作可做了，只是解一下微分方程和對具體問題進行解釋。但是，也就是在物理學(xué)家舉杯慶賀經(jīng)典物理學(xué)取得輝煌成就的時候，在經(jīng)典物理學(xué)晴朗的天空中，不斷出現(xiàn)了幾朵“烏云”—經(jīng)典理論無法解釋的實驗事實。其中最著名的是開耳芬稱之為“第一號烏云”的邁克爾遜—莫雷實驗與“第二號烏云”的黑體輻射實驗，此外還有光電效應(yīng)實驗和原子光譜的實驗規(guī)律等。當(dāng)時大多數(shù)物理學(xué)家都希望并且相信，能用經(jīng)典物理學(xué)理論驅(qū)散這些“烏云”。結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述的實驗事實，用經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋，號稱“完美無缺”的經(jīng)典物理學(xué)開始破產(chǎn)，人們在對“第一號烏云”的研究中，引出了狹義相對論，而在對“第二號烏云”的研究中，引出了量子理論。人們從日常經(jīng)驗知道，一個物體(固體或液體)溫度升高時，會向四周放射熱量，這種現(xiàn)象叫做“熱輻射”。在十九世紀(jì)后半期，由于熱機廣泛使用，電照明的需要和冶金技術(shù)的變革，引起了熱輻射的研究，發(fā)現(xiàn)了絕對黑體(置于溫度恒定的熱槽中的開有一個小孔的金屬封閉空腔輻射能量隨波長而變化的實驗曲線。在這個實驗曲線面前，為了解答輻射能量分布隨不同的波長而異，許多物理學(xué)家都力圖從經(jīng)典物理學(xué)理論出發(fā)推導(dǎo)出黑體輻射的具體能譜分布公式，維恩、端利一金斯等就是其中的幾個。1893年，德國物理學(xué)家維恩(Wien)應(yīng)用經(jīng)典物理學(xué)的熱學(xué)理論創(chuàng)立了一種黑體輻射能量的理論，他所提出的公式可以較準(zhǔn)確地描述輻射能量在光譜紫端的分布情況，但不適用于波長較大的紅端。另一方面，英周物理學(xué)家端利和金斯川根據(jù)經(jīng)典電磁理淪和經(jīng)典統(tǒng)計理論的能量均分定理研究出了能夠，描述光譜紅端的輻射能量分布的方程，但卻完全不適用于紫端。總之，當(dāng)時根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)創(chuàng)立的最好理論只能解釋光譜的這一半或那一半的能量分布情況，而無法同時適用于整個光譜。這些理論在解釋黑體輻射能譜問題上的失玫，便開始動搖了人們對經(jīng)典物理學(xué)的迷信，迫使人們不得不提出一些新的假設(shè)。量子力學(xué)是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學(xué)科，屬于研究微觀粒子運動規(guī)律的分支。它的主要研究對象是分子、原子、凝聚態(tài)物質(zhì)，此外還有原子核結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等基礎(chǔ)性理論。它同相對論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，量子力學(xué)除了在近代物理學(xué)方面起著基礎(chǔ)性作用，同時在化學(xué)等相關(guān)學(xué)科以及很多近現(xiàn)代技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。二十世紀(jì)初，物理學(xué)方面最大的突破一個是愛因斯坦提出的狹義相對論，另一個就是德國科學(xué)家普朗克所提出的量子概念。量子概念是普朗克在1900年首先提出的，繼而在1925年到1926年，海森伯和薛定愕最終確立了量子力學(xué)，從而解決了原子物理等高深理論的基本問題，取得成功。隨后，量子力學(xué)向著兩個方向進一步發(fā)展，一個是更小的尺度應(yīng)用，如原子以下的尺度，原子核物理學(xué)就是在其引導(dǎo)下廣泛發(fā)展的，進而發(fā)展為現(xiàn)在的基本粒子物理學(xué)。成就。在應(yīng)用中，量子力學(xué)的原理得到許多補充，處理問題的方法也有很大發(fā)展。它的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下三個方面:第一，對于微觀粒子的運動速度遠小于光速的情況，以薛定得波動方程為主要內(nèi)容的非相對論量子力學(xué)完全適用。五十余年來，把非相對論量子力學(xué)用于討論原子、分子、固體以及原子核的性質(zhì)等方面都取得了極大的成果。如把量子力學(xué)運用于原子，可以說明多電子原子的電子殼層結(jié)構(gòu)，解釋元素周期表。把它運用于分子，不僅能夠解釋分子的各種能級、分子的結(jié)構(gòu)和分子光譜的特性，更能說明原子結(jié)合成分子的化學(xué)鍵的本質(zhì)和特性。把它運用于固體，形成了固體能帶理論，在這種理論指導(dǎo)下，產(chǎn)生了半導(dǎo)體材料，發(fā)明了品體管，使電子工業(yè)技術(shù)獲得了新的發(fā)展。應(yīng)用它處理光的發(fā)射和吸收問題，形成了光的受激發(fā)射理論，在這種理論指導(dǎo)下，60年代初產(chǎn)生了激光技術(shù)。應(yīng)用它，還可以解釋金屬的低溫超導(dǎo)現(xiàn)象和液態(tài)氦的低溫超流現(xiàn)象。應(yīng)用量子力學(xué)理論處理原子、分子、固體和原子核等問題，主要的是處理“多體問題”，這是目前非相對論量子力學(xué)研究的中心問題之一，在這方面的理論和方法還正在繼續(xù)向前發(fā)展著。第二，把量子力學(xué)推廣到相對論速度和波動場的領(lǐng)域，建立相對論量子力學(xué)。薛定謬方程僅在非相對論的近似下才是有效的，但它不適用于粒子速度接近于光速時所發(fā)生的一系列現(xiàn)象。不久有人提出一種相對論性的方程，現(xiàn)在稱之為克萊因-一戈登方程，但這個方程是個關(guān)于時間的二階微分方程，帶來了一些困難。1929年，狄拉克根據(jù)他對自由電子的研究，提出了一個符合相對論要求的線性波動方程—狄拉克方程。這個方程運用于氫原子成功地解釋了氫光譜的精細結(jié)構(gòu)，并且不需要附加什么條件就導(dǎo)出了電子的自旋及自旋引起為了解決由玻爾理論的困難所暴露出來的經(jīng)典物理學(xué)的根本局限性，出現(xiàn)了矩陣力學(xué)和波動力學(xué)。第三，關(guān)于量子力學(xué)理論他物理解釋，“是這門學(xué)科中禪在著的一個重要問題。從量子力學(xué)產(chǎn)生至今50年來，對它的理論的物理解釋和哲學(xué)意義，在物理學(xué)界一直存在著嚴(yán)重的分歧和激烈的爭論。問題不在于目前量子力學(xué)理論是否正確，因為量子力學(xué)的正確已為大量實驗事實所驗證。爭論的主要問題是:現(xiàn)行的量子力學(xué)理論能否完備地描述微觀世界或者說，波函數(shù)是精確地描寫了單個體系的狀態(tài)呢?還是只描寫由許多相同體系組成的統(tǒng)計系綜的狀態(tài)，是幾率波還是物質(zhì)波，統(tǒng)計性和決定論是什么關(guān)系?以及由測不準(zhǔn)關(guān)系提出的測量問題、宏觀儀器和微觀現(xiàn)象、主觀和客觀的關(guān)系等等。不同學(xué)派圃繞這些根本性問題，進行了長達半個世紀(jì)的辯論，許多著名的物理學(xué)家、哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家都卷入了這場爭論，出現(xiàn)了百家爭鳴的局面。但在這些學(xué)派中，以玻爾、海森堡為代表的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的解釋占居統(tǒng)治地位，為天多數(shù)物理學(xué)家所接受。四、從量子力學(xué)發(fā)展史中褥到的啟示我們研究自然科學(xué)發(fā)展史，主要凰的之一，應(yīng)該是從科學(xué)發(fā)展的歷史中，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，為我們實現(xiàn)四個現(xiàn)代化，幾為今后的科學(xué)研究提供方法梅方面的指導(dǎo)。在這里，我想就對量子力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展的回顧所受到的啟示，量子力學(xué)的發(fā)展史充分說明實驗研究故重要性，我犯在自然科學(xué)的研究工作中，在加強基礎(chǔ)理論研究的同時，也要對實驗研究給以屬夠的重視。兩者不可偏廢。從上面的剖析可看出，在量子力學(xué)的發(fā)展史中，實驗研究和理論研究都起了非常重要的作用。雖然正確的理論對科學(xué)實驗有能動的指導(dǎo)作用，但是實踐是一切理論活動的基礎(chǔ)。新釣實駿手段能向人們揭示新的現(xiàn)象、提出新的問題，導(dǎo)致新的假說和理論的、出現(xiàn);而理論的預(yù)言也一定要通過實驗的檢驗才能決定成敗。這一基本律規(guī)將不會因科學(xué)技術(shù)發(fā)達的程度而改變，永遠適用。一因此，我們今后在加強基礎(chǔ)理論研究的同時，必須重視實驗研究，特別是加強實驗設(shè)備的研制和實驗人才的培養(yǎng)。這是我們實現(xiàn)四個現(xiàn)代化，趕超世界先進水平的迫切任務(wù)之一，如果處理不好，將會延緩我一國科學(xué)技術(shù)