要正確地理解量子力學(xué)，追溯其發(fā)展歷史是非常必要的。量子力學(xué)不同于相對論和牛頓力學(xué)，它更少有被罩上個別偉人的光環(huán)。它可說成是有史以來最出色和最富激情的一代物理學(xué)家集體努力的成果。綜觀量子力學(xué)發(fā)展史，真可謂是群星璀璨、光彩紛呈。因此，讓我們先回頭看看歷史。
說到當(dāng)時的'那一代’物理學(xué)家，最令人矚目的是他們的年齡。在這點(diǎn)上，量子論的發(fā)展可與近年來互聯(lián)網(wǎng)公司的發(fā)展相提并論：都是一伙年輕人的天下！看看當(dāng)年那一批爭奇斗艷，光彩奪目的科學(xué)明星吧，當(dāng)他們對量子力學(xué)作出重要貢獻(xiàn)時，大多數(shù)是20-30歲的年齡。這也就是為什么在當(dāng)時，量子力學(xué)被人們稱為“男孩物理學(xué)”的原因。
讓我們細(xì)數(shù)'男孩’們對量子力學(xué)的貢獻(xiàn)：
愛因斯坦1905年提出光量子假說，26歲。
玻爾1913年提出原子結(jié)構(gòu)理論，28歲。
德布羅意1923年提出德布羅意波，31歲。
海森堡1925年創(chuàng)立矩陣力學(xué)，1927年提出測不準(zhǔn)原理，24-26歲。
還有更多的年輕人：泡利25歲，狄拉克23歲，烏侖貝克25歲，古德施密特23歲，約爾當(dāng)23歲……
和他們比起來，36歲的薛定諤，43歲的波恩，42歲的普朗克，該算是老叔叔老爺爺了。
物理學(xué)家們將量子力學(xué)的誕生之日，定為1900年12月14日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論文的那一天。在此之前，牛頓力學(xué)加上麥克斯韋方程建造的宏偉物理大廈雖然還巍然挺立，但天空已經(jīng)陰云密布，一片'山雨欲來風(fēng)滿樓’的氣氛彌漫其間。42歲的'老爺爺’普朗克戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地伸出腦袋看看天，身邊是潘多拉的盒子，這妖精該不該放出來呢？也許它能驅(qū)除烏云，恢復(fù)藍(lán)天，也許它將如同石頭縫里蹦出的孫猴子，揮動金箍棒，將世界擾得地覆天翻？普朗克的直覺告訴他，結(jié)論會是后者。但是，妖精總是要出來的，天意不可違啊。于是，盒子被打開，量子力學(xué)這個怪物就此誕生了。
之后的100多年，盡管量子物理學(xué)一個里程碑又一個里程碑，成果斐然，但由于它驚世駭俗、不同凡響的本質(zhì)，孫悟空難跳出如來佛的掌心，量子論每前進(jìn)一步似乎都舉步維艱。
其實(shí)，整個物理學(xué)在爭論些什么呢？說穿了也很簡單。那是最古老也最困惑人的問題：“光，到底是什么？物質(zhì)，又是什么？”
用現(xiàn)代的語言，說得再具體一些：“光和物質(zhì)，到底是粒子還是波？”這個粒子說波動說糾纏不清的問題，穿越時空幾百年，引發(fā)了各種學(xué)說理論，伴隨著越來越精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也招來了一場又一場連綿不斷的口水戰(zhàn)。
在量子力學(xué)誕生之前，對此問題的爭論有過一段時期的平靜。那就是上文所說的'牛頓力學(xué)加上麥克斯韋方程建造的宏偉物理大廈’輝煌鼎盛之時。當(dāng)時的物理學(xué)界以為一切完滿天下太平，古老的問題已經(jīng)不是問題，答案猶如鐵板釘釘：“光是一種電磁波，符合美妙無比的麥克斯韋方程，其余的物質(zhì)粒子，則符合放之四海而皆準(zhǔn)的牛頓力學(xué)。”。
連躲在天國中的拉普拉斯妖也俯首下望，而且沾沾自喜地向世界宣稱他的決定論：“一切都在控制之中。給我宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)，我將可以告訴你宇宙的過去和未來!”。
然而，科學(xué)家們對世界的探索永遠(yuǎn)不會停止，探索的結(jié)果使晴朗的天空飄起了兩片不起眼的小烏云：那是邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)和有關(guān)黑體輻射的研究。兩片小烏云使物理學(xué)界陷入困境。一切想驅(qū)散烏云的努力都適得其反。烏云日積月累，越來越大，以至于發(fā)展到了壓頂之勢。
再后來，第一片烏云動搖了牛頓力學(xué)，引發(fā)了愛因斯坦的相對論革命，從第二片烏云中，則誕生了本文所討論的量子理論。
黑體輻射問題到底給經(jīng)典物理造成了些什么麻煩呢？物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，當(dāng)理論解釋不了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時候，麻煩就來了。所謂黑體，是指對光不反射、只吸收，但卻能輻射的物體。經(jīng)典理論認(rèn)為光是一種電磁波，然而，由經(jīng)典物理、麥克斯韋方程推導(dǎo)而出的'維恩公式’和'瑞利－金斯公式’，卻與黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符合，甚至導(dǎo)致'當(dāng)輻射的頻率趨于無窮大時，輻射能量發(fā)散’的所謂'紫外災(zāi)難’這種荒謬結(jié)論。
當(dāng)年的普朗克使用了一個巧妙而新穎的思想方法：假設(shè)黑體輻射時，能量不是連續(xù)的，而是一份一份地發(fā)射出來的話，就可以導(dǎo)出一個新的公式，這個公式在頻率較小時自動回到瑞利-金斯公式，在頻率大時又自動回到維恩公式。因此，新公式在所有的頻率范圍，都與實(shí)驗(yàn)符合得很好！這就是普朗克1900年論文的主要內(nèi)容。
普朗克畢竟是一個傳統(tǒng)而保守的德國物理學(xué)家，他只是按照科學(xué)方法辦事，并未奢望要掀起一場革命，連自己都不知道自己已經(jīng)把'量子’這個妖精引進(jìn)了物理學(xué)，這個妖精的標(biāo)簽是一個著名的普適常數(shù)h，被稱為普朗克常數(shù)。當(dāng)他用戰(zhàn)粟發(fā)抖的手，打開了潘多拉盒子之后，蹦出來的妖精第一棒就將他自己打暈了。因?yàn)樵诮?jīng)典物理里，能量應(yīng)該是連續(xù)的，而普朗克的新理論卻假設(shè)能量只能是一份一份地被發(fā)射出來，這看上去不是不可思議嗎？普朗克認(rèn)為自己制造的這個'量子妖精’破壞了物理學(xué)的完美，因此，他極力企圖把它給收回到潘多拉盒子中去。普朗克曾經(jīng)花費(fèi)了15年的時光，試圖找到一種經(jīng)典物理方法，來導(dǎo)出同樣的公式，以解決黑體輻射問題。但是這個試探卻沒有成功，'量子妖精’放出來之后，便一發(fā)不可收拾，后來更是四方揮舞金箍棒，大鬧天宮。
普朗克不喜歡這個妖精，也沒有提出光量子的思想，直到1905年，26歲的愛因斯坦對光電效應(yīng)的貢獻(xiàn)才真正使人們看到了量子概念所閃現(xiàn)的光芒。
愛因斯坦比普朗克更進(jìn)了一步，認(rèn)為不僅僅場的能量是一份一份輻射出來的，而且光本身就是由不連續(xù)的光量子組成，每一個光量子的能量E = hν，它只與光的頻率ν有關(guān)，而與強(qiáng)度無關(guān)。這兒的h便是普朗克常數(shù)，那個被普朗克釋放到世上來的小妖精！
啊，光不就是一種電磁波嗎？它能精確地被麥克斯韋方程所描述，如今怎么又變成一個一個的光量子了呢？這不就像是已經(jīng)被打倒在地的階級敵人-牛頓時代光的微粒說，又反攻倒算打回來了么？其實(shí)，豈止反攻倒算，而是已經(jīng)鳥槍換大炮，裝備精銳，完全改頭換面而來！還好，早在愛因斯坦出生的那一年，愛因斯坦還是個7、8個月大的嬰兒時，麥克斯韋就48歲英年早逝了，沒有聽到這個令他傷心的消息。麥克斯韋一生反對進(jìn)化論，想必也接受不了'量子論’這種古怪的妖精。不過，他對基督的虔誠勝于科學(xué)，臨終時念念不忘的，不是他的電磁理論，而是他的老婆。他的臨終遺言是：“我的天父，求你看顧我的妻子！”
光量子的概念好像也不符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)。'波光粼粼’，多么富有詩意，誰能看出光是一粒一粒的呢！不過，這點(diǎn)倒不難理解，因?yàn)橐粋€光量子的能量實(shí)在是太小了，比如，藍(lán)光頻率v=6.2796912×10^14(Hz)，普朗克常數(shù)h＝6.6×10^(-34)。因此，一個藍(lán)光子的能量E=hv=4×10^-19焦耳。這個數(shù)值很小，使我們感覺不到一份一份光量子的存在。
1913年，28歲的波爾提出了他的量子化的原子結(jié)構(gòu)理論。當(dāng)時，盧瑟福將原子類比于太陽系的'行星模型’，碰到了根本性的困難：在經(jīng)典力學(xué)的框架下，這種結(jié)構(gòu)將是不穩(wěn)定的。為此，波爾在盧瑟福模型中引進(jìn)了普朗克常數(shù)h，又是這個小妖精，又是使用這個公式E=hv。波爾認(rèn)為，和行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)有所不同，原子中的電子軌道，不是連續(xù)而任意變化的，而是只能處于一個一個分立的能級中。也就是說，電子軌道是量子化的。
這個量子化的波爾原子理論，在當(dāng)時取得了極大成功，成功地解釋了原子穩(wěn)定性，原子光譜譜線等問題，使人們再一次體會到這個量子妖精，蹦跳在微觀物理世界中時產(chǎn)生的巨大力量。這時的量子力學(xué)，終于算是長成了一個調(diào)皮頑劣的大男孩，正在努力操練絕世武功，企圖伺機(jī)大展身手咧。
但是，波爾的原子理論的基礎(chǔ)仍然是建立在經(jīng)典物理的大地上，不是徹底革命的量子理論。因此，在它誕生的那一刻，就種下了'短命’的禍根，只迎來了10年左右的輝煌。
接著便到了1923年，31歲的德布羅意提出德布羅意波。1925年，24歲的海森堡創(chuàng)立矩陣力學(xué)，以及1926年，37歲的薛定諤建立薛定諤方程。
在這接踵而至的一大批'男孩’們的努力下，'男孩物理學(xué)’-- 量子力學(xué)，進(jìn)入了它的成熟期。
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參考資料：
有關(guān)“男孩物理學(xué)”的說法來自于下列博文：
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