经典力学发展简史

量子力学发展简史

摘要：

相对论是在普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入能量子概念的基础上发展起来的，爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展。玻尔、德布罗意、薛定谔、玻恩、狄拉克等人为解决量子理论遇到的困难，进行了开创性的工作，先后提出电子自旋概念，创立矩阵力学、波动力学，诠释波函数进行物理以及提出测不准原理和互补原理。终于在1925年到1928年形成了完整的量子力学理论，与爱因斯坦的相对论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。

关键词：量子力学，量子理论，矩阵力学，波动力学，测不准原理

量子力学是研究微观粒子（如电子、原子、分子等）的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础，是现代物理学的两大基本支柱。经典力学奠定了现代物理学的基础，但对于高速运动的物体和微观条件下的物体，牛顿定律不再适用，相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。量子力学认为在亚原子条件下，粒子的运动速度和位置不可能同时得到精确的测量，微观粒子的动量、电荷、能量、粒子数等特性都是分立不连续的，量子力学定律不能描述粒子运动的轨道细节，只能给出相对机率，为此爱因斯坦和玻尔产生激烈争论，并直至去世时仍不承认量子力学理论的哥本哈根诠释。

量子力学是一个物理学的理论框架，是对经典物理学在微观领域的一次革命。它有很多基本特征，如不确定性、量子涨落、波粒二象性等，在原子和亚原子的微观尺度上将变的极为显著。爱因斯坦、海森堡、玻尔、薛定谔、狄拉克等人对其理论发展做出了重要贡献。原子核和固体的性质以及其他微观现象，目前已基本上能从以量子力学为基础的现代理论中得到说明。现在量子力学不仅是物理学中的基础理论之一，而且在化学和许多近代技术中也得到了广泛的应用。上世纪末和本世纪初，物理学的研究领域从宏观世界逐渐深入到微观世界；许多新的实验结果用经典理论已不能得到解释。大量的实验事实和量子论的发展，表明微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性（参见波粒二象性），微观粒子的运动不能用通常的宏观物体运动规律来描写。德布罗意、薛定谔、海森堡，玻尔和狄拉克等人逐步建立和发展了量子力学的基本理论。应用这理论去解决原子和分子范围内的问题时，得到与实验符合的结果。因此量子力学的建立大大促进了原子物理。固体物理和原子核物理等学科的发展，它还标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。量子力学是用波函数描写微观粒子的运动状态，以薛定谔方程确定波函数的变化规律，并用算符或矩阵方法对各物理量进行计算。因此量子力学在早期也称为波动力学或矩阵力学。量子力学的规律用于宏观物体或质量和能量相当大的粒子时，也能得出经典力学的结论。在解决原子核和基本粒子的某些问题时，量子力学必须与狭义相对论结合起来（相对论量子力学），并由此逐步建立了现代的量子场论。 量子力学的发展简史

19容

2年第4期

总第37

期

科

学史西北大学

学报

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量子力学发展

简史

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粒子

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行科学

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理论

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理学

理论

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因而当时有

许多

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家错误

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物理

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得辉煌成

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理学

晴朗的天空中

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第一号

乌云的

迈克尔逊

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中,

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人们

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体或液体)

力学发展简史

力学是物理学中发展最早的一个分枝，它和人类的生活与生产联系最为密切。早在遥远的古代，人们就在生产劳动中应用了杠杆、螺旋、滑轮、斜面等简单机械，从而促进了静力学的发展。古希腊时代，就已形成比重和重心的概念，出现杠杆原理；阿基米德(Archimedes，约公元前287～212)的浮力原理提出于公元前二百多年。虽然这些知识尚属力学科学的萌芽，但在力学发展史中应有一定的地位。16世纪以后，由于航海、战争和工业生产的需要，力学的研究得到了真正的发展。钟表业促进了匀速运动的理论；水磨机械促进了摩擦和齿轮传动的研究；火炮的运用推动了拋射体的研究。天体运行的规律提供了机械运动最单纯、最直接、最精确的数据资料，使得人们有可能排除摩擦和空气阻力的干扰，得到规律运动的认识。天文学的发展为力学找到了一个最理想的"实验室"-天体。但是，天文学的发展又和航海事业分不开，只有等到16、17世纪，这时资本主义生产方式开始兴起，海外贸易和对外扩张刺激了航海的发展，这才提出对天文作系统观测的迫切要求。第谷(Tycho Brahe，1546～1601)顺应了这一要求，以毕生精力收集了大量观测数据，为克卜勒 (Johannes Kepler，1571～1630)的研究作了准备。克卜勒于1609年和1619年先后提出了行星运动的三条规律，即克卜勒三大行星运动定律。与此同时，以伽利略 (Galileo Galilei，1564～1642)为代表的物理学家对力学开展了广泛研究，得到了自由落体定律。伽利略的两部著作：《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(1632年)和《关于力学和运动两种新科学的谈话》(简称《两门新科学》)(1638年)，为力学的发展奠定了思想基础。随后，牛顿 (Isaac Newton，1642～1727)把天体的运动规律和地面上的实验研究成果加以综合，进一步得到了力学的基本规律，建立了牛顿三大运动定律和万有引力定律。牛顿建立的力学体系经过伯努利(Daniel Bernoulli，1700～1782)、拉格朗日(J. L. Lagrange，1736～1813)、达朗贝尔(Jeanie Rond d' Alembert，1717～1783)等人的推广和完善，形成了系统的理论，取得了广泛的应用并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分枝。到了18世纪，古典力学已经相当成熟，成了自然科学中的主导和领先学科。机械运动是最直观、最简单、也最便于观察和最早得到研究的一种运动形式。但是，任何自然界的现象都是错综复杂的，不可避免地会有干扰因素，不可能以完全纯粹的形态自然地展现在人们面前，力学现象也不例外。因此，人们要从生产和生活中遇到的各种力学现象抽离出客观规律，必定要有相当复杂的提炼、简化、复现、抽象等实验和理论研究的过程。和物理学的其它学科相比，力学的研究经历了更为漫长的过程。从希腊时代算起，整个过程几乎长达两千年之久。其所以会如此漫长，一方面是由于人类缺乏经验，弯路在所难免，只有在研究中自觉或不自觉地摸索到了正确的研究方法，才有可能得出正确的科学结论。再就是生产水平低下，没有适当的仪器设备，无从进行系统的实验研究，难以认识和排除各种干扰。

经典力学发展简史

1. 引言

经典力学是物理学中最基础、最重要的分支之一。它以牛顿力学为基础，研究物体在外力作用下的运动规律。本文将介绍经典力学的发展历程，包括牛顿力学的奠基、拉格朗日力学的建立以及哈密顿力学的发展。

2. 牛顿力学的奠基

17世纪末，英国科学家牛顿提出了三大运动定律，奠定了经典力学的基础。第一定律（惯性定律）指出物体在无外力作用下保持匀速直线运动或者静止；第二定律（运动定律）描述了物体的加速度与作用力之间的关系；第三定律（作用-反作用定律）说明了相互作用的两个物体之间的力大小相等、方向相反。牛顿力学的提出，为解释天体运动、机械运动等提供了强有力的理论基础。

3. 拉格朗日力学的建立

18世纪，法国数学家拉格朗日提出了一种新的力学形式，即拉格朗日力学。与牛顿力学相比，拉格朗日力学更加简洁、优雅，并且能够处理复杂的系统。拉格朗日力学基于一个称为拉格朗日函数的量，通过对系统的动能和势能进行数学描述，得到了运动方程。这种方法不仅适合于宏观物体的运动，还适合于微观粒子的运动，对于研究多体系统具有重要意义。

4. 哈密顿力学的发展

19世纪，爱尔兰数学家哈密顿进一步发展了经典力学，提出了哈密顿力学。哈密顿力学是拉格朗日力学的一种等价形式，通过引入广义动量和哈密顿函数，可以更加方便地描述系统的运动。哈密顿力学在动力学系统、相空间等领域有广泛的应用，为研究混沌现象、量子力学等提供了数学工具。

5. 经典力学的应用 经典力学不仅在物理学中有着广泛的应用，还在其他领域发挥着重要作用。在天文学中，经典力学用于描述行星、恒星的运动规律；在工程学中，经典力学用于设计机械、结构等；在生物学中，经典力学用于研究生物体的运动机制。经典力学的成功应用使得人类对自然界的认识更加深入，推动了科学技术的发展。

6. 总结

经典力学作为物理学的基石，经历了牛顿力学、拉格朗日力学和哈密顿力学的发展，为人类认识自然界的规律提供了重要的理论基础。经典力学的简洁性和广泛应用使得它在科学研究和工程实践中具有不可替代的地位。尽管在微观尺度和高速运动领域，经典力学已经被量子力学和相对论所取代，但经典力学仍然是物理学中不可或者缺的一部份。