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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论的基

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发展史进

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行科学

实验和推理

从而产生

了物理学;到了十

八世纪,

物

理学迅速地向

前发展以牛顿力学为

基础,

先后形成

了热学和分子运

动论电磁学

理论

到

了十九世纪

中期形

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理学

理论

体系

运用这

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典理论人

们成功地

解释

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象解决了不少生产

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物理学在

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中

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因而当时有

许多

物理学

家错误

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物理学

理论是

物理

学的

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题

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也就是在

物理学

家举杯庆贺经典

物理学取

得辉煌成

就的

时候,在经典物

理学

晴朗的天空中

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乌云

—经

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实其中最

著

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是开耳

芬称之为

第一号

乌云的

迈克尔逊

—莫雷实验与“

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乌云的

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相信能用经

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典物理学

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研

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论而在

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中,

引出

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理论

人们

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个物体(固

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。

经典物理学与现代物理学的发展简史

近代物理学的诞生始于17世纪后半期，伽利略、开普勒和牛顿做出了奠基性的贡献。

1666年，牛顿发现了微积分的基本概念，得到了后来以他名字命名的三的定律，可谓是近代物理学的发端。

18至19世纪是物理学蓬勃发展的时期。

焦耳、迈耶、开尔文和克劳修斯奠定了热力学的基础。

玻尔兹曼和吉布斯则开辟了统计物理学。

库仑、法拉第和麦克斯韦初步建立了电磁学。

以牛顿定律为基础的经典力学、热力学与统计物理学以及电磁学构成了“经典物理学”的大厦，似乎人类对自然的认识以及达到了完美的境地。

但在19世纪和20世纪之交，物理学界有三大发现：伦琴发现x射线、汤姆孙发现电子和贝克勒尔发现放射性。

物理学研究从宏观转向微观，经典物理学在新发现面前遇到困难，现代物理学开始发展。

1905年，德国的爱因斯坦提出狭义相对论。接着于1915年提出广义相对论。

普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡和狄拉克共同建立了量子力学。

狭义相对论、广义相对论和量子力学构造了20世纪现代物理学的基础。

在此基础上，粒子物理学、原子核物理学、原子与分子物理学、凝聚态物理、等离子体物理、天体物理以至于生物物理学皆得到了发展。