量子力學的發展綜述

李嘉悅

摘 要：量子力學是對經典物理學在微觀領域內的一次革命，是現代物理學的基礎，它從根本上否定了牛頓物理學。本文帶大家再次回到那個偉大的年代，再次簡要回顧下那場史詩般壯麗的革命。

關鍵詞：量子力學 發展 量子 多世界解釋

中圖分類號：O413.1文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2018）03-0-01

量子理論的中心思想是一切東西都是由不可預言的量子構成，但這些粒子的統計行為遵循一種可以預言的波動圖樣。簡簡單單的一句話，深入研究起來確實那樣令人困惑，整個20世紀的物理學家們就是在不斷的量子的迷霧中摸索著。現在我們也要沿著他們的航線領略一下量子理論奇。

一、量子的創生

19世紀末，物理學界取得了一系列舉世矚目的成就，當人們為所謂的物理學大廈已經根深蒂而感到皆大歡喜時，幾個懸而未決的謎題卻一直困擾著高瞻遠慮的物理學家們[1]。“在物理學陽光燦爛的天空中飄浮著兩朵小烏云”這句話在幾乎每一本關于物理學史的書籍中被反復提到，具體一些的話，指的是人們在邁克爾—莫雷實驗和黑體輻射研究中的困境。這兩朵烏云帶來的狂風暴雨，遠遠超出了人們的想象：第一朵烏云，最終導致了相對論革命的爆發;第二朵烏云，最終導致了量子論革命的爆發。1900年，普朗克在解決黑體輻射問題時，做了一個假定，“必須假定，能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。”普通的一個假設，卻推翻自牛頓以來200多年，曾被認為堅固不可摧毀的物理世界。這與有史以來的一切物理學家的觀念截然相反，自牛頓和伽利略以來，一切自然的過程都被當成是連續不間斷的，是微積分的根本基礎，牛頓、麥克斯韋那龐大的體系，都是建立在這個基礎之上，從沒有人懷疑過這個物理學的根基。1900年12月14日，量子的誕辰，這一天，量子這個幽靈從普朗克的方程中脫胎而出。這個幽靈擁有徹底的革命性和無邊的破壞力，物理學構成的精密體系被摧毀成斷壁殘垣，甚至推動量子論的某些科學家最終也站到了它的對立面。量子論這場前所未有的革命，從這個叫馬克思·普朗克的男人這里開始了。

二、量子力學的建立和論戰

量子這個概念已經誕生了，然而他的創造者普朗克卻拋棄了它，不斷地告誡人們，不到萬不得已不要使用，不要胡思亂想。不怪普朗克本人畏首畏尾，實在是量子這個概念太過驚世駭俗，但是接下來一系列的成就證明了它的價值：1.為了解釋光電效應，1905年愛因斯坦提出光量子論，揭示了光的波粒二象性;2.玻爾結合原子的核式結構模型和量子論，1913年提出了氫原子理論;3.德布羅意從光量子理論得到啟發，于1923年提出物質波假說;4.海森堡拋棄了玻爾的軌道概念，建立了矩陣力學（1925年）[2]。海森堡建立矩陣力學標志著量子力學的建立，但是剛誕生的矩陣力學立刻受到了挑戰：薛定諤于1926年把物質波的思想加以發展，建立了波動力學。矩陣力學？波動力學？全新的量子論建立不到一年，就要面臨內戰了。兩派的主將都對對方的理論表象出強烈的厭惡，但有趣的是，兩種力學在數學上是完全等價的，它們都是從經典的哈密頓函數而來，但這并不能緩和兩派的關系，形式上的統一不能掩蓋意識形態的分歧。從矩陣方面來說，它的本意是粒子性和不連續性，而波動方面卻始終在談論波動性和連續性。之后的1927年，海森堡提出不確定性原理，玻爾提出了互補原理，加上波恩的概率解釋，構成了“哥本哈根解釋的核心”。這引起了一場更加豪華的論戰：玻爾與愛因斯坦的論戰。玻爾是哥本哈根學派的“教皇”，愛因斯坦是反對派的精神領袖。盡管愛因斯坦對量子論的建立做過不可磨滅的貢獻，但是量子論的發展仍然超出了愛因斯坦的忍受范圍，哥本哈根的概率解釋顛覆了愛因斯坦信仰的因果律，他憤怒的說“我毫無保留地相信‘老頭子是不擲骰子的”。“老頭子”是愛因斯坦對上帝的愛稱。1927年的第五屆索維爾會議，愛因斯坦輸了，在第六次索維爾會議，他卷土重來，但仍舊失敗了，新興的量子論有著旺盛的生命力，理論物理進入了一個前所未有的黃金時代。

三、多世界解釋

哥本哈根解釋取得了勝利，然而這個解釋在常人看來確實難以理解。根據根本哈根解釋，觀測一個系統會引起波函數的坍縮，使被觀測系統由疊加態變為一個確定的結果，但是觀測前結果是什么只能預測概率而不能確定。坍縮，被形容為“一個美麗理論上的一道丑陋疤痕”，它云遮霧繞、似是而非、模糊不清。為了繞過“坍縮”這個概念，埃弗萊特創立了新的理論，他認為，波函數從未坍縮，而只是世界和觀測者本身進入了疊加狀態。簡單描述的話，那就是歷史和將來一切可能發生的事情，都已經在實際上發生了，或者將要發生，只不過它們在另外一些宇宙里，跟我們所在的這個沒有任何物理接觸。這些宇宙和我們的世界互相平行，沒有聯系，根據奧卡姆剃刀原理，這些宇宙對我們是沒有意義的。多世界理論有時也被稱為“平行宇宙”理論，就是因為這個道理。但其實這是對多世界理論的一種誤解，只有一個“宇宙”，但是有多個“世界”。描述電子這樣微小的事物時，例如雙縫干涉實驗，電子從左縫或是右縫通過這件事情會在其他世界造成投影而互相感覺，但是更加復雜的系統對電子的行為進行觀測如人類本身加入這個疊加態，因為描述人類的行為更加復雜，兩個“世界”互相的投影基本垂直使人類感受不到另外的世界。

量子力學對于普通人來說可能非常難以理解，這是因為它表現出來的物理規律與宏觀世界完全不同，和普通人的常規思維有著劇烈的沖突，理解量子物理必須借助數學的抽象，而不能套用宏觀的經驗。量子論的奠基人之一的玻爾說過：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”

無論如何，量子力學仍在不斷的發展，20世紀半導體的開發與應用就是來源于量子力學，被譽為“20世紀最偉大的發明”，給人類世界帶來了徹底的改變。量子力學的廣闊前景讓人們看到了科學發展的勃勃生機，它仿佛是一個永無窮盡的寶藏，小到微觀粒子，大到天體宇宙，都等待著我們探求和應用[3]。

參考文獻

[1]孟穎，呂超，王加安，陳浩，張冠陽.量子力學的發展及應用[J/OL].電子制作，2014，（17）：277.

[2]羅洋城，陳慧清.簡論量子力學的發展[J].韶關大學學報（自然科學版），2000，（04）：48-50.

[3]孟穎，呂超，王加安，陳浩，張冠陽.量子力學的發展及應用[J/OL].電子制作，2014，（17）：277.

[4]曹大元.量子物理史話[M].遼寧：遼寧教育出版社，2011.1-170.