正文 267 物理學之量子力學 2 文 / 月之輪迴

    1924年夏天，出現了又一個前奏。薩地揚德拉.n.玻色提出了一種全新的方法來解釋普朗克輻射定律。他把光看作一種無（靜）質量的粒子（現稱為光子）組成的氣體，這種氣體不遵循經典的玻耳茲曼統計規律，而遵循一種建立在粒子不可區分的性質（即全同性）上的一種新的統計理論。愛因斯坦立即將玻色的推理應用於實際的有質量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數關於能量的分佈規律，即著名的玻色-愛因斯坦分佈。然而，在通常情況下新老理論將預測到原子氣體相同的行為。愛因斯坦在這方面再無興趣，因此這些結果也被擱置了10多年。然而，它的關鍵思想——粒子的全同性，是極其重要的。

    沃爾夫剛.泡利（wolfgangpauli）提出了不相容原理，為週期表奠定了理論基礎。

    韋納.海森堡（berg）、馬克斯.玻恩（maxborn）和帕斯庫爾.約當（pascualjordan）提出了量子力學的第一個版本，矩陣力學。人們終於放棄了通過系統的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運動這一歷史目標。

    埃爾溫.薛定諤（erwinschrodinger）提出了量子力學的第二種形式，波動力學。在波動力學中，體系的狀態用薛定諤方程的解——波函數來描述。矩陣力學和波動力學貌似矛盾，實質上是等價的。

    電子被證明遵循一種新的統計規律，費米-狄拉克統計。人們進一步認識到所有的粒子要麼遵循費米-狄拉克統計，要麼遵循玻色-愛因斯坦統計。這兩類粒子的基本屬性很不相同。

    海森堡闡明測不准原理。

    保爾.a.m.狄拉克提出了相對論性的波動方程用來描述電子，解釋了電子的自旋並且預測了反物質。

    狄拉克提出電磁場的量子描述，建立了量子場論的基礎。

    玻爾提出互補原理（一個哲學原理）。試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾，特別是波粒二象性。

    量子理論的主要創立者都是年輕人。1925年。泡利25歲，海森堡和恩裡克.費米（fermi）24歲，狄拉克和約當23歲。薛定諤是一個大器晚成者，36歲。玻恩和玻爾年齡稍大一些，值得一提的是他們的貢獻大多是闡釋性的。愛因斯坦的反應反襯出量子力學這一智力成果深刻而激進的屬性：他拒絕自己發明的導致量子理論的許多關鍵的觀念，他關於玻色-愛因斯坦統計的論是他對理論物理的最後一項貢獻，也是對物理學的最後一項重要貢獻。

    創立量子力學需要新一代物理學家並不令人驚訝，開爾爵士在祝賀玻爾1913年關於氫原子的論的一封書信中表述了其中的原因。他說。玻爾的論中有很多真理是他所不能理解的。開爾認為基本的新物理學必將出自無拘無束的頭腦。

    1928年，革命結束，量子力學的基礎本質上已經建立好了。後來，abrahampais以軼事的方式記錄了這場以狂熱的節奏發生的革命。其中有一段是這樣的：1925年，samuelgoudsmit和k就提出了電子自旋的概念，玻爾對此深表懷疑。10月玻爾乘火車前往荷蘭的萊頓參加亨德裡克.a.洛倫茲（z）的50歲生日慶典，泡利在德國的漢堡碰到玻爾並探詢玻爾對電子自旋可能性的看法；玻爾用他那著名的低調評價的語言回答說，自旋這一提議是「非常，非常有趣的」。後來，愛因斯坦和fest在萊頓碰到了玻爾並討論了自旋。玻爾說明了自己的反對意見。但是愛因斯坦展示了自旋的一種方式並使玻爾成為自旋的支持者。在玻爾的返程中，遇到了更多的討論者。當火車經過德國的哥挺根時，海森堡和約當接站並詢問他的意見。泡利也特意從漢堡格趕到柏林接站。玻爾告訴他們自旋的發現是一重大進步。（按：看到歐洲科學家之間坦誠而熱烈的交流，我們會得到什麼啟示嗎？）

    量子力學的創建觸發了科學的淘金熱。早期的成果有：1927年海森堡得到了氦原子薛定諤方程的近似解，建立了原子結構理論的基礎；，和k隨後又提出了原子結構的一般計算技巧；和rheitler解決了氫分子的結構，在此基礎上，linuspauling建立了理論化學；rfeld和泡利建立了金屬電子理論的基礎h創立了能帶結構理論；海森堡解釋了鐵磁性的起因。1928年w解釋了a放射性衰變的隨機本性之謎，他表明a衰變是由量子力學的隧道效應引起的。隨後幾年中he建立了核物理的基礎並解釋了恆星的能量來源。隨著這些進展，原子物理、分子物理、固體物理和核物理進入了現代物理的時代。

    要點

    伴隨著這些進展。圍繞量子力學的闡釋和正確性發生了許多爭論。玻爾和海森堡是倡導者的重要成員，他們信奉新理論。愛因斯坦和薛定諤則對新理論不滿意。

    基本描述：波函數。系統的行為用薛定諤方程描述，方程的解稱為波函數。系統的完整信息用它的波函數表述，通過波函數可以計算任意可觀察量的可能值。在空間給定體積內找到一個電子的概率正比於波函數幅值的平方，因此，粒子的位置分佈在波函數所在的體積內。粒子的動量依賴於波函數的斜率，波函數越陡，動量越大。斜率是變化的，因此動量也是分佈的。這樣，有必要放棄位移和速度能確定到任意精度的經典圖像，而採納一種模糊的概率圖像，這也是量子力學的核心。

    對於同樣一些系統進行同樣精心的測量不一定產生同一結果，相反，結果分散在波函數描述的範圍內，因此，電子特定的位置和動量沒有意義。這可由測不准原理表述如下：要使粒子位置測得精確，波函數必須是尖峰型的，然而，尖峰必有很陡的斜率，因此動量就分佈在很大的範圍內；相反，若動量有很小的分佈，波函數的斜率必很小，因而波函數分佈於大範圍內，這樣粒子的位置就更加不確定了。(未完待續)