科技大爆发的原动力——量子力学，本文主要内容关键词为：量子力学论文,原动力论文,大爆发论文,科技论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“智慧是美的，因为它是创造；创造是美的， 因为它是智慧。 ”20世纪物理学，是人类智慧的结晶，是科学创造的奇迹。然而众多产生于物理学领域并向诸多学科辐射的令人惊讶的科技奇迹，追根探本都是起源于量子力学。量子力学，可谓科技奇迹的源泉。我们不妨沿着物理学溪流，探一探量子力学的源头。
自从1897年J.J.汤姆孙发现电子是各种原子的共有组分以来，人们就开始探索原子的结构，建立了各种原子结构模型。按照卢瑟福的观点，氢原子是一个体积相当小的带有单位正电荷的核和一个带有负电荷并在核周围的轨道上运动的电子组成的。这显然不符合经典理论的稳定性要求。
丹麦物理学家尼尔斯·玻尔对这项研究很有兴趣，他既钦佩根据实验结果能大胆地作出原子有核这种判断的卢瑟福，又了解该模型所面临的难以克服的困难。玻尔认为要解决原子的稳定性问题，应该采用量子假说。早在他做博士论文时初次受到普朗克1900年提出的量子论的启发时，他就认识到处理原子尺度的问题时，经典理论往往会与实际不相符合。现在他进一步体会到，要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底改造。1913年初，一个关系密切的学生汉森向玻尔介绍了氢光谱的巴尔末公式。这是瑞士的一名中学数学教师巴尔末从氢光谱线的频率中总结出来的。于是，光谱系、量子假说、原子核式模型这三方面的问题在玻尔睿智的大脑中融会在一起，终于得出了明确的答案。就在1913年，玻尔在卢瑟福核式原子模型的基础上运用量子化概念，提出了定态跃迁原子模型理论。他假设绕核运动的电子有许多可能的轨道，电子不能从一个轨道“平滑”地进入另一个轨道，而只能“跃迁”过去。
当电子绕原子核在轨道上旋转时，并不会像经典电磁理论预言的那样发光，而只有当电子从一个较高能量状态的轨道跃迁到另一个较低能量状态的轨道时才发光。这样辐射出来的能量就是一个量子。如果电子原来就处在最低能量状态（即基态）的轨道，那么它就不会跃迁了。除非外面给它能量，使它从基态轨道跃迁到较高能量状态的轨道。此时它不但不发光，还要吸收特定能量的光。在玻尔的原子模型中，轨道是“量子化”的，电子在同一条轨道上运动时是不会失去能量的，因此原子也就不会塌陷，因而原子的光谱也不会是连续谱。
玻尔的原子理论解释了氢光谱的频率规律，即巴尔末公式，阐明了光谱的发射和吸收，使量子理论取得了重大进展。另外，玻尔的理论还在预言一些新谱系特别是氦离子光谱方面显示出特有的效用。可以说，玻尔理论是成功的。但是，玻尔本人却意识到它的严重不足之处，他知道这充其量只能代表一种完备的理论在建立之前的一种过渡。正如他自己在获得1922年诺贝尔物理学奖的演说中提到的：“事实上，我的努力在于说明原子理论的发展如何对广阔的研究领域的分类作出了贡献，原子理论如何为完成这个分类指明了道路。然而，似乎无须强调，原子理论还处在很初级的阶段，还有很多根本性的问题尚待解决。”
玻尔的原子理论并没有完全摆脱经典理论（比如，其中所保留的“轨道”就是个经典概念），它只是一种半经典半量子化的理论，还很不完善。但是，这毕竟迈出了从经典理论向量子理论发展的极为关键的一步。而且，这一理论将光谱学、量子假说和原子核式模型这几个原本相距较远的物理学研究领域联系在一起，为现代物理学指明了正确的研究方向，是原子理论和量子理论发展史中的一个重要里程碑。
在创立量子力学的过程中，玻尔的作用是举足轻重的。哥本哈根是当时最重要的几个理论物理研究中心之一，在那里，玻尔不仅自己坚持从事理论研究，而且他鼓励大家去思索，在他自己的研究所中培养起勤学好问的治学精神和批判性继承的探索方法，这使得来自许多国家的一大批最富有创新精神的青年科学家受益匪浅。对于来自世界各地的优秀青年，玻尔的风格时时刻刻地影响着他们，自由热烈的科学气氛造就着他们，层出不穷的物理成果鼓舞着他们。在20年代，年轻的物理学家都渴望能到哥本哈根工作一段时间，目的就是向玻尔当面讨教。那时，到玻尔的研究所工作一个月以上的学者就有63人，他们分别来自17个国家。包括玻尔在内，这些人中共有10人获得了诺贝尔物理学奖。这样一来，以哥本哈根理论物理研究所为中心，以玻尔为首，以海森伯、狄拉克、玻恩、泡利等物理学家为主要成员的一个群体，就形成了著名的哥本哈根学派。这一学派为量子力学的形成和发展作出了突出的贡献，对20世纪整个科学的进步起了难以估量的促进作用。
当既是粒子又是波的二象性被爱因斯坦发现之后，这种新奇的观念启发了人们对光以外的其他物质的本性的思考。20世纪20年代初，电子和一切实物粒子都具有波动性的特征被法国物理学家路易斯·德布罗意发现。几年之后，美国物理学家克林顿·戴维森和英国物理学家乔治·汤姆孙各自独立地在实验上发现了晶体对电子的衍射作用，从而证实了德布罗意的物质波理论。物质波理论的建立，是人类探索自然物质本性的进程中的里程碑，是物理学家们的科学创新精神的充分体现。
在德布罗意建立了物质波理论，指出所有物质都具有波粒二象性之后，德国物理学家海森和奥地利物理学家薛定谔，各自独立地建立了形式不同但本质一样的矩阵力学和波动力学。玻恩对波函数的统计解释又对这一崭新的理论做了明确的诠释。这门科学用全新的语言，描绘了微观世界的一幅幅玄妙图景。它的无数成功之处，使它成为一种普遍为人们所接受的物理学基本理论。很多科学家认为，量子力学可能是物理学中惟一的一次名副其实的革命。
尽管许多物理学家曾致力于发展一种相对论性的理论， 但是直到1927年还一直没有相对论性的量子力学形式出现。1928年，狄拉克发表了一个方程，这个方程将狭义相对论的要求与量子理论结合起来，以便能全面描述电子，这就是相对论性量子力学。在许多方面，这一公式比狄拉克同时代人求得的更具普遍性，并以其公理性的公式而著称。狄拉克方程描述了电子的所有已知的东西，并做出了与所有实验结果相符的预言。而且，狄拉克方程并不只是解释了与电子有关的每一件事，而且起到了双倍的作用。原因是这个方程有一正一负两个解。狄拉克方程的第二个解描述的粒子与电子完全相同只是具有负能量。很多人很可能因此将它视为毫无意义的数学怪诞而舍弃它。而狄拉克的天才却使得他去思索“如果”——如果这些具有负能量的电子真的存在将会怎样？在这个问题上蕴含的最大困难是，如果允许电子具有负能量，那首先想到的就是似乎所有的电子都应该具有负能量。就像水往山下流，任何物理系统都在寻找可能的最低的能级。如果电子有“负能级”，那么很明显，即使是其中最高的能级也应比最低的正能级低，于是所有电子都会跌入负能级，并辐射出电磁能的光辉。为了避免这种情况，狄拉克假定所有负能级都已被填满，就像大海已灌满了水那样。如果所有负能量“海”都已经填满了电子，其他电子就只能呆在正能级上面了。狄拉克指出，负电荷海中的“空穴”，其行为会和带正电荷的粒子一样。1932年，美国的卡尔·安德森在宇宙线实验中发现了与电子的行为恰好相同却带有正电荷的粒子的径迹。他得出结论，这种新粒子是电子的带正电荷的配对物，并命名为正电子；正电子的性质恰好与狄拉克的空穴的性质相符。不久，大量其他的亚原子粒子被发现，并且第一种都有各自的反物质配对物。对所有这一切的解释都是基于空穴理论的变体。一个粒子（比如电子）遇到与它配对的反粒子（此时是正电子）后湮灭化为乌有，只留下一股能量。这种能量是怎样释放的，这一理论仍能为其提供一幅最好的思路图。狄拉克的量子力学比经典物理学更为抽象，同时又更接近于实验结果。意义更为深远的是，人类从此开始了对反物质世界的探索。不论是在实验室里人工合成反元素和反原子，还是用航天飞机载着阿尔法磁谱仪去寻求太空中的反物质。
曾几何时，诸多引起过轰动的物理学成果或者说科学奇迹，都可以归结到量子效应。例如核能的释放、放射性的利用、超导电性和超流动性的发现及其应用、能看见并操纵单个原子的扫描探针显微镜、光束能照亮月球的激光器，不胜枚举。这里且不说微电子技术与量子力学的直接联系，只讲信息时代的标志万维网即3W的发明这件事。可能很少有人想到，发明者乃是从事粒子物理学研究的欧洲核子研究中心，该中心于1990年研制出第一个浏览器和服务器，建立了世界上第一个3W系统。当我们在万维网上任自己的思绪飞驰电掣般全球翻飞时，可能很少有人能把这种享受与粒子物理产生联想。此外，太阳为什么总是发光，天空怎么常常是蓝色的，眼睛怎么能看见东西，为什么金子终归是金子、铁终归是铁等等寻常问题，也都只能由量子力学来做透彻解释。量子力学建立和发展的这个百年，对人类的日常生活和认知过程所起的作用和影响，是前人无法想象的，也是我们无法估量的。
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