量子力学的发展综述

李嘉悦

摘 要：量子力学是对经典物理学在微观领域内的一次革命，是现代物理学的基础，它从根本上否定了牛顿物理学。本文带大家再次回到那个伟大的年代，再次简要回顾下那场史诗般壮丽的革命。

关键词：量子力学 发展 量子 多世界解释

中图分类号：O413.1文献标识码：A文章编号：1003-9082（2018）03-0-01

量子理论的中心思想是一切东西都是由不可预言的量子构成，但这些粒子的统计行为遵循一种可以预言的波动图样。简简单单的一句话，深入研究起来确实那样令人困惑，整个20世纪的物理学家们就是在不断的量子的迷雾中摸索着。现在我们也要沿着他们的航线领略一下量子理论奇。

一、量子的创生

19世纪末，物理学界取得了一系列举世瞩目的成就，当人们为所谓的物理学大厦已经根深蒂而感到皆大欢喜时，几个悬而未决的谜题却一直困扰着高瞻远虑的物理学家们[1]。“在物理学阳光灿烂的天空中飘浮着两朵小乌云”这句话在几乎每一本关于物理学史的书籍中被反复提到，具体一些的话，指的是人们在迈克尔—莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。这两朵乌云带来的狂风暴雨，远远超出了人们的想象：第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发;第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。1900年，普朗克在解决黑体辐射问题时，做了一个假定，“必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”普通的一个假设，却推翻自牛顿以来200多年，曾被认为坚固不可摧毁的物理世界。这与有史以来的一切物理学家的观念截然相反，自牛顿和伽利略以来，一切自然的过程都被当成是连续不间断的，是微积分的根本基础，牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，都是建立在这个基础之上，从没有人怀疑过这个物理学的根基。1900年12月14日，量子的诞辰，这一天，量子这个幽灵从普朗克的方程中脱胎而出。这个幽灵拥有彻底的革命性和无边的破坏力，物理学构成的精密体系被摧毁成断壁残垣，甚至推动量子论的某些科学家最终也站到了它的对立面。量子论这场前所未有的革命，从这个叫马克思·普朗克的男人这里开始了。

二、量子力学的建立和论战

量子这个概念已经诞生了，然而他的创造者普朗克却抛弃了它，不断地告诫人们，不到万不得已不要使用，不要胡思乱想。不怪普朗克本人畏首畏尾，实在是量子这个概念太过惊世骇俗，但是接下来一系列的成就证明了它的价值：1.为了解释光电效应，1905年爱因斯坦提出光量子论，揭示了光的波粒二象性;2.玻尔结合原子的核式结构模型和量子论，1913年提出了氢原子理论;3.德布罗意从光量子理论得到启发，于1923年提出物质波假说;4.海森堡抛弃了玻尔的轨道概念，建立了矩阵力学（1925年）[2]。海森堡建立矩阵力学标志着量子力学的建立，但是刚诞生的矩阵力学立刻受到了挑战：薛定谔于1926年把物质波的思想加以发展，建立了波动力学。矩阵力学？波动力学？全新的量子论建立不到一年，就要面临内战了。两派的主将都对对方的理论表象出强烈的厌恶，但有趣的是，两种力学在数学上是完全等价的，它们都是从经典的哈密顿函数而来，但这并不能缓和两派的关系，形式上的统一不能掩盖意识形态的分歧。从矩阵方面来说，它的本意是粒子性和不连续性，而波动方面却始终在谈论波动性和连续性。之后的1927年，海森堡提出不确定性原理，玻尔提出了互补原理，加上波恩的概率解释，构成了“哥本哈根解释的核心”。这引起了一场更加豪华的论战：玻尔与爱因斯坦的论战。玻尔是哥本哈根学派的“教皇”，爱因斯坦是反对派的精神领袖。尽管爱因斯坦对量子论的建立做过不可磨灭的贡献，但是量子论的发展仍然超出了爱因斯坦的忍受范围，哥本哈根的概率解释颠覆了爱因斯坦信仰的因果律，他愤怒的说“我毫无保留地相信‘老头子是不掷骰子的”。“老头子”是爱因斯坦对上帝的爱称。1927年的第五届索维尔会议，爱因斯坦输了，在第六次索维尔会议，他卷土重来，但仍旧失败了，新兴的量子论有着旺盛的生命力，理论物理进入了一个前所未有的黄金时代。

三、多世界解释

哥本哈根解释取得了胜利，然而这个解释在常人看来确实难以理解。根据根本哈根解释，观测一个系统会引起波函数的坍缩，使被观测系统由叠加态变为一个确定的结果，但是观测前结果是什么只能预测概率而不能确定。坍缩，被形容为“一个美丽理论上的一道丑陋疤痕”，它云遮雾绕、似是而非、模糊不清。为了绕过“坍缩”这个概念，埃弗莱特创立了新的理论，他認为，波函数从未坍缩，而只是世界和观测者本身进入了叠加状态。简单描述的话，那就是历史和将来一切可能发生的事情，都已经在实际上发生了，或者将要发生，只不过它们在另外一些宇宙里，跟我们所在的这个没有任何物理接触。这些宇宙和我们的世界互相平行，没有联系，根据奥卡姆剃刀原理，这些宇宙对我们是没有意义的。多世界理论有时也被称为“平行宇宙”理论，就是因为这个道理。但其实这是对多世界理论的一种误解，只有一个“宇宙”，但是有多个“世界”。描述电子这样微小的事物时，例如双缝干涉实验，电子从左缝或是右缝通过这件事情会在其他世界造成投影而互相感觉，但是更加复杂的系统对电子的行为进行观测如人类本身加入这个叠加态，因为描述人类的行为更加复杂，两个“世界”互相的投影基本垂直使人类感受不到另外的世界。

量子力学对于普通人来说可能非常难以理解，这是因为它表现出来的物理规律与宏观世界完全不同，和普通人的常规思维有着剧烈的冲突，理解量子物理必须借助数学的抽象，而不能套用宏观的经验。量子论的奠基人之一的玻尔说过：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”

无论如何，量子力学仍在不断的发展，20世纪半导体的开发与应用就是来源于量子力学，被誉为“20世纪最伟大的发明”，给人类世界带来了彻底的改变。量子力学的广阔前景让人们看到了科学发展的勃勃生机，它仿佛是一个永无穷尽的宝藏，小到微观粒子，大到天体宇宙，都等待着我们探求和应用[3]。

参考文献

[1]孟颖，吕超，王加安，陈浩，张冠阳.量子力学的发展及应用[J/OL].电子制作，2014，（17）：277.

[2]罗洋城，陈慧清.简论量子力学的发展[J].韶关大学学报（自然科学版），2000，（04）：48-50.

[3]孟颖，吕超，王加安，陈浩，张冠阳.量子力学的发展及应用[J/OL].电子制作，2014，（17）：277.

[4]曹大元.量子物理史话[M].辽宁：辽宁教育出版社，2011.1-170.