《量子力学史话》
经典物理的黄金年代
十七世纪末,《自然哲学的数学原理》,《光学》,牛顿在数学、力学、光学上的研究开天辟地。
十九世纪,麦克斯韦于1856、1861、1865年发表了三篇关于电磁理论的论文,在牛顿力学的大厦上又添加了另一座巨构。在克劳修斯,范德瓦尔斯、麦克斯韦、玻尔兹曼和吉布斯等人的努力下,分子运动学和统计力学也被成功建立起来了。
不同的理论彼此相符而且互相包容,形成了一个经典物理的大同盟。经典力学,经典电动力学和经典热力学形成了物理世界的三大支柱。1900年4月27日,开尔文在名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》中指出了飘在物理学大厦上空的两朵乌云,一朵是以太存在的证明问题,另一朵是黑体辐射实验和理论的不一致。年迈的开尔文如何也不会想到吗,他口中的不起眼的这两朵乌云,第一朵,导致了相对论革命的爆发,而第二朵,则带我们走向了量子时代。
量子力学大事件
1896年,普朗克(Planck),基于前人工作,第一次凑出了可以满足所有波段的黑体公式。知其然,而不知其所以然。
1900年12月14日,普朗克,发表了《黑体光谱中的能量分布》,提出了那个在那时人们看来是如此离经叛道的假设:能量在发射和吸收的时候不是连续不断的,而是有一个最小单位的——能量子,也就是量子。这一天,就是量子力学的诞辰。
\[E = hf\]where:
\(E\) = 最小的能量子。
\(h\) = 普朗克常数,和引力常数\(G\)以及光速\(c\)一起构成宇宙三个基本物理常数。
\(f\) = 特定辐射的频率。
1913年3月-9月,玻尔的原子结构理论三部曲,一个完整的关于原子的理论体系第一次被建造起来。《论原子和分子的构造》,《单原子核体系》,《多原子核体系》。电子处于的轨道位置是离散的,只能在特定的“势能位置”之间切换,从一个能级跳跃到另一个能级不经过中间的任何状态(瞬移)。先基于实验观察,再提出理论说明。可是终究还是知其然,不知其所以然。
\[W_2 - W_1 = hf\]1922年,斯特恩-盖拉赫实验证明:电子在空间中难过的运动方向同样是不连续的(量子化的)。在空间中的电子只有两个特定的角度可取,上旋、下旋。
1925年,泡利发现一层轨道能包含的不同状态是有限的:2,8,18, etc。提出“不相容原理”。
1924年,德布罗意完成博士论文《量子理论研究》,提出电子波理论,说明一般物质的“波粒二相性”。预言电子在通过小孔或晶体时会产生衍射现象。1927年,戴维逊-革末实验证明了这一预言的正确性。
1925年,沃尔纳·海森堡开始本着:“物理理论应该始终从可以被实验观察和检验的东西出发,而不是想象一些图像来作为理论的基础”的原则重新研究氢原子谱线问题。他认为,原子轨道是臆想出来的概念,无法被实验验证。\(W_2\)和\(W_1\)同样也是,我们能观测到的只是\(W_2 - W_1\)。7月29日,海森堡的论文发表。
1926年,受德布罗意启发,埃尔文·薛定谔发表了6篇论文详细阐述他的理论,提出薛定谔波动方程,证明波动方程和海森堡的理论在数学上等价。同年,马克思·波恩提出对薛定谔波动方程的概率解释。
1927年3月23日,海森堡在《物理学杂志》上发表“不确定性原理”。波尔在同年9月16日首次提出“互补原理”——微观物体的波动性与粒子性互补。至此,哥本哈根学派的三大支柱已经建立——概率解释,不确定性原理和互补原理。
\[\Delta p \times \Delta q \gt \frac{h}{4\pi}\]Uncertainty principle, where:
\(\Delta p\) = 测量p的误差。
\(\Delta q\) = 测量q的误差。
p 和 q这种物理对有很多,比如动量和位置;时间和能量。
1927年10月24日-29日,第五届索尔维会议,“物理学全明星梦之队”。
1935年,薛定谔发表《量子力学的现状》,描述了“薛定谔的猫”思想实验。
1957年,埃弗莱特在博士论文中描述对波函数坍缩的“多世界解释(Many World Interpretation, MWI)”(平行宇宙)。
1964年,贝尔不等式发表。使得“隐变量说”有了数学基础。如果贝尔不等式被违反,量子纠缠为真。2022年诺贝尔物理学奖颁给了证明贝尔不等式不成立的三个物理学家。
1970年,德国物理学者汉斯·泽贺发表了首篇关于“量子退相干”的论文。
1980年,第一个超弦理论模型在由史瓦兹和格林(Michael Green)所发展,处理在十维空间里的开弦振,彼此间能够连结或断裂。
1985年,大卫·德义奇证明了通用量子计算机理论上可行。
2012年,科学家在位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机(一个17英里的圆形粒子加速器和对撞机)中发现了希格斯玻色子的存在,这是粒子物理学中心理论所描述的最后一个粒子,称为标准模型。
2016年,LIGO实验室证实引力波存在。