联合国宣布,今年被定为“量子科学与技术之年”,以此纪念量子力学这一革命性理论的百年诞辰。1925年,以德国物理学家沃纳·海森堡发表的一篇开创性论文为标志,量子力学正式开启了其现代时代,并在短短数月内彻底改变了物理学的基本面貌。
在量子力学诞生之前,经典物理学对于亚原子现象的解释力不从心,于是引入了量子概念。然而,旧量子理论的核心——玻尔-索末菲模型,虽然在解释氢原子光谱等方面取得了成功,但在处理更复杂的原子结构时遇到了难题。海森堡在哥廷根大学担任马克斯·玻恩助手期间,正是这些难题激发了他对量子理论的深入思考。
海森堡发现,玻尔-索末菲模型在处理具有多个电子的原子时,计算结果与实验观察结果不符。他开始怀疑电子在轨道中运动的观念,并试图寻找一种全新的理论来描述量子世界。经过长时间的苦思冥想,海森堡在1925年7月提出了一个激进的新理论——量子力学。在这个理论中,电子不再被视为沿着连续轨迹移动的粒子,而是基于一种全新的、原则上可观测的量之间的关系来构建原子模型。
海森堡的论文《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》发表后,引起了物理学界的巨大轰动。他提出了电子运动的方程,包括诸如位置和动量等量的复杂数组,如可观测的能量和跃迁幅度。然而,这一理论在当时看来非常晦涩难懂,许多物理学家难以接受这种全新的数学形式。随后几个月内,波恩和约尔当等人将海森堡的理论重新表述为矩阵力学,但这种表述仍然难以被直观理解。
1926年上半年,埃尔温·薛定谔提出了一种更能被接受的方法——波动力学。薛定谔认为电子的运动可以在时空中被描述,并制定了波动方程来计算氢原子的能量状态。这一理论为量子状态提供了更直观的理解,将电子看作波而非粒子。然而,海森堡对波动力学的出现不以为然,他认为波动理论不能解释大量的量子现象。尽管如此,波动力学迅速成为解决问题的首选数学形式,并推动了量子力学的进一步发展。
在1925年至1927年间,科学家们发表了近200篇关于量子力学的文章,推动了这一理论的飞速发展。海森堡引入了“不确定度关系”这一概念,提出电子的位置越精确,其动量就越不精确。这一概念已成为量子力学的一个核心概念。同时,越来越多的物理学家开始将量子理论应用到更广泛的实际问题中,如化学键的本质、金属导电性等,取得了显著成果。尽管在量子力学的发展过程中存在争议和批评,但随着时间的推移,这一理论逐渐被广泛接受并成为现代物理学的基础之一。