刍议量子力学的诞生及其对现代科学技术的影响

一、引言

量子力学是二十世纪物理学的重要进展，从它对近代物理学和人类的物质文明来说，它具有举足轻重的作用，没有它，就没有人类近代的物质文明。

量子力学的建成是一批物理学家集体工作和共同创造的结晶。在这个理论体系中闪烁着：普朗克、爱因斯坦、卢瑟福、波尔、海森堡、薛定谔、迪拉克等人的光辉名字。在这一批量子物理学家中公认的领袖就是波尔，他对量子力学的建成和理论体系的完成给予了深刻的影响。

从波尔开始，通过索末菲直到海森堡所给出量子力学的形式，以及德布洛意波概念所导致薛定锷方程，就意味着终于可能建立起普遍的量子力学。

二、量子力学的发展是部分机遇、部分必然性的历史

1、经典物理的困难

十九世纪后期，物理学的理论体系似乎已发展到了非常严谨与完善的程度，所以在当时物理学界非常流行的观点是：物理学已经发展到了顶峰，今后的任务，只是在小数点后求精确化而已。然而就在大家庆祝物理学的理论大厦完成的时候，一系列问题摆在物理学家前面，令人困惑，冲击着传统物理学的基础，造成了传统物理学的危机：从1875年开始，韦伯发现固体比热随温度变化问题，巴尔末发现氢光谱的公式，赫兹发现了光电效应，里兹则发现了光谱线的合并原理，瑞利的黑体辐射问题，以及勒纳德光电效应中发现光电子的能量与光强无关等等问题中都出现了理论与实践之间一直不完全吻合的现象，令传统物理难以回答，这引起了许多人的注意，暴露了经典物理学的严重“危机”。

2、量子概念物产生

在经典物理的“危机”中，黑体辐射问题占据着突出的地位。当时许多著名的物理学家都被吸引到这个重要的研究课题中来，在众多研究者中，普朗克的工作占有独特的地位。他偿试把麦克斯韦电磁场理论与自己在热力学方面的研究成果结合起来，对维恩公式做了大量的修正，于1900年得到了一个在整个波段与实验相符的辐射公式。并从理论上做了严格的论证，在论证的过程中提出了作用量子，即能量量子化的概念，这标志量子论的诞生。对于认识作用量子的意义，瑞利-金斯的工作又从反面起了推动作用。爱因斯坦在 “关于光产生和转化的一个启发性观点”一文中，提出了光量子假说，完满地解释了光与实物相互作用的一些现象，使作用量子的概念扩大了应用范围。后来，爱因斯坦用量子的概念来解释固体比热取得了成功，这样更显出了量子概念的威力。在第一届索尔末国际物理会议上还专门讨论了量子理论问题，从此量子的概念得到了普遍的承认。

3、从波尔理论到量子力学

在普朗克、爱因斯坦的光量子以及实物粒子能量不连续的概念提出时，正逢卢瑟福的原子模型提出，从经典物理学处理卢瑟福的原子模型，既不能给出原子的一个特征长度，也无法解释原子的稳定性，在此发生尖锐矛盾的时刻，波尔把普朗克、爱因斯坦的概念创造性的运用，提出了原子量子论这个预言。后来，埃文斯做实验证明了波尔的看法是完全正确的。虽然波尔的理论取得了很大成功，首次打开了人们认识原子结构的大门，但也存在问题和局限性，后来科学家们在克服这些困难和局限性的过程中，量子理论有了进一步发展，波尔的量子论逐渐发展为量子力学。粗略地说，量子力学是在二十世纪的头三十年中发展起来的，相继出现了四种等价形式，其中，建立在可信赖的数学分析方法基础上的薛定锷方程，为解决量子力学问题开辟了一条平坦的大道，这标志着量子力学的诞生。

三、量子力学对科学技术的影响

量子力学的发现在物理学史上是一件划时代的大事，“它把牛顿发明微积分以来，我们在假设一切因果关系都是连续的这个基础上所建立起来的物理学思想方法，加以彻底改造。”并由此开创了物理学的新时代。量子力学的建立，不是对经典物理的全部否定，而是限制了它的适应范围。因为，量子代表了人类认识微观世界的核心观念，它不仅是微观实物粒子存在的基本形式，而且描述了波与场所具有的粒子特征。以量子力学为中心的现代量子理论，完整地描述了微观世界的量子行为，一旦进入微观世界必须计及量子效应。而量子力学则是描述微观现象的有利工具，是人们研究物质微观现象的必然结果，它更接近认识事物的本质。这就促进了哲学思维方式趋于一体化观念的形成，给哲学理论的建立和发展提供了物理学的思想基础，为科学技术提供了新的原理和方法。

量子力学的建立，为有关学科提供了理论的基础，并促进了其发展，深刻地影响了当代人类社会的生产力。例如，利用量子力学解决元素的物理性质的周期性、化学键的本质、分子之间电子运动的规律等各种化学课题，使化学的面貌发生了根本的变革，化学已经从一门经验科学逐渐向系统的理论科学过渡，产生了有着广阔的发展前途的量子化学。又如，利用微观粒子作为信息载体，在量子力学的基础上研究信息行为，将量子理论与信息科学结合起来，直接导致信息科学观念和模式的重大变革，促成了量子信息科学的诞生，使信息系统的可靠性、有效性、保密性和认证性得到了提高。另外，量子力学还渗透到天文、地理、能源、通信、医疗、制造等多种学科，并得到了一定的发展。

量子力学的理论虽未完全成熟，尚有待今后的研究，但量子力学在科学技术上的广泛应用，从根本上改变了整个世界的文明。

（李景为单位：白城职业技术学院；刘立波单位：白城热电厂）