|早期白炽灯
1879年,托马斯·阿尔瓦·爱迪生发明了电灯,人类进入了电灯照明时代。白炽灯要发光需要加热灯丝,那么如何让灯多发光少发热呢?有必要研究发光和发热的关系。
已经发现,温度低的时候东西越黑,温度高的时候东西越亮。因此,黑体的辐射吸收了照射在其上的所有光线,成为科学家们关注的问题。德国人的说法是空腔辐射。
当黑体在不同温度下处于热平衡时,实验物理学家测量了黑体中相对于光波长(或频率)的能量密度分布。
从1922年到1925年,尤金·维格纳在他的博士论文中第一次提到分子的激发态有能量展宽δ ε,它通过δ ε关系与平均寿命δ T有关。δ T ~ H,而海森堡在1927年提出了δ X. δ P ~ H。维格纳和赫尔曼·韦尔也将群论引入了量子力学。用群论的量子力学,可以了解光谱的各种特性。
到1926年,人们有了两种不同的理论体系来处理量子现象:海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学。
两者在数学上似乎不一样,出发点和构造方法也不一样,但似乎是等价的。薛定谔本人首先注意到了这个问题。1926年5月,他证明了波动力学包含在矩阵力学中,完全正交系的空中的任何算符都可以表示为矩阵。但是,他不能证明矩阵力学意义上的矩阵一定对应于波动力学的一个算符。
狄拉克
1902-1984年,帕·阿·玛·狄拉克
1926年秋,狄拉克构造了一般线性变换理论,给出了希尔伯特空之间的变换。狄拉克第一个指出矩阵隐含的特征向量实际上对应于波动力学中的本征态。因此,消除了矩阵力学与波动力学之间明显的不一致,即矩阵力学中只有矩阵,而波动力学中有状态函数和算符两种对象。
1928年,狄拉克构造了一个满足韦恩斯坦狭义相对论的量子力学方程,即狄拉克方程。用此方程研究氢原子能级分布时,考虑了高速运动的自旋角动量电子的相对论效应,给出了氢原子能级的精细结构,与实验符合较好。
从这个方程可以自动推导出电子的自旋量子数应为1/2。电子的这些性质是从过去的分析实验结果中总结出来的,没有理论来源,也没有解释。狄拉克方程自动推导出这些重要的基本性质,并指出自旋是相对论性的,这是理论上的一大进步。更重要的是,狄拉克方程引出了反粒子的概念。
至此,我们有了一个完整的量子力学来描述原子中的电子行为。简单来说,电子的行为是用波函数来表示的,波函数是一个复(值)函数,它的模方表示在空之间某处发现电子的概率密度。波函数由四个量子数(n,m,ms)表征。这样的量子力学应该显示出它解释世界的力量。
量子力学中有一个关键原理叫做泡利排斥,意思是两个粒子不可能占据同一个量子态,或者一个量子态只能容纳一个粒子。这可以比作自行车项目中自行车和运动员的关系:一辆自行车只能允许一个运动员。在这里我不得不提到沃尔夫冈·泡利,一个有天赋的物理学家。
泡利
沃尔夫冈·泡利,1900-1958
1924年,泡利推导出电子中仍然存在二进制自由度,并提出了“不相容原理”。泡利矩阵是描述自旋角动量的数学工具。
1930年,泡利预言了中微子的存在。泡利的主要成果是在量子力学、量子场论和基本粒子理论方面,特别是泡利不相容原理和β衰变中微子假设的建立,为理论物理的发展做出了重要贡献。
电子行为相似的粒子有一个统一的标签:费米子,对应玻色子,即具有整数自旋的粒子,包括光子和声子(固体中原子集体振荡的量子)等。
玻色子可以用多个粒子占据同一个状态,类似于杂技团里自行车和演员的关系。
当系统温度足够低时,所有玻色子都可能被压缩到最低能态,此时发生玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚体中的所有粒子都处于同一量子态,这是展示量子力学奇异现象的新阶段。
印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色在1924年基于光子能级具有亚能级的假设推导出黑体辐射公式。
玻色
萨特延德拉·纳特·玻色,1894-1974
1926年,约翰·冯·诺依曼指出算符的本征态是向量空,称之为希尔伯特空,量子态可以看作希尔伯特空中的向量。
再者,冯·诺依曼认为,测量一个力学量得到的值应该是该力学量的一个原始值;测得的态坍缩为相应的本征态。1932年写的《量子力学的数学基础》是量子力学测量理论的基础,虽然不一定正确。
冯·诺依曼
约翰·冯·诺依曼,1903-1957
“很快就要结束了,但是还有一个伟大的人不得不提,他就是阿诺德·索末菲。”曹则贤教授说。
旧量子理论的创始人之一索末菲提出了氢原子中电子行为的第一个和第三个量子数。他为理论物理时代培养了大量的学生,是学生获得诺贝尔奖最多的导师。
索末菲
阿诺德·索末菲(1868-1951)
“结局”
“量子力学是一群天才头脑风暴的结果。这些天才之所以能有如此巨大的成就,只是因为他们真的是天才,而且他们真的很早就学会了数学和物理,而他们恰好在那个时候空”面对物理天才们为量子力学所取得的辉煌成就,曹则贤教授对当前的物理研究仍然充满信心。“科学需要思想的自由,也需要思想和激情碰撞的机会。”
曹则贤教授希望更多的专业教师和科学家能够思考“老师”这个词所隐含的责任,努力培养孩子的好奇心,在老师的指导下成长为明天的科学家——至少他们会成为用科学武装自己头脑的未来公民。
-结束-
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