關(guān)于量子力學(xué)建立中的創(chuàng)新思維的思考

楊丙燦，陳曉

（西藏大學(xué)，西藏 拉薩 850000）

0 引言

量子力學(xué)的建立，是物理學(xué)發(fā)展的里程碑，是科學(xué)家創(chuàng)新思維和艱苦卓絕的努力的共同成果，也是人類(lèi)對(duì)于自然本質(zhì)認(rèn)識(shí)和探索的重大發(fā)現(xiàn)，其與人們生活的方方面面息息相關(guān)。那么，物理學(xué)家是怎么利用創(chuàng)新思維來(lái)建立量子力學(xué)的呢，我們從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。量子論需要從黑體輻射的探究開(kāi)始說(shuō)起。19 世紀(jì)的物理學(xué)家，試圖以熱力學(xué)和電磁學(xué)的相關(guān)知識(shí)去探尋黑體輻射的理論解釋?zhuān)⒁源饲罢靶缘靥岢隽讼嚓P(guān)理論公式，雖然這些公式具有局限性，遇到了很多困境，但是卻為經(jīng)典物理學(xué)的基本理論提供了依據(jù)[1]。并且維恩公式的推導(dǎo)思路清晰，方法無(wú)誤，所以可以肯定地說(shuō)，這次失敗，只是暴露出了物理學(xué)所要面臨的重要困難。

1 普朗克能量子假說(shuō)

維恩公式很難準(zhǔn)確地說(shuō)明黑體輻射存在的規(guī)律，讓諸多物理同行開(kāi)始關(guān)注并探究。19 世紀(jì)末的時(shí)候，普朗克以系統(tǒng)的黑體輻射理論研究，得到了新的輻射定律，并推出了相關(guān)公式[2]。20 世紀(jì)初又提出量子化假設(shè)，且其推導(dǎo)出的黑體輻射能量分布公式，一度成為物理學(xué)界史上的巨大變革。而隨著量子論的誕生，量子論的創(chuàng)立者普朗克也因此榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的殊榮。

2 愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)

能量子假說(shuō)轟動(dòng)一時(shí)，成為物理學(xué)界實(shí)至名歸的霸主。在物理學(xué)界紛紛準(zhǔn)備重視普朗克的量子概念的時(shí)候，光量子假說(shuō)后來(lái)居上，讓量子論的觀念在物理學(xué)界開(kāi)始盛行。光量子假說(shuō)的提出，是愛(ài)因斯坦研究黑體輻射的重要發(fā)現(xiàn)，以和普朗克不同的思路去研究?jī)勺指拍?。?ài)因斯坦認(rèn)為光量子能量是客觀實(shí)體，而普朗克認(rèn)為能量子能量知識(shí)輔助公式導(dǎo)出的借用手段，并不具備實(shí)體意義。愛(ài)因斯坦認(rèn)為能量在傳播中、在物種作用中，是不連續(xù)的[3-4]。且光的傳播，也可以被看成量子，符合能量量子化的本質(zhì)，因此他才合理的利用光量子，解釋了光電效應(yīng)。這一思想完全超越普朗克，成為當(dāng)時(shí)物理學(xué)界普遍認(rèn)可的量子論。

3 玻爾理論

電子的發(fā)現(xiàn)，讓原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)在世人面前，早在20 世紀(jì)初的時(shí)候，盧瑟福的原子核模型就非常惹眼，但其中存在著很多不能解釋的問(wèn)題，而后，玻爾另辟蹊徑，以量子論去分析原子結(jié)構(gòu)，從中發(fā)現(xiàn)驚人現(xiàn)象，核外電子具備一定的排布特征，能量也是量子化的。這完美解釋了盧瑟福原子模型中存在的問(wèn)題。由此，玻爾理論引領(lǐng)物理學(xué)界的風(fēng)向[5-6]。

4 量子力學(xué)的建立

玻爾理論也有自身的缺陷，比如氫原子光譜的無(wú)法解釋?zhuān)热鐑?nèi)在的不協(xié)調(diào)等等，這更進(jìn)一步激發(fā)了物理學(xué)家們的興趣。20 世紀(jì)初，德布羅意經(jīng)過(guò)實(shí)踐研究，將粒子和波的觀念進(jìn)行大綜合，創(chuàng)造了物質(zhì)波理論，這個(gè)理論在后來(lái)很快被電子衍射實(shí)驗(yàn)所論證，從此，量子力學(xué)的發(fā)展大幕被徐徐拉開(kāi)。也可以說(shuō)，物質(zhì)波理論為量子學(xué)的建立堅(jiān)定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.1 矩陣力學(xué)的建立

海森堡提出的矩陣力學(xué)，最后由玻恩和約當(dāng)?shù)热斯餐瓿?。矩陣力學(xué)的建立，是物理學(xué)新時(shí)代的開(kāi)始，也是量子物理新成就孕育的搖籃。海森堡之所以能提出矩陣力學(xué)，也是因?yàn)椴柪碚摰挠绊懀瑥牟栕巫尾痪胩剿鞯木裰校Ｉじ袆?dòng)于這種執(zhí)著并繼續(xù)探究玻爾理論。經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)和研究，海森堡明確矩陣力學(xué)的基本思想，進(jìn)一步確立了理論的普遍意義。于是在1925 年，他依據(jù)經(jīng)典力學(xué)的研究方法——坐標(biāo)法將對(duì)應(yīng)原理的頻率轉(zhuǎn)為兩字頻率，從而實(shí)現(xiàn)了自己的研究目標(biāo)[7-8]。剛開(kāi)始，海森堡對(duì)自己的研究信心不是很足，于是找玻恩商量，在玻恩的建議下，他們利用矩陣方法，再結(jié)合嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)，從對(duì)應(yīng)原理當(dāng)中，得出了動(dòng)量與坐標(biāo)的關(guān)系公式：

從此以后，矩陣力學(xué)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，又被當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家納入新的數(shù)學(xué)體系，形成完整的量子力學(xué)數(shù)學(xué)體系，因此，后來(lái)量子力學(xué)發(fā)展就有了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，那就是矩陣力學(xué)。

4.2 波動(dòng)力學(xué)的建立

矩陣力學(xué)盛行的時(shí)代，波動(dòng)力學(xué)也在悄悄醞釀自己的能量。受到德布羅意物質(zhì)波理論的影響，薛定諤的工作方向發(fā)生了巨大的改變，原本專(zhuān)注于統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究的他，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦的一篇論著，在著作中，愛(ài)因斯坦對(duì)德布羅意在在物理學(xué)上成就的高度評(píng)價(jià)深深刺激了對(duì)物理感興趣的薛定諤[9]。他開(kāi)始去認(rèn)識(shí)和研究德布羅意的相關(guān)物理理論，并對(duì)其中理論解釋做出了一定的貢獻(xiàn)。同時(shí)，他又提出自己的新觀點(diǎn)，那就是德布羅意理論不具普遍性，還需進(jìn)一步發(fā)展，從這個(gè)方向出發(fā)，他的物理研究工作就開(kāi)始了。

薛定諤認(rèn)為，舊的量子理論是不滿(mǎn)足于時(shí)代的，起初他想將德布羅意的自由粒子波，推廣至術(shù)負(fù)離子的狀況，但遇到很多阻礙，幾經(jīng)周折，他推出了薛定諤方程，并將德布羅意的假設(shè)帶進(jìn)方程，將普朗克的量子特性包含在內(nèi)，以論文形式將研究成果發(fā)表出去。隨即，在后來(lái)的論著中，薛定諤抓住光學(xué)和力學(xué)的相似性，借鑒前人幾何光學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，建立了薛定諤方程，提出了波動(dòng)力學(xué)的概念。

4.3 矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的對(duì)立統(tǒng)一

矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)都得到了一定的發(fā)展，在微觀過(guò)程中，兩種形式差異卻又同樣有效的量子理論共同構(gòu)成了量子力學(xué)。海森堡的矩陣力學(xué)，基本概念是粒子性。運(yùn)用不能交換的代數(shù)防范，直接從分離的光線普著手研究，重點(diǎn)闡述的就是連續(xù)性。薛定諤提出的波動(dòng)力學(xué)，基本概念就是波動(dòng)性。運(yùn)用的是微分方程，這種數(shù)學(xué)方式，從基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律入手，重在強(qiáng)調(diào)連續(xù)性，讓人有這種形象化的觀念。這兩種看似對(duì)立的理念，卻對(duì)沒(méi)有相互否定[10]。盡管這兩者在形式上差異很大，但是數(shù)學(xué)上的等價(jià)性和理論的內(nèi)在聯(lián)系，又讓這兩者殊途同歸，所以，量子力學(xué)的建立其實(shí)是相對(duì)的、普遍的力學(xué)綜合。

5 量子力學(xué)建立的爭(zhēng)議

在量子力學(xué)建立之后，物理學(xué)家對(duì)其中概念和存在問(wèn)題的理解，還處在持久的討論和爭(zhēng)辯當(dāng)中。最有影響力的就是愛(ài)因斯坦和玻爾兩人，他們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，就是波函數(shù)物理詮釋問(wèn)題。玻爾為首的物理學(xué)派，闡述了量子力學(xué)的理論，因其在量子力學(xué)詮釋史上的地位突出，所以基本上可以說(shuō)是量子力學(xué)的正統(tǒng)詮釋學(xué)派，但是卻受到了愛(ài)因斯坦和薛定諤等人的強(qiáng)烈批評(píng)。1927 年，玻爾又針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了互補(bǔ)原理，更是受到愛(ài)因斯坦學(xué)派的全面圍攻。因?yàn)閻?ài)因斯坦堅(jiān)持的因果理念和分統(tǒng)計(jì)性理念，和玻爾的統(tǒng)計(jì)思想格格不入，所以針對(duì)此觀點(diǎn)的問(wèn)題爭(zhēng)論無(wú)限延長(zhǎng)。雙方學(xué)派各持意見(jiàn)，互不相服，延續(xù)到如今，這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有具體的結(jié)論。

6 結(jié)語(yǔ)

量子力學(xué)的建立，是物理先輩們從一個(gè)細(xì)節(jié)、一個(gè)理論、一個(gè)思考中摸索和實(shí)踐出來(lái)的，從量子論的建立，到矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的提出，再到量子力學(xué)建立，整個(gè)過(guò)程，無(wú)一處不貫穿著物理學(xué)家的創(chuàng)新思維。在新時(shí)代的今天，當(dāng)我們將量子力學(xué)引入天體、化學(xué)和生物學(xué)等等領(lǐng)域的時(shí)候，量子力學(xué)本身又在發(fā)生著革命性的創(chuàng)新。量子力學(xué)的建立過(guò)程中，物理學(xué)家為人們留下了很多創(chuàng)新思維的范例，這在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過(guò)程中是非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力啟發(fā)非常重要。