量子物理力学的量子历史
1924的夏天,又一次收敛。Satyendra N. Bose提出了解释普朗克辐射定律的新方法。他把光看成是由没有(静态)质量的粒子(现在称为光子)组成的气体,不遵循经典的玻尔兹曼统计定律,而是遵循一种基于粒子不可分辨性(即各向同性)的新统计理论。爱因斯坦立即将玻色的推理应用到实际的有质量的气体中,从而得到了一个描述气体中粒子数相对于能量的分布规律,即著名的玻色-爱因斯坦分布。然而,在正常情况下,新旧理论将预测原子气体的相同行为。爱因斯坦对这方面不再感兴趣,于是这些成果被搁置了10多年。但是,它的关键思想——粒子的各向同性极其重要。突然,一系列事件接踵而至,最终引发了一场科学革命。1月1925至1月1928:
沃尔夫冈·泡利提出了不相容原理,为周期表奠定了理论基础。
沃纳·海森堡、梅克斯·玻恩和帕斯夸尔·乔丹提出了量子力学的第一个版本——矩阵力学。人们最终放弃了通过系统整理可观测的谱线来理解原子中电子运动的历史目标。
欧文·薛定谔提出了量子力学的第二种形式,波动力学。在波动力学中,系统的状态用薛定谔方程的解——波函数来描述。矩阵力学和波动力学看似矛盾,但本质上是等价的。
电子已经被证明遵循一个新的统计规律,费米-狄拉克统计。人们进一步认识到,所有粒子都遵循费米-狄拉克统计或玻色-爱因斯坦统计,这两种粒子的基本性质有很大不同。
海森堡阐述了测不准原理。
保罗·A·M·狄拉克提出了一个相对论波动方程来描述电子,解释电子的自旋,预言反物质。
狄拉克提出了电磁场的量子描述,奠定了量子场论的基础。
玻尔提出了互补原理(一个哲学原理),试图解释量子论中一些明显的矛盾,尤其是波粒二象性。
量子理论的主要创始人都是年轻人。1925年,泡利25岁,海森堡和恩利克·费密)24岁,狄拉克和乔丹23岁。薛定谔大器晚成,36岁。玻恩和玻尔年龄稍大。值得一提的是,他们的贡献大多是解释性的。爱因斯坦的反应反映了量子力学的深刻和激进,这是一项智力成就:他拒绝了许多导致量子理论的关键概念,他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他对理论物理的最后贡献,也是他对物理学的最后重要贡献。
量子力学的创立需要新一代的物理学家,这并不奇怪。开尔文爵士在一封祝贺玻尔在1913年发表氢原子论文的信中表达了原因。他说玻尔的论文里有很多道理是他无法理解的。开尔文认为基础新物理学必须来自无拘无束的头脑。
1928,革命结束了,量子力学的基础已经在本质上建立起来了。后来,亚伯拉罕·派斯(Abraham Pais)用轶事的方式记录了这场节奏狂热的革命。有这样一段话。1925年,塞缪尔·古德米特和乔治·乌伦贝克提出了电子自旋的概念,玻尔对此深表怀疑。5438年6月+10月,玻尔坐火车去荷兰莱顿,参加亨德里克·a·洛伦兹的50岁生日庆典。泡利在德国汉堡遇到玻尔,询问玻尔对电子自旋可能性的看法。玻尔用他著名的低调评价语言回答说,自旋的提出“非常非常有趣”后来,爱因斯坦和保罗·埃伦费斯特在莱顿与玻尔会面,讨论了自旋。玻尔解释了他的反对意见,但是爱因斯坦展示了一种自旋的方式,让玻尔成为了自旋的支持者。在玻尔的回程中,他遇到了更多的讨论者。当火车经过德国哥廷根时,海森堡和乔丹接站,询问他的意见。保利还特意从汉堡赶到柏林接机站。玻尔告诉他们,自旋的发现是一个巨大的进步。
量子力学的创立引发了科学淘金热。早期的成果有:海森堡在1927获得了氦原子薛定谔方程的近似解,奠定了原子结构理论的基础;约翰·斯莱特、道格拉斯·雷纳·哈特里和弗拉迪米尔·福克接着提出了原子结构的一般计算技巧;弗里茨·伦敦和沃尔特·海特勒解开了氢分子的结构。在此基础上,莱纳斯·鲍林建立了理论化学。索末菲和泡利奠定了金属电子理论的基础,费利克斯·布洛赫创立了能带结构理论。海森堡解释了铁磁性的成因。1928乔治·盖莫夫解释了α放射性衰变的随机性质之谜,他证明了α衰变是由量子力学的隧道效应引起的。在接下来的几年里,汉斯·贝特奠定了核物理的基础,并解释了恒星的能量来源。随着这些进步,原子物理、分子物理、固体物理和核物理进入了现代物理时代。