|
通过实验学习量子力学是个不错的主意。下面我就按照时间的线索大致捋捋有哪些著名实验。我这里入选的范围比较宽泛，以期给出更广的历史视角。 量子力学诞生前，19世纪最大的物理学成就是电磁学，电磁学统一了电、磁、光三种现象。并随之伴随着电灯、电报等技术发明进入人们的日常生活。 在这个领域的著名实验有： 1814-1825年，夫琅禾费向慕尼黑科学院展示自己编绘的太阳光谱，光谱学是后来发展原子物理学的基础。 夫琅禾费在演示他的光谱仪。 1884年，巴尔末发现了氢光谱公式，这个公式及更一般的里德堡公式可以由著名的玻尔模型推出来。 1879年，迈克尔逊利用旋转镜法精确地测量了光速，得到的数值是299910公里每秒，随之在1887年，迈克尔逊和莫雷完成了著名的“迈克尔逊-莫雷”实验。 根据传统的机械波的概念，波动需要介质，那么对光波（电磁波）而言，这个介质就是所谓以太，但“迈克尔逊-莫雷”实验并没有找到以太。这个实验可以被后来爱因斯坦提出的狭义相对论所解释。 除了电磁学和光学，热力学在19世纪也有很大的发展。 当时科学家研究的一个课题是“热辐射谱”，热辐射就是不同频率的电磁波的集合，当温度为T的物体处于热平衡状态的时候，它辐射出来的电磁波的强度和频率存在一个关系，当时的德国科学家（维恩）和英国科学家（瑞利和金斯）分别基于不同的假设得到了两个分布公式，但这两个公式对实验曲线（鲁本斯）吻合的都不是很好。 与鲁本斯有密切合作关系的普朗克于1900年10月19日向德国物理学会汇报了自己的新公式——普朗克公式，同一天鲁本斯的最新测量结果也在会议上公布。 1900年底，普朗克提出了量子假说，并通过量子假说推导出了普朗克公式。从此量子力学的发展正式拉开了历史的序幕。 克鲁克斯管（阴极射线管）示意。 在19世纪真空技术也有了重要进展，基于真空技术，人们可以做出灯泡，灯泡是必须抽真空的，否则灯丝会很快烧断。如果在灯泡里再插入一个电极作为阳极，灯泡就会成为阴极射线管。从灯丝（阴极）跑出的电子加速撞在阳极上，阳极会发出X射线（1895，伦琴）。而如果高频的光照射到阴极上，则可以从阴极中激发出光电子（光电效应：1887，赫兹）。如果我们让阴极跑出的电子加速，跑的很快很快的话，就是加速器。 1897年，汤姆逊测量了阴极射线（电子）的荷质比（e/m），发现比质子（氢离子）的荷质比大很多，说明电子的质量比氢离子的质量小上千倍。1899年，汤姆逊还证明光电子就是电子。 在汤姆逊工作之前的1895年，塞曼研究了光谱线在磁场中的分裂，洛伦兹假设物体里存在着自由运动的电子（金属电子论）解释了塞曼分裂，并估算出了e/m的取值，这个工作和汤姆逊的工作一起使得人们相信在物质中普遍存在电子。 原子是物质结构中的一个基本层次，1869年，门捷列夫提出了元素周期律，并发布了一张元素周期表。发现新元素并确定元素的性质是化学家的一项重要工作。 一张现代的元素周期表。 1896年，贝克勒尔发现铀盐具有放射性。所谓放射性就是物质会放出和X射线类似的具有穿透能力的射线。随后居里夫妇发现了钋和镭等具有放射性的新元素。 根据放射性穿透能力的不同，可以分为α，β和γ三种射线。 1909年，卢瑟福等用α射线（高能He核）照射到金属箔上，发现部分高能α粒子会被金属箔以大角度反射回来。卢瑟福实验说明原子中的正电荷集中分布在原子的极小区域，这就是原子的有核模型。 卢瑟福的工作是打开微观物理世界的重要一步，人们发现根据经典物理学很难解释原子有核模型的稳定性问题。 1913年，玻尔提出了原子结构的玻尔模型。通过定态（原子中存在确定的量子化的能级），量子跃迁，量子化等概念，玻尔解释了氢原子光谱，X射线特征谱线等不同物理现象。 并且定态概念，很快就被“弗兰克-赫兹”实验（1913）所证实。这本身是个歪打正着的实验，因为弗兰克和赫兹在做这个实验的时候并不知道玻尔模型。 “斯特恩-盖拉赫实验”示意，从教学的角度，讲这个实验可以直接介绍矩阵力学，因此是个更现代的教学法。 斯特恩-盖拉赫实验（1921）也是为了验证玻尔模型做的，发现银原子磁矩的取值确实也是量子化的。这个实验也比斯特恩和盖拉赫当初设想的要意义深远，因为它说明电子存在一个新的内禀性质——自旋，其取值只有向上和向下两种可能。 1925年，乌伦贝克和古德施米特提出了自旋概念，并解释了反常塞曼效应。但要完全理解自旋的意义，还要等狄拉克出场才行。 玻尔模型虽然取得了很大的成功，但它还不是一个系统化的理论，并且很难推广到多电子的情形。1923年，德布罗意提出了量子力学中的核心概念——物质波，德布罗意认为电子必须被描述为一种波动，并用驻波来解释量子力学中的定态。 物质波，或波粒二象性是量子力学中的核心概念，与之相关的物理实验，可分为两个系列。一个系列是光的粒子性，包括：黑体辐射（普朗克分布），光电效应，康普顿散射等。另一个系列是电子（或粒子）的波动性，包括：原子光谱，戴维逊-革末实验，中子衍射实验等。 戴维逊和革末，费曼的双缝实验也可以看做是戴维逊-革末实验的变种。区别是双缝实验是费曼出于教学和研究目的提出的一个理想实验，而革末实验是历史上真的被做过的实验。 既然电子是个波，那么就需要写出电子满足的波动方程。这个任务是薛定谔首先完成的，1926年薛定谔写出了著名的薛定谔方程，薛定谔方程就是一个偏微分方程，但薛定谔的这个方程并没有考虑狭义相对论。 在薛定谔之前的1925年，海森堡及其合作者，玻恩和约旦就已经完成了量子力学的第一个版本——矩阵力学，海森堡的思路是不从位置、轨道等经典物理概念出发，直接对实验观测到的各种跃迁几率幅写出方程，海森堡的工作最初是很晦涩的，但在玻恩等加入之后，物理意义变得逐渐清晰起来。 波动力学比较容易被初学者理解，矩阵力学适合做研究，应用的也更广。现在很多人说，玻恩是量子力学发展史中被低估的一个大师是有一定道理的。 1928年，狄拉克完成了相对论性量子力学（狄拉克方程），解释了自旋，并预言了反粒子（正电子）。狄拉克是量子力学的最终完成者。除了狄拉克方程，狄拉克δ函数，表象理论，正则量子化等都是量子力学中的核心概念。并且狄拉克的工作也是通向量子场论和费曼路劲积分的关键一步。 狄拉克是一个特别谦逊的物理学家，比如他曾盛赞一旦有了薛定谔方程，所有的材料和化学问题“原则上”都解决了，其实这句话用在他自己的狄拉克方程上才更贴切。 1932年，安德森在宇宙射线中发现了正电子，这是对狄拉克方程的直接验证。 在量子力学基本完成之后，物理学家又开始从“哲学”的意义上对量子力学进行反思。这里面最有价值的就是爱因斯坦的工作，爱因斯坦通过构造一个量子纠缠态，说明量子力学是一个不具有“局域实在性”的理论。 爱因斯坦本人是不喜欢这个结论的，后来玻姆等试图发展量子力学的隐变量理论，但这些替代性理论如何在实验上与正统的量子力学区分是个问题。1964年，贝尔提出了一个不等式，使得区分隐变量理论和正统理论成为可能。 1982年，Aspect通过实验检验了贝尔不等式，实验表明量子力学确实是非局域的，即爱因斯坦关于量子力学的个人偏好是错误的。 Aspect实验示意。 |
|
|
