世界现代后期科技史-第5章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
验证实的。
正如爱因斯坦在创立狭义相对论时，抛弃了无法用实验观测的绝对时间
一样，海森堡大胆地抛弃了电子轨道的概念。
他找到了一种特别的数学表达方法，即一种特殊的“乘法规则”来表示
微观领域的一些物理量。他认为，一个粒子的运动能够用两组量p和q来规
定，q组表示粒子的位置，p组表示粒子的动量，即粒子速度和质量的乘积。
按照海森堡的“乘法规则”，p和q相乘的结果pq与q和p相乘的结果qp
… Page 25…
不同。从一些初步的计算中，海森堡发现了成功的预兆。1925年，他撰写了
一篇重要论文《对于运动学和动力学关系的量子论解释》，这是矩阵力学的
第一篇论文。它首先等到了奥地利物理学家泡利（1900—1958）的肯定。海
森堡后来又把文章寄给玻恩，希望听到他的意见。
玻恩用了数天的时间，对海森堡的文章进行了深入的思索，发现他的“乘
法规则”就是半个多世纪以前英国数学家凯莱（1821—1895）创造的新奇算
法——矩阵算法。数学家们总是以一种神奇的直觉能力，预先创造出未来科
学所需要的数学。玻恩看出文章的重要性，希望找到一个合作者，一起从数
学的严密性上研究海森堡提出的矩阵问题，但是，当时懂得矩阵的人很少。
一个很偶然的机会，玻恩遇到了哥廷根大学数学系的助教约尔丹（1902
— ），年轻人毛遂自荐成了玻恩的助手。他们一起深入探讨了海森堡的思
想，从更严格的数学理论出发，研究了解决微观力学的问题，并合作完成了
论文《关于量子力学（Ⅰ）》。他们把坐标量q和动量p都用矩阵来表示，
从量子化条件出发，利用对应原理，得到p和q的对易关系：
h
Pq－qp = I
i
式中的I是单位矩阵。这个等式后来被称为“准确量子条件”。
不久，玻恩、约尔丹与海森堡三人合作，完成了论文 《关于量子力学
（Ⅱ）》，把海森堡的思想发展为系统的矩阵力学，全面地阐述了矩阵力学
的原理和方法，并从矩阵力学的观点，讨论了角动量、谱线强度和选择定则
等。后来，玻恩在美国数学家维纳的帮助下，把算符引进量子力学，他们的
工作已十分接近数月后由薛定谔提出的波动力学。
与此同时，英国物理学家狄拉克（1902— ）用一种新见解对海森堡理
论中的矩阵相乘的不可交换性进行了深入的独立的探索。他运用对应原理，
在经典力学中寻求类比，找到了一种比矩阵更方便、更普遍的数学方法——
“泊松括号”。这种数学方法是经典力学最有力的分析工具之一，是法国数
学物理学家泊松 （1781—1840）于1809年研究行星运动时创造的。狄拉克
把经典的泊松括号推广为量子泊松括号，并顺利地把经典力学方程改造为量
子力学方程。1925年11月，狄拉克发表了《量子力学的基本方程》，使矩
阵力学具有更严密、更精练的理论体系，并大大推进了量子力学的发展。
在海森堡完成矩阵力学第一篇文章之后两个月，泡利（1900—1958）便
成功地运用矩阵力学解决了氢原子的结构问题，得到了巴耳末公式，推导出
斯塔克效应。所谓斯塔克效应，是指强电场中原子发射的谱线在电场影响下
分裂成几条的现象。泡利还求出了旧量子论所不能解决的，处于交叉电场和
磁场中的氢原子光谱问题。泡利的工作是对海森堡矩阵力学的极大支持。
（3）薛定谔和波动力学
奥地利物理学家薛定谔，毕业于维也纳大学。他在分子运动论、统计物
理和连续介质物理学等方面进行过工作，擅长于解本征值问题。德布罗意把
… Page 26…
波同自由运动的粒子联系起来的思想得到爱因斯坦的赞许，引起了当时在瑞
士苏黎世大学工作的薛定谔的注意。但是，他不满足也不满意于当时关于物
质波的研究所取得的进展。
一次，他在一个讨论会上介绍德布罗意的物质波理论时，著 名荷兰物
理学家德拜 （1884—1966）提出了一个很自然又很有启示性的问题：电子如
果是波，那么，应该有相应的波动方程。薛定谔后来便为寻找物质波所满足
的方程作出了很大努力。
起初，他由相对论出发，给出了一个相对论性的波动方程，即后来的“克
莱因—高登方程”。但是，当把所得的方程用于分析氢原子时，他却发现理
论计算值和实验值不一致。这一挫折曾一度使薛定谔认为他采用的方法是错
误的。其实，他的探索途径是完全正确的，他得到的方程只能描述那些没有
自旋的粒子，而电子自旋的概念于1925年11月刚刚由瑞士籍奥地利物理学
家泡利提出，人们对它的意义还不甚了解，薛定谔也不可能在他的方程中考
虑这个问题。
后来，当薛定谔重新研究这个问题时发现，如果不考虑相对论效应，用
他的方法来重新处理氢原子问题，所得的结果在非相对论的近似上与实验事
实相符。1926年1月至6月，他以《作为本征值问题的量子化》为总标题，
连续发表了4篇论文，完成了波动力学的创立工作。
薛定谔自己认为，他的理论是德布罗意见解的一个自然扩展，也是哈密
顿发展的牛顿经典力学的自然扩展。在第二篇论文中，薛定谔介绍了利用哈
密顿的研究成果，通过类比得到波动方程的过程。哈密顿曾发现，几何光学
仅仅是波动光学的一种特殊情况，并指明如何由几何光学的特征方程过渡到
波动光学的微分方程，还指出了质点力学和几何光学之间的类似性。这启发
了薛定谔，他想，光既有粒子性，又有波动性，描述它的既有几何光学，又
有波动光学；物质粒子也具有波粒二重性，那么描述它则应该既有质点力
学，又有波动力学。质点力学与几何光学类似，那么波动力学则可能与波动
光学类似，而且正如几何光学是波动光学的特例一样，质点力学也可能是波
动力学的特例。按照哈密顿的理论，薛定谔得到了描述物质波的方程，即薛
定谔方程：
h2 2
… Page 27…
力学。深入考察表明，海森堡的见解来自哈密顿的质点动力学，薛定谔的见
解来自哈密顿的波动动力学；矩阵力学运用的是代数方法，出发点是粒子，
而波动力学运用的则是微分方程，出发点是波。
由于数学形式的不同和物理概念上的差异，矩阵力学和波动力学的创始
人都不喜欢对方的理论，甚至相互批评和排斥。但是，这两种力学在反映微
观粒子运动的规律方面却是同样有效，总是给出相同的结果，而且，它们都
是以原子光谱的实验事实为基础并吸收了玻尔分立能级的观点，都是以微观
粒子的波粒二重性为前提。因此，薛定谔考虑到，这两种理论可能存在而且
应该存在某种内在的联系。他认真地研究了矩阵力学，并在提出波动力学3
个月后，便令人信服地证明了，二者只有形式上的差异，实质上是完全等价
的。只要经过一个数学变换，便可以从一个理论过渡到另一个理论。与此同
时，泡利也独立完成了对两种理论等价性的证明。人们后来就把实质上是同
一理论的矩阵力学和波动力学通称为量子力学。
薛定谔的波动力学使用的是数学物理方程的形式，因此，比较熟悉这种
数学方法的物理学家们都倾向于使用或讲授这种理论。
（4）狄拉克与相对论性的量子力学
从德布罗意提出物质波到薛定谔证明了矩阵力学和波动力学的等价
性，量子力学已经基本创立并取得了令人满意的进展，但是，这一理论如果
不考虑相对论性，终不能算是一个好的理论。在微观世界，引力场的影响尚
可忽略，但要正确处理高速运动的粒子的问题，就必须考虑狭义相对论。由
前面给出的薛定谔方程可以看出，方程中对空间变量的微商是二次的，对时
间变量的微商则是一次的，显然，方程不具有洛伦兹协变性，也就不是相对
论性的。
1926年4月和9月，克莱因（1849—1925）和高登曾先后找到了所谓的
“克莱因—高登方程”。前面提到，薛定谔最初研究物质波时，就得到了这
一方程，但由于未考虑当时刚发现的自旋而不能与氢原子光谱的实验结果相
吻合，因此未发表其研究的工作。
狄拉克在此数月前，曾经利用他的新见解，在独立研究矩阵力学问题
时，轻轻扫去了横在海森堡、玻恩和约尔丹三个人面前的巨大障碍。现在，
当人们为克莱因—高登方程解决了相对论性问题而感到安慰时，他又在研究
后发现，除了不能描述有自旋的粒子（如电子）外，这个方程还存在一些严
重的理论问题，如导致负几率等。
于是，这位对相对论和量子力学都怀有极大兴趣的年青物理学家决心推
导出描述微观粒子的真正的相对论性方程。他先对薛定谔方程进行了一些改
造，使该方程对时间变量仍保持一次微商，而把对空间变量的微商由二次改
为一次，从而让方程具有时空对称性。在寻求解决办法的过程中，狄拉克发
现了一个描述电子自旋的泡利矩阵和电子动量的关系式，在这个式子的启发
下，又经过一翻苦思冥索，他把满足泡利电子自旋理论的两行两列矩阵，变
… Page 28…
为四行四列矩阵，并最终攻克了难关，找到了现在人们所熟知的相对论性的
狄拉克相对论波动方程。狄拉克当时高兴地说：“从此，有了一个新的波动
方程，它与量子力学的基本原理相一致，而且与狭义相对论的对称性要求相
符合，同时还证明，这一波动方程，自动给出了电子半量子数自旋，还给出
了电子所具有的磁矩。”
然而，狄拉克方程中包含了负能解，也就是说，在某些情况下，能量竟
是个负数，而如果存在没有下限的负能级，一个正常的原子就可以无限地向
更低能级跃迁，同时产生辐射，这样，原子结构的稳定性又成了问题。解决
这种困难的办法，要么修改方程，排除负能级，要么对负能级作出物理解释。
狄拉克考虑到，如果修改方程，将破坏相对论性的特征和理论的全部完美
性，他坚持采用后一种方法。经过一年多的艰苦探究，他提出了一种崭新的
真空图象的解决方案。后来，还预言了人们从未认识过的反物质——正电子
的存在。
1932年8月，美国物理学家安德逊（1905—）和他的助手在研究宇宙线
的云室照片中发现了这种新粒子。这是人类利用量子力学理论探索未知基本
粒子的过程中迈出的新的一步。
狄拉克的工作实现了量子论和相对论的统一，他的方程标志着量子力学
的最终建成。1930年，狄拉克出版了《量子力学原理》，对量子力学进行了
更为普遍的综合，是量子力学的集大成著作。
（5）几率波、测不准关系和互补原理
量子力学从一个全新的角度为人们提供了对自然界的认识和思维方
式。它虽然具备了严密的数学形式，并获得了充分的实验证实，但是，其中
的一系列基本概念与数学形式的物理意义却很令人费解。
在经典物理学所描述的宏观世界里，粒子和波是两个完全不同的概念，
有着明确的物理意义。作为描述微观世界运动规律的量子力学，其基本特征
是微观客体的波粒二象性和微观规律的统计性质。那么，量子力学中的波究
竟代表什么？如何获得波和粒子统一的合理解释？物理学家们各持不同看
法。包括薛定谔和德布罗意在内的很多人，早期都受到经典物理学的深刻影
响，薛定谔认为，波是实在的，粒子不过是波的密集处，即波包所在。德布
罗意最初持导航波观点，认为波与粒子的关系是粒子骑在波上随波而跑，后
来他认为，波本身就是粒子。他们的看法不久都被否定了，原因在于，这些
解释都没有摆脱传统的波和粒子概念。
1926年，受到玻尔和爱因斯坦思想的启发，玻恩提出了关于波函数的统
计解释。他认为，波函数在空间某一点的强度（振幅绝对值的平方），与在
该点找到粒子的几率成正比，量子力学意义下的物质波既不是机械波，也不
是电磁波，而是薛定谔理论的位形空间中的几率波。玻恩的这种解释很好地
统一了波粒二重性，并得到了理论和实验的支持以及物理学家们的公认。
1927年，海森堡反复思索了这样一个问题，量子力学理论是如何决定了
… Page 29…
我们所能观测到的东西的？思考的结果阐述在《关于量子论的运动学和力学
的直觉内容》一文中。在文章中，海森堡提出了著名的测不准关系，指出，
在宏观世界中可以用实验手段同时准确地测定物体的位置和动量，而在微观
世界中，人们却不可能用实验手段同时准确地测定微观粒子的位置和动量，
如果用△x表示测得粒子位置的不准确范围即误差，△p表示测得粒子动量
的不准确范围即误差，那么，它们之间有如下的关系：
△x·△p≥h
上式中h为普朗克常量。测不准关系表明，对粒子位置的准确测定则妨
碍对它的动量的精确了解。能量和时间之间也存在这种关系：
△E·△t≥h
测不准关系的重要意义之一是，划分了经典力学和量子力学的界限，即
给出了经典力学适用的范围。当普朗克常量h可以忽略不计时，意味着可同
时测准两个有关的量，波动力学则变为经典力学；当普朗克常量h不可忽略
时，则必须考虑波粒二重性，用量子力学方法处理问题。测不准关系对量子
力学的发展又作出了新的贡献。
测不准关系的提出，从根本上动摇了传统的因果论和决定论的概念。在
经典物理学的框架中，若已知一个体系在某一时刻的状态和作用于该体系的
所有外力，那么，根据经典物理提供的规律，便能推出该体系在以后任一时
刻的状态。然而，微观世界中的情形却大不一样了。正如海森堡在《物理学
及哲学》中所说的：“观测结果一般不能准确地预料到，能够预料的只是得
到某种观察结果的几率，而关于这种几率的陈述能够以重复多次的实验来加
以验证。几率函数不描述一个确定事件（即不象牛顿力学中那种正常的处理
方法），而是种种可能事件的整个系统，至少在观察的过程是如此。”量子
力学把微观世界建立在这种朦胧的不确定的关系上，使人们包括量子理论的
创始者都觉得难以接受。
