量子力学100岁了：一场颠覆物理学的“速战速决”
量子力学100岁了：一场颠覆物理学的“速战速决”
2025年，联合国宣布为“量子科学与技术之年”，以纪念量子力学诞生100周年。1925年，德国物理学家海森堡发表了一篇名为《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》的论文，标志着量子力学现代时代的开始。短短几个月内，量子力学就掀起了对物理学基本理解的惊人革命，影响至今。
图源：维基百科
量子力学诞生之前
20世纪初期，经典物理学无法解释亚原子现象，于是开始引入量子概念。旧量子理论的核心是1910年代发展提出的玻尔-索末菲模型，由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔和德国物理学家阿诺德·索末菲提出。
玻尔（左图）和索末菲（右图）
该模型假设电子在原子核周围以椭圆轨道运动，并受到某些量子化条件的约束。虽然该模型成功解释了氢原子的光谱，但在处理氢分子以及具有多个电子的原子时遇到问题。
量子力学的诞生
1923年，海森堡加入德国哥廷根大学理论物理研究所，成为理论物理学家马克斯·玻恩的助手。海森堡发现，玻尔-索末菲模型在处理复杂原子时存在缺陷。1925年4月，海森堡提出了一个激进的量子理论新核心——量子力学。
沃纳·海森堡
海森堡决定发展一种创新理论，不再将电子视为沿连续轨迹移动的粒子。1925年7月9日，海森堡在给泡利的信中写道：“我所有看似糟糕的努力，都是为了彻底消灭‘轨道’这一概念——因为无论如何都无法观察到（相符现象）”。
海森堡很快撰写了《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》这篇论文，提出了“建立一个仅基于原则上可观测的量之间关系的理论量子力学基础”。然而，这种实用主义方法在当时也面临质疑。
矩阵力学还是波动力学？
海森堡的论文发表后，玻恩和约尔当意识到海森堡方程中的量可以表示为矩阵，于是他们用这些术语重新表述了理论，这就是矩阵力学。但新模型也有新bug，三位作者表示，新理论的一个缺点是电子的运动不能用空间和时间等熟悉的概念来描述。
1926年，薛定谔提出了波动方程，将电子看作波，并在三维空间中有连续的电荷分布。海森堡对波动力学的出现不以为然，认为它不能解释大量的量子现象。
狄拉克在讲授量子力学
百年间的发展
1926年春天，矩阵力学和波动力学的等价性得到确立。玻恩重新解释了薛定谔理论中波函数振幅的平方为粒子在碰撞后向特定方向散射的概率。狄拉克提出了变换理论，用概率振幅来描述量子态。
爱因斯坦
在1925～1927年间，科学家们大约发表了近200篇关于量子力学的文章。海森堡引入了“不确定度关系”这一概念，现在已成为量子力学的一个核心概念。
但量子力学的发展也引发了一些争议。爱因斯坦、薛定谔等人对量子力学的抗议，被一些人视为“对失去的经典物理天堂的怀旧”。随着时间发展，大多数物理学家开始将理论应用于实践，量子力学在数学上被认为是最完整的理论。
结语
量子力学的诞生和发展，不仅改变了物理学的面貌，也深刻影响了人类对自然界的认知。从化学键的本质到金属导电的原理，量子力学为我们提供了前所未有的解释能力。直至今日，关于量子理论物理解释的更深层次思考与问题，已经发展到倾向于在哲学思考层面引发议论与探讨。