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年是“量子科学与技术之年”，因为100年前的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。
图源：维基百科
1925年，量子力学在短短几个月内掀起了一场对物理学基本理解的惊人革命，其影响一直持续到今天。让我们跟随Nature杂志的最新文章，回顾这段激动人心的历史。
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。虽然这个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了问题。
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。他很快发现玻尔-索末菲模型在处理复杂原子时存在缺陷。经过苦思冥想，海森堡提出了一个激进的量子理论新核心——量子力学。
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）”。同年，他发表了《运动学和力学关系的量子力学重新诠释》这篇开创性论文。
矩阵力学与波动力学之争
海森堡的论文发表后，玻恩和约尔当意识到可以将海森堡方程中的量表示为矩阵，从而发展出了矩阵力学。然而，这种晦涩的数学形式让大多数物理学家难以接受。
1926年，薛定谔提出了波动方程，将电子视为波而不是粒子。虽然海森堡对波动力学持怀疑态度，但薛定谔的理论很快成为解决问题的首选数学形式。
量子力学的发展
1926年，科学家们发表了近200篇关于量子力学的文章。海森堡提出了不确定度关系，玻恩解释了波函数振幅的概率意义，狄拉克发展了变换理论。量子力学迅速应用于更广泛的实际问题，为许多领域提供了更深入的理解。
尽管量子力学的发展速度让许多物理学家感到措手不及，但到1927年，大多数物理学家认为量子力学已经达到了一个临时结论。海森堡和玻恩宣布量子力学是一个“完整的理论”。
争议与共识
爱因斯坦、薛定谔等科学家对量子力学持保留态度，认为它对个别基本过程的理解不足。但随着时间的推移，量子力学在数学上的完整性得到了普遍认可，科学家们开始将其应用于实践，解释了化学键的本质、金属导电性等重要问题。
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。