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，联合国宣布今年为“量子科学与技术之年”。回溯历史，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启。Nature杂志近期发布了一篇回顾文章，详细讲述了量子力学在短短几个月内诞生的惊人历程。
量子力学诞生之前的物理学
100多年前，也就是20世纪初期，经典物理学还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）
这个模型通过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，成功解释了氢原子的光谱以及在外加电场或磁场存在时光谱线的分裂。但这个模型在处理氢分子以及具有多个电子的原子时遇到了问题。
海森堡与量子力学的诞生
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-索末菲模型在处理氢分子以及具有多个电子的原子时会遇到一系列问题。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。
沃纳·海森堡
1925年7月9日，海森堡写信给泡利：“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，海森堡撰写了《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”。
矩阵力学与波动力学之争
海森堡的论文发表后，玻恩和德国物理学家帕斯库尔·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，矩阵力学的帷幕缓缓拉开。
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，这使得新模型难以直接适用于几何可视化的解释。大多数物理学家也很难接受这种晦涩的数学。
狄拉克在讲授量子力学
1926年上半年，埃尔温·薛定谔发表了一系列开创性论文，提出了波动方程，把电子看作波，并在三维空间中有连续的电荷分布。海森堡认为波动力学不能解释大量的量子现象，包括光电效应和斯特恩-格拉赫效应。
量子力学的快速发展
1926年春天，矩阵力学和波动力学的等价性得到确立，引发了后续的一系列发展。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。
据统计，在1925～1927年的2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，现在已经成为量子力学的一个核心概念。
量子力学的争论与共识
量子力学相关的论文如潮水般涌现，让许多物理学家措手不及。到了1927年索尔维会议召开时，大多数物理学家认为量子力学已经暂时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，其基本物理和数学假设不再容易修改”。
但爱因斯坦、薛定谔等人仍然坚持认为量子力学存在严重问题。爱因斯坦在1927年11月给索末菲的信中写道：“量子力学”可能是一个正确的统计定律理论，但总的来说，它是对个别基本过程的不足理解。
随着时间发展，舆论潮流开始转向，最初的批评者迅速成为局外人。普遍共识是，至少在数学上，量子力学已经是最完整的了。大多数物理学家越发开始将理论应用于实践，被用来提供对化学键本质的基本洞察，解释原子核中放射性α衰变的过程，理解电子如何在晶体中自由移动，有效地解决了为什么金属能导电等问题。
正如犹太裔美国物理学家维克多·韦斯科普夫回忆的那样：“短短几年之内，几十年来被认为无法解决的问题——如分子键的本质、金属的结构以及原子的辐射——都得到了解释。”
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。
本文原文来自Nature，原文标题为《How quantum mechanics emerged in a few revolutionary months 100 years ago》