量子力学的发展进程

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摘要

艾萨克·牛顿在1665年倡导的经典力学解决了太阳系的大部分问题，天地间几乎所有的力学现象都被简化为牛顿三定律与万有引力定律。后来，经典物理学似乎在麦克斯韦方程组中达到了顶峰。所以到19世纪末，牛顿的力学理论和麦克斯韦的电磁学理论似乎可以解决所有问题，以至于有些人认为，我们已经学到了物理学中的所有知识

科学家们很快意识到经典物理学存在一些重大缺陷，因为有些现象无法解释。例如，必须解释炽热发光体的颜色。众所周知，每个物体都会发出一些辐射。如果你进入一个房间并关掉灯，它将完全黑暗。但如果我有红外摄像头，我仍然可以在摄像头中看到你，因为你的身体会发出红外光。更热的物体发出更高能量的光，一个很好的例子是，如果您将一块金属加热到非常高的温度，首先它会变成红色，然后是黄色，最后是白色，因为它可以发出任何波长的可见光。

另一个只有量子力学才能解释的现象是：为什么电子在围绕原子核运行时不会失去所有能量？1911年，卢瑟福提出原子模型，其中电子围绕中心核旋转。但这出现了一个大问题，如果电子围绕原子核旋转，它的圆周运动意味着它在不断地加速。电子加速的问题在于，根据麦克斯韦定律，变化的电场意味着它必须发射光子。如果它释放光子，它必须失去能量，这意味着电子将不断失去其轨道能量，并最终撞击原子核。

但事实并非如此，因为原子存在，而且它通常是稳定的。这是怎么回事？尼尔斯·玻尔提出了一部分答案。在原子核周围的只允许特殊的轨道，电子根据它们的能量状态在固定的轨道上。当电子从一个轨道跳到另一个轨道时，才会发射或吸收光。这很重要，因为这意味着我们所理解的原子不能在经典物理学中形成。电子轨道必须被量子化，否则它们就不存在了。

量子力学方程

这个问题的严重性可以通过查看薛定谔方程来理解。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，应该同等对待空间和时间，才能形成与相对论时空相容的理论。如果我们看一下薛定谔方程，我们会注意到空间分量是二阶的，但时间分量是一阶。这个方程显然不是平等对待空间和时间！

几年后，保罗·狄拉克设法解决了这个问题。在他的方程中，空间部分和时间部分都是一阶的，所以它满足狭义相对论的要求。他提出的方程后来被称为狄拉克方程，这是第一个量子场论运动方程。这导致了所谓的二次量化，实际上这些方程所做的不是量化事物而是量化场，提出了量子场论。这是一个新的量子理论，它包含了量化的思想，同时尊重了爱因斯坦的狭义相对论，至今仍是对物理学最好的理解。