关于量子力学建立中的创新思维的思考

杨丙灿，陈晓

（西藏大学，西藏 拉萨 850000）

0 引言

量子力学的建立，是物理学发展的里程碑，是科学家创新思维和艰苦卓绝的努力的共同成果，也是人类对于自然本质认识和探索的重大发现，其与人们生活的方方面面息息相关。那么，物理学家是怎么利用创新思维来建立量子力学的呢，我们从以下几个方面展开。量子论需要从黑体辐射的探究开始说起。19 世纪的物理学家，试图以热力学和电磁学的相关知识去探寻黑体辐射的理论解释，并以此前瞻性地提出了相关理论公式，虽然这些公式具有局限性，遇到了很多困境，但是却为经典物理学的基本理论提供了依据[1]。并且维恩公式的推导思路清晰，方法无误，所以可以肯定地说，这次失败，只是暴露出了物理学所要面临的重要困难。

1 普朗克能量子假说

维恩公式很难准确地说明黑体辐射存在的规律，让诸多物理同行开始关注并探究。19 世纪末的时候，普朗克以系统的黑体辐射理论研究，得到了新的辐射定律，并推出了相关公式[2]。20 世纪初又提出量子化假设，且其推导出的黑体辐射能量分布公式，一度成为物理学界史上的巨大变革。而随着量子论的诞生，量子论的创立者普朗克也因此荣获诺贝尔物理学奖的殊荣。

2 爱因斯坦的光量子假说

能量子假说轰动一时，成为物理学界实至名归的霸主。在物理学界纷纷准备重视普朗克的量子概念的时候，光量子假说后来居上，让量子论的观念在物理学界开始盛行。光量子假说的提出，是爱因斯坦研究黑体辐射的重要发现，以和普朗克不同的思路去研究两字概念。爱因斯坦认为光量子能量是客观实体，而普朗克认为能量子能量知识辅助公式导出的借用手段，并不具备实体意义。爱因斯坦认为能量在传播中、在物种作用中，是不连续的[3-4]。且光的传播，也可以被看成量子，符合能量量子化的本质，因此他才合理的利用光量子，解释了光电效应。这一思想完全超越普朗克，成为当时物理学界普遍认可的量子论。

3 玻尔理论

电子的发现，让原子内部结构展现在世人面前，早在20 世纪初的时候，卢瑟福的原子核模型就非常惹眼，但其中存在着很多不能解释的问题，而后，玻尔另辟蹊径，以量子论去分析原子结构，从中发现惊人现象，核外电子具备一定的排布特征，能量也是量子化的。这完美解释了卢瑟福原子模型中存在的问题。由此，玻尔理论引领物理学界的风向[5-6]。

4 量子力学的建立

玻尔理论也有自身的缺陷，比如氢原子光谱的无法解释，比如内在的不协调等等，这更进一步激发了物理学家们的兴趣。20 世纪初，德布罗意经过实践研究，将粒子和波的观念进行大综合，创造了物质波理论，这个理论在后来很快被电子衍射实验所论证，从此，量子力学的发展大幕被徐徐拉开。也可以说，物质波理论为量子学的建立坚定了坚实的基础。

4.1 矩阵力学的建立

海森堡提出的矩阵力学，最后由玻恩和约当等人共同完成。矩阵力学的建立，是物理学新时代的开始，也是量子物理新成就孕育的摇篮。海森堡之所以能提出矩阵力学，也是因为玻尔理论的影响，从玻尔孜孜不倦探索的精神中，海森堡感动于这种执着并继续探究玻尔理论。经过一系列的实验和研究，海森堡明确矩阵力学的基本思想，进一步确立了理论的普遍意义。于是在1925 年，他依据经典力学的研究方法——坐标法将对应原理的频率转为两字频率，从而实现了自己的研究目标[7-8]。刚开始，海森堡对自己的研究信心不是很足，于是找玻恩商量，在玻恩的建议下，他们利用矩阵方法，再结合严谨的数学表达，从对应原理当中，得出了动量与坐标的关系公式：

从此以后，矩阵力学经过长时间的发展，又被当时的物理学家纳入新的数学体系，形成完整的量子力学数学体系，因此，后来量子力学发展就有了强有力的理论基础和数学基础，那就是矩阵力学。

4.2 波动力学的建立

矩阵力学盛行的时代，波动力学也在悄悄酝酿自己的能量。受到德布罗意物质波理论的影响，薛定谔的工作方向发生了巨大的改变，原本专注于统计力学研究的他，因为发现了爱因斯坦的一篇论著，在著作中，爱因斯坦对德布罗意在在物理学上成就的高度评价深深刺激了对物理感兴趣的薛定谔[9]。他开始去认识和研究德布罗意的相关物理理论，并对其中理论解释做出了一定的贡献。同时，他又提出自己的新观点，那就是德布罗意理论不具普遍性，还需进一步发展，从这个方向出发，他的物理研究工作就开始了。

薛定谔认为，旧的量子理论是不满足于时代的，起初他想将德布罗意的自由粒子波，推广至术负离子的状况，但遇到很多阻碍，几经周折，他推出了薛定谔方程，并将德布罗意的假设带进方程，将普朗克的量子特性包含在内，以论文形式将研究成果发表出去。随即，在后来的论著中，薛定谔抓住光学和力学的相似性，借鉴前人几何光学的优点，建立了薛定谔方程，提出了波动力学的概念。

4.3 矩阵力学和波动力学的对立统一

矩阵力学和波动力学都得到了一定的发展，在微观过程中，两种形式差异却又同样有效的量子理论共同构成了量子力学。海森堡的矩阵力学，基本概念是粒子性。运用不能交换的代数防范，直接从分离的光线普着手研究，重点阐述的就是连续性。薛定谔提出的波动力学，基本概念就是波动性。运用的是微分方程，这种数学方式，从基本的运动规律入手，重在强调连续性，让人有这种形象化的观念。这两种看似对立的理念，却对没有相互否定[10]。尽管这两者在形式上差异很大，但是数学上的等价性和理论的内在联系，又让这两者殊途同归，所以，量子力学的建立其实是相对的、普遍的力学综合。

5 量子力学建立的争议

在量子力学建立之后，物理学家对其中概念和存在问题的理解，还处在持久的讨论和争辩当中。最有影响力的就是爱因斯坦和玻尔两人，他们争论的焦点，就是波函数物理诠释问题。玻尔为首的物理学派，阐述了量子力学的理论，因其在量子力学诠释史上的地位突出，所以基本上可以说是量子力学的正统诠释学派，但是却受到了爱因斯坦和薛定谔等人的强烈批评。1927 年，玻尔又针对这个问题提出了互补原理，更是受到爱因斯坦学派的全面围攻。因为爱因斯坦坚持的因果理念和分统计性理念，和玻尔的统计思想格格不入，所以针对此观点的问题争论无限延长。双方学派各持意见，互不相服，延续到如今，这个问题还没有具体的结论。

6 结语

量子力学的建立，是物理先辈们从一个细节、一个理论、一个思考中摸索和实践出来的，从量子论的建立，到矩阵力学和波动力学的提出，再到量子力学建立，整个过程，无一处不贯穿着物理学家的创新思维。在新时代的今天，当我们将量子力学引入天体、化学和生物学等等领域的时候，量子力学本身又在发生着革命性的创新。量子力学的建立过程中，物理学家为人们留下了很多创新思维的范例，这在应用型人才培养过程中是非常宝贵的经验，对学生创新思维和创新能力启发非常重要。