http://www.lyun.edu.cn/wulixi/jpkc/lzlx/documents/wangluoziyuan/130.pdf
按照十九世纪末期大多数人的看法，一个有重物体的内部自由度是一个有限的数；另一方面，电磁场是
连续的三维体，它的自由度是连续的无穷大。现在，当我们考虑电磁场和有重物质的相互作用时，特别是考
虑到二者的能量平衡时，我们就在自由度数方面遇到分立有限值和连续无限值的一种对立。只要有那么一
点点哪怕是极微弱的电磁场，假如能量均分原理还能成立，则当场和物体之间达成了能量平衡(热力学平
衡)时，有限自由度的物体能量都会被无限地均分到具有无限自由度的连续电磁场中，于是每一个物体的温
度都只能是绝对零度，而全部的能量都被吸收到了电磁场中去。这个从紫外灾难问题的深入分析中得出的
结论是，连续的电磁场和分立的质点体系在能量均分条件下达到热平衡时，必然破缺热力学第三定律。在
能量均分原理应当取得“胜利”的地方，事实上却存在着遮断阳光的“乌云”。与此相关的困难是，根据能量
均分原理给出的分子平均能量应当与根据比热所要求的分子平均能量接近，这就要求原子或分子充当基本
的质点，原子不能有更精细的结构；而按照光谱分析的理论，原子光谱不是连续的，而是分立
；而按照光谱分析的理论，原子光谱不是连续的，而是分立的，我们必须承
收稿日期：2003一O1—1O
作者简介：吴新忠。男。1968年生，武汉大学哲学学院博士生。
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42 武汉工程职业技术学院学报
认原子有结构；于是就出现原子核和电子的运动自由度为什么对固体比热没有贡献的问题。
量子理论的发展简史
郭靖东（2008213559）
（华中师范大学物理学院 湖北武汉 430079）
【摘要】量子理论是近代物理的重要组成部分，物理学发展的历史大致可以分作三个时期。前物理学时期、经典物理学时期和现代物理学时期。量子理论的发展曾引起物理思想上的巨大变革，它影响了很多重要学科。因此，对它的发展进行研究有特别重要的意义。我仅在此对量子力学的发展史做一些简要回顾，并且说明其带给我们的经验教训。
【关键词】量子理论；发展史；经验教训；经典力学与量子力学
1物理学史与物理学史分期
物理学原意是自然哲学、自然学， 内容包括宇宙万物， 涉及物理、化学、天文、地理、生物等。近代以来， 这一术语逐渐演进， 成为指研究自然界物质结构及其运动规律的学科术语。早期的物理学史研究， 大都处于整理材料的描述阶段， 因此很少对物理学本身的发展问题作出研究， 第二次世界大战以后， 物理学史研究进入了一个新的历史时期， 有不少物理学史学家开始在前人考证、整理材料的基础上， 探讨物理学历史的内部发展机制及物理学的哲学问题， 形成了物理学哲学这一研究领域， 历史分期问题也开始引起人们的注意。
日本科学史学家汤浅光朝在1955年对物理学史作了如下划分：
1638-1687年，伽利略新科学对话 ；
1687-1788年，牛顿自然哲学的数学原理 ；
1788-1864年，拉格朗日解析力学 ；
1864-1900年，麦克斯韦的电磁场理论；
1900-1942年，普朗克的量子论；
1942 以后，费米等原子能释放成功。
在1961年，日本学者菊池高提出以下分期方式：
早期(远古)-1550年因缺乏实验方法而没有值得提及的成果；
1550-1800年，力学体系完成， 发现光、热、电的许多实验事实；
1800-1890年，热学、电磁学形成；
1890-1930年，量子力学， 奠定近代物理学基础；
1930-以后，近代物理学应用时期。
苏联的多福曼在1974年对物理学史作了如下分期：
远古-16世纪，零散物理学说产生时期；
17-18世纪，物理学形成为科学时期；
1800-1912年，经典物理学时期；
1912 以后，量子论相对论时期。
2 量子论的起源及旧量子论
量子论起源于经典物理学体系中出现的反常的经验问题， 以及相伴随的概念问题，即黑体辐射，光电效应， 原子光谱， 原子稳定性， 比热等问题。例如一个大家所熟悉的现象?热辐射现象。人们本来以为根据已知的辐射和热力学定律就可以找到解释，但是Stefan、Boltzmannn、Rayleigh、Jeans、Wien等诸多研究者的努力都以失败告终。牛顿力学的粒子纲领和电磁学的场论纲领无法通过热力学， 统计力学的方式沟通和协调， 暴露了经典物理学的深刻危机， 是量子论革命的历史背景。
黑体辐射的研究是20 世纪物理学革命的第一个突破口。1900 年， 瑞利和琼斯根据能量均分原理计算出， 物体的所有能量都会被场吸收光没有极限! 这意味着: 如果物质和辐射振子按照经典观念是完全连续的， 物体分子和原子热运动的能量就会不断地跑到电磁场中去， 用来激发越来越高的频率的电磁辐射振荡， 从而使热平衡永远无法达到， 因为热平衡意味着需要无穷大的辐射能， 即紫外灾难。当然， 在场的低频处， 能量分布正如瑞利和琼斯所预言的那样。但是， 在预言到紫外灾难的高频处， 实际观察显示， 能量分布并没有无穷增加， 而是随着频率增加而下落。在给定的温度下， 能量分布的最大值发生在非常特别的频率处， 这就是高温物体中化学元素的特征光谱。瑞利和琼斯的黑体辐射定律， 既有紫外灾难这种严重的概念问题， 又不符合经验事实。另一个维恩公式在短波段与实验事实一致， 而在长波段有较大误差。而且在维恩公式的推导中， 引入了与经典电磁学不一致的假定。
1900 年普朗克采用了两条特设性的热力学假设， 推导出了跟实验吻合的黑体辐射能量-频率分布定律， 这就是普朗克定律， 它在高温时与瑞利-琼斯定律一致， 在低温时与维恩定律一致。这两条假设是:
一是量子假设， 即谐振子系统总能量是由有限个大小为E= hv的不可分解的能包所组成( v为谐振子频率， h为普朗克常数)
二是计数假设， 即计算谐振子的熵时， 把粒子视为全同粒子。普朗克对于黑体辐射问题的处置方法是成功的， 但存在着空腔经典电磁场的连续性与跟这场相互作用的谐振子能量的量子性之间的矛盾。爱因斯坦看到了这种不协调性， 建议把电磁场本身量子化； 在1905 年的论文中， 他把黑体辐射类比为理想光子气体系综， 研究了辐射的熵密度， 从中引申出光量子假说， 并理解了光电效应等物理现象。1913 年，玻尔提出的定态原子理论成功地说明了原子稳定性和氢原子光谱线规律， 并且大大加速了量子论的发展。
1905 年的论文中, 爱因斯坦把电磁场本身量子化，把黑体辐射类比为理想光子气体系综, 研究了辐射的熵密度, 从中引申出光量子假说, 并理解了光电效应等物理现象。
1913 年,玻尔提出的定态原子理论成功地说明了原子稳定性和氢原子光谱线规律, 并且大大加速了量子论的发展。
旧量子论是以电子运动的经典力学和与其不相容的量子假设的不自然的结合为基础的, 通向自洽的量子力学有两条路线。
3 量子力学的发展
旧量子论是以电子运动的经典力学和与其不相容的量子假设的不自然的结合为基础的, 通向新的量子力学有两条路线。
1923年德布罗意猜想实物粒子也具有波动性， 通过比较几何光学中的费马原理( 光沿最短路径传播) 和质点力学( 粒子运动遵守最小作用原理) 中的莫培督原理， 构造德布罗意的物质波理论， 其中波动频率对应于质量的相对论能量与普朗克常数之比， 波长ph=λ
1925 年海森伯， 玻恩， 约尔丹等不再把力学规律写成电子的位置和速度的方程， 而是写成电子轨道傅里叶展开式中的频率和振幅的方程， 找到同发射频率和强度相对应的那些量的关系， 建立了矩阵形式的量子力学， 量子力学量与经典力学量的不同之处是量子力学量是不可对易的。不久， 狄拉克在此基础上建立了量子泊松符号表示。
1926 年， 薛定谔从哈密顿-雅可比方程出发， 引入波函数， 作出几何光学经典力学与波动光学、波动力学的类比， 建立了波动力学。
代表人物：
泡利---提出不相容原理（1924年）
德布罗意---提出物质波（1923年）31岁
海森堡---提出矩阵力学（1925年）24岁
薛定谔---提出波动方程（1926年）39岁
狄拉克---非相对论量子力学（1926年）24岁
波恩---对波函数的物理诠释
波尔---互补性原理和对量子力学的诠释（1927年）
4 量子力学与牛顿力学
近代物理学涉及的学科领域众多， 包括相对论、量子力学、原子与原子核物理、固体物理、材料物理、粒子物理、天体物理等。面对众多的物理学分支学科， 近代物理学的基本内容是它的两大支柱---相对论和量子力学，正是因为有了相对论和量子力学，才导致了其他近代物理学分支学科的出现， 同时，相对论和量子力学也在这些物理学的分支学科得到了最根本的应用。经典物理学和近代物理学本来就是以相对论和量子力学的基本观念作为划分标准。 以牛顿绝对时空观和拉普拉斯决定论因果关系为基础， 能够在时空中给出直观而且实在的描述的物理学属于经典物理学； 以爱因斯坦相对论时空观念或统计性因果关系为基础的物理学则属于近代物理学。 近代物理学按其基本观念又可分成三大部分。 采用相对论时空观念，但保留时空中的直观描述和决定论因果关系的，称为相对论物理学；采用统计性因果关系和概率波的描述，但保留决定时空观念的， 称为非相对论性量子物理学； 既采用相对论时空观念又采用统计性因果关系和概率波描述的，称为相对论性量子物理学。
经典物理学是在宏观和低速领域物理经验的基础上建立起来的物理概念和理论体系，其基础是牛顿力学和麦克斯韦电磁学。 近代物理学则是在微观和高速领域物理经验的基础上建立起来的概念和理论体系，其基础是相对论和量子力学。在相对论和量子力学建立以后的当代物理学研究中，虽然大量的是近代物理学问题，但也有不少属于经典物理学问题，因此不能说，有了近代物理学就可抛弃经典物理学。狭义相对论修改了关于时间和空间的观念，在相对论建立之前关于时间和空间的观念， 是牛顿的绝对时空观念，认为时间与空间互相独立，各都具有绝对的含义，与物质和运动的情形无关。而在速度接近光速的高速领域，物理研究的经验表明，时间与空间互相联系，并不互相独立。它们作为统一的四维时空的不同侧面，与惯性参考系的选择有关，只有统一的四维时空，才具有与惯性参考系选择无关的绝对意义。这就是爱因斯坦狭义相对论的时空观念。量子力学的教学则应着重在对研究对象的
描述方式的根本性改变。 量子力学是物理学研究的经验扩充到微观领域的结果， 它修改了物理学中关于物理世界的描述以及物理规律的陈述的基本观念。
5 历史的经验教训
本来，瑞利与金斯的工作在客观上已不自觉地揭示了经典物理的基本思想与黑体辐射的能谱曲线之间的矛盾的性质。但是, 由于瑞利与金斯在思想上把经典物理看成是完整无缺的, 他们想到的只是如何保卫经典物理的权威性,根本没有揭示经典物理局限性的愿望。所以, 郎使矛盾已经暴露出来了, 还是无所认识, 郎使已跨入正确结论的大门, 也仍然不
敢进去。假若他们不是对经典物理十分过信, 具有在科学上革命的自觉性, 经典物理与黑体辐射之间的矛盾是不会在他们手上滑掉的, 也不难被彻底揭露并充分阐明。真是那样的话, 能量子的假设就不会在很长一段时间之内（1900-1905）没有什么反应, , 瑞利就不会始终对它冷淡、怀疑, 普朗克本人也不会几经犹豫、动摇而徘徊了十五年。
当旧理论在处理新的实验现象发生困难时, 我们不应千方百计为旧理论解脱, 满足于理论与实验事实表面上的一致, 而应该对它们之间的矛盾性质作出深刻的分析。假若这种矛盾属于技巧性的, 可以寻求改良计算或实验的方法, 在原有理论范围内予以解决。假若这种矛盾是原则性的,则应该大胆打破旧框框, 在一个新的高度上解决矛盾。
参考文献：
【1】黄小益、谢宁鲁. 《近代物理学与经典物理学》，湖南学院学报，2007年第28卷6期
【2】姜振寰. 《关于物理学史的分期》，哈尔滨工业大学学报，2006年第8卷1期
【3】张景勋. 《量子力学发展简史》，西北大学学报，1982年第4期
【4】关立言. 《量子力学发展史之浅见》，开封大学学报，1994年第一期
【5】吴新忠. 《量子力学发展史与量子力学曲率解释》，武汉工程职业技术学院学报，2003年第15卷3期
【6】钱时惕. 《对量子力学发展过程中若干历史事件的理解》，自然辩证法研究通讯，1966
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