文档介绍：量子力学和物质波
摘  要:量子力学是20世纪最成功的理论之一,物质波是量子力学从建立到完成过程中起决定性作用的概念之一。本文从量子力学的建立和发展过程出发,对量子力学与物质波的关系给出了论证:量子力学的建立过程就是对物质波的认识过程;量子力学的框架就是围绕粒子的波动性(波函数)来完成的;量子力学的含义就是给物质波一个物理解释。文章最后作者根据自己的观点给出了解决“量子物理论战”的一条可能途径。
关键词:量子力学;物质波;波粒二象性
1 引言
量子力学是关于微观粒子运动的一门科学,其核心内容是描述微观粒子的波粒二象性——微观粒子的运动规律类似于波的运动;而微观粒子在被一些实验手段测量时又体现经典粒子的性质,如,具有动量、质量、电荷——这看似矛盾的性质被统一于物质波的概念中。虽然我们对量子力学仍有疑问,但是它的成功已经被无数实验确认,而且数学证明它也是自洽的,它自身的内部体系已经变得几乎无懈可击;所以我们要有所突破只能从外部,从它的假设入手。我想,最有可能突破的就是它的统计解释,也就是量子力学的主要任务——描述物质波。当然这一切需要实验的支持。由此可见物质波对于量子力学的意义。本文将从量子力学的建立、体系、含义和物质波三方面论述二者的关系;并且为解决“量子物理论战”问题做了尝试。为了论述方便,本文提到的很多实验仅仅是给出了结论性描述,如果需要详细的资料可以查阅本文的参考资料。
2 量子力学的建立与物质波
量子力学是20世纪最成功的物理理论之一,熟悉它的建立过程对我们更好的理解量子力学会有很大的帮助。我们将会看到,量子力学的建立过程就是对物质波的认识过程。
1900年12月14日,在德国物理学会的一次会议上,普朗克宣读了他的论文《正常光谱的能量分布理论》。这篇开始几乎没人注意的文章因为使用内插法引入了普朗克常数h,漂亮的解决了20世纪物理学上空的两朵乌云中之一----黑体辐射的问题,从而开创了物理学的新纪元。人们也就把这篇文章发表的日期看作量子物理学的诞辰。这篇论文的功绩在于普朗克常数h的引入表明了黑体空腔壁中起辐射作用的电子的能量是量子化的。
1905年,爱因斯坦以勒纳总结出的光电效应性质作为光是粒子的依据,在普朗克的基础上注意到辐射在发射和吸收时所表现的粒子性,在《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》中提出光量子假说:能量在和物质相互作用时,不是连续的,而是集中在光量子上,光量子的能量:
                              (1)
这个假说成功的解释了光电效应。密立根是这样评价光电效应的:“它把普朗克通过研究黑体辐射而发现的量h物质化了,并且使我们完全相信,普朗克的著作所依据的主要物理概念是同现实相符的。[2]”
1914年,密立根用实验完全确认了爱因斯坦的光量子理论。1923年,康普顿的X射线散射实验证实了辐射的粒子性;在康普顿的“X射线在轻元素上的散射的量子理论”中写道:“这个实验非常令人信服的指出,辐射量子确实既带有能量,也带有定向的动量。”
至此能量的量子化观念就完全建立起来了。需要说明的是,普朗克、爱因斯坦等人的关于能量量子化的工作虽然与物质波没有直接联系,但是确实为物质波的提出提供了很好的启示。