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明德讲堂M1014报道:量子力学是怎样建立起来的?

  • 图文/王吕婷
  • 创建时间: 2024-11-02
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        2024年10月30日,受中国科学院大学人文学院邀请,中国科学院物理研究所曹则贤研究员为国科大师生带来明德讲堂M1014期讲座。讲座在国科大雁栖湖校区教二楼206教室举行,主题为“量子力学是怎样创立的”,由中国科学院大学科协常务副秘书长吴宝俊博士主持。

        曹则贤教授以时间顺序,围绕建立量子力学的诸多科学家的学术成果,生动地向观众讲述了量子力学的创立史,深入浅出地展现了量子力学先驱冲破阻碍、取长补短、互帮互助,将量子力学建设成为近代物理的思想基础与开拓工具的过程。

主讲人曹则贤研究员

讲座现场

提问环节

        曹则贤研究员首先向量子力学创始人玻恩(Max Born)致敬,带领观众回顾了玻恩的生平事迹与学术贡献。

        此后,曹则贤研究员从以下4个阶段讲述了量子力学的创立史:

        第一,什么是Quantum和Mechanics? 曹则贤研究员首先回顾了Quantum的词源学,通过对拉丁语和意大利语的相关词汇的对比强调,Quantum只是拉丁语“how much”的中性形式,其本身并无过多含义。但是在中英德法四语种中,Quantum(量子)一词的词性并不固定。其后,曹则贤研究员对比了Mechanic与Mechanics,引出了“Mechanics”一词而揭示了Quantenmechanik,即Quantum Mechanics在1924年由玻恩提出的重要里程碑意义。

        第二,Quanta, Quant, Quantel和Quantum(1854-1900 AD)。在1854年,黎曼(Vernhard Riemann)第一次将量子(Quanta)用于科学,表明量子力学最终走入几何化。在1872年,玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)提出动能分立化假设,他将连续函数的积分改成差分形式去处理气体碰撞、气体热平衡问题,这标志着能量单元(Energieelement)假设进入物理,也具有“哲学的意义”。在1877年,能量单元0假设进入物理,研究者们认识到,如果包含0倍,即可以轻松得到玻尔兹曼分布;量子力学和经典力学的区别也在于,量子力学是统计力学,经典力学是测度恒为1的统计力学。得益于此前的发展,在1890-1900年,Quantum这个学术名词已经见诸多篇论文。在这样的学术环境下,普朗克整理出版了基尔霍夫和玻尔兹曼的著作,随后基于众人的论文著作提出了自己关于量子力学的想法。

        第三,Quantum theory时代(1900-1924 AD)。在1900-1901年,光能量量子概念开始出现。Clausius提出,对于一个孤立系统,熵是内能的凹函数。在1905年,由于爱因斯坦(Albert Einstein)利用辐射的基本能量单位假说,成功解释了光电效应,光具有能量单元这一认知被确定。此后,爱因斯坦假设了光量子具有动量。对于此,1926年,Gilbert N. Lewis提出了Photon一词。随后在1914年,第一本论量子论课本由James Jeans发表,从前不接受普朗克的理论的人们终于认识到,世界上的确存在量子论,需要接受量子论。不过,在普朗克于1900年提出ε=hν、爱因斯坦于1905年提出Ek,max=hν-φ,普朗克于1911年提出∬dqdp=h,薛定谔于(Schrödinger)1999年提出γ=h/(2π√-1)之后,量子论(Quantum theory)在这样的基础上诞生了:1924年6月13日,玻恩发表了“论量子力学”(Über Quantemechanik)。这一年便是德国的量子力学元年。

        第四,Quantummechanics时代(1924-1932 AD)。这个时期,“玻恩学派”与“量子力学”相互关联,不过,索末菲的学生们也做出了诸多贡献。朗德,索末菲的学生之一,在研究多电子耦合问题时引入了量子数(g-factor)的概念,而海森堡(Werner Heisenberg),索末菲的另一个学生,在人生首篇文章中引入了半量子数;泡利(Pauli)在1925年提出了不相容原理;最终Uhlenbeck和Goudsmid引入了自选的概念。在这个时期,也有一些年轻大学生做出了贡献。如Pascual Jordan,他是Richard Courant的助手,他基于David Hibert的论著与讲稿出版了《数学物理方程Ⅰ》(Methoden der mathematischen Physik Ⅰ)。在这本书中,一般数学物理教授尚不了解的matrix一词出现了46次。有趣的是,法国的物理学家对于量子力学元年的界定与德国学者不同,因为法国学者德布罗意(Luis de Broglie)在1923-1924年提出了物质波,即相波(onde de phase),于是1923年成为了法国的量子力学元年。

        最后,吴宝俊博士对本次讲座进行总结,曹则贤研究员对老师与同学们提出的问题进行了详细解答,本场讲座也在积极的交流中圆满结束。