.量子学理论2.相对论3.DNA结构

　　1.马克斯·普朗克（MaxPlanck）提出量子概念100多年了,在他关于热辐射的经典论文中,普朗克假定振动系统的总能量不能连续改变,而是以不连续的能量子形式从一个值跳到另一个值.能量子的概念太激进了,普朗克后来将它搁置下来.随后,爱因斯坦在1905年（这一年对他来说是非凡的一年）认识到光量子化的潜在意义.不过量子的观念太离奇了,后来几乎没有根本性的进展.现代量子理论的创立则是崭新的一代物理学家花了20多年时间建立的.

　　量子物理实际上包含两个方面.一个是原子层次的物质理论：量子力学,正是它我们才能理解和操纵物质世界；另一个是量子场论,它在科学中起到一个完全不同的作用.

　　旧量子论

　　量子革命的导火线不是对物质的研究,而是辐射问题.具体的挑战是理解黑体（即某种热的物体）辐射的光谱.烤过火的人都很熟悉这样一种现象：热的物体发光,越热发出的光越明亮.光谱的范围很广,当温度升高时,光谱的峰值从红线向黄线移动,然后又向蓝线移动（这些不是我们能直接看见的）.

　　结合热力学和电磁学的概念似乎可以对光谱的形状作出解释,不过所有的尝试均以失败告终.然而,普朗克假定振动电子辐射的光的能量是量子化的,从而得到一个表达式,与实验符合得相当完美.但是他也充分认识到,理论本身是很荒唐的,就像他后来所说的那样：“量子化只不过是一个走投无路的做法”.

　　普朗克将他的量子假设应用到辐射体表面振子的能量上,如果没有新秀阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）,量子物理恐怕要至此结束.1905年,他毫不犹豫的断定：如果振子的能量是量子化的,那么产生光的电磁场的能量也应该是量子化的.尽管麦克斯韦理论以及一个多世纪的权威性实验都表明光具有波动性,爱因斯坦的理论还是蕴含了光的粒子性行为.随后十多年的光电效应实验显示仅当光的能量到达一些离散的量值时才能被吸收,这些能量就像是被一个个粒子携带着一样.光的波粒二象性取决于你观察问题的着眼点,这是始终贯穿于量子物理且令人头痛的实例之一,它成为接下来20年中理论上的难题.

　　辐射难题促成了通往量子理论的第一步,物质悖论则促成了第二步.众所周知,原子包含正负两种电荷的粒子,异号电荷相互吸引.根据电磁理论,正负电荷彼此将螺旋式的靠近,辐射出光谱范围宽广的光,直到原子坍塌为止.

　　接着,又是一个新秀尼尔斯·玻尔（NielsBohr）迈出了决定性的一步.1913年,玻尔提出了一个激进的假设：原子中的电子只能处于包含基态在内的定态上,电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量,同时辐射出一定波长的光,光的波长取决于定态之间的能量差.结合已知的定律和这一离奇的假设,玻尔扫清了原子稳定性的问题.玻尔的理论充满了矛盾,但是为氢原子光谱提供了定量的描述.他认识到他的模型的成功之处和缺陷.凭借惊人的预见力,他聚集了一批物理学家创立了新的物理学.一代年轻的物理学家花了12年时间终于实现了他的梦想.

　　开始时,发展玻尔量子论（习惯上称为旧量子论）的尝试遭受了一次又一次的失败.接着一系列的进展完全改变了思想的进程.

　　量子力学史

　　1923年路易·德布罗意（LouisdeBroglie）在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的.他将粒子的波长和动量联系起来：动量越大,波长越短.这是一个引人入胜的想法,但没有人知道粒子的波动性意味着什么,也不知道它与原子结构有何联系.然而德布罗意的假设是一个重要的前奏,很多事情就要发生了.

　　1924年夏天,出现了又一个前奏.萨地扬德拉·N·玻色（SatyendraN.Bose）提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律.他把光看作一种无（静）质量的粒子（现称为光子）组成的气体,这种气体不遵循经典的玻耳兹曼统计规律,而遵循一种建立在粒子不可区分的性质（即全同性）上的一种新的统计理论.爱因斯坦立即将玻色的推理应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规律,即著名的玻色-爱因斯坦分布.然而,在通常情况下新老理论将预测到原子气体相同的行为.爱因斯坦在这方面再无兴趣,因此这些结果也被搁置了10多年.然而,它的关键思想——粒子的全同性,是极其重要的.

　　突然,一系列事件纷至沓来,最后导致一场科学革命.从1925年元月到1928年元月：

　　·沃尔夫刚·泡利（WolfgangPauli）提出了不相容原理,为周期表奠定了理论基础.

　　·韦纳·海森堡（WernerHeisenberg）、马克斯·玻恩（MaxBorn）和帕斯库尔·约当（PascualJordan）提出了量子力学的第一个版本,矩阵力学.人们终于放弃了通过系统的方法整理可观察的光谱线来理解原子中电子的运动这一历史目标.

　　·埃尔温·薛定谔（ErwinSchrodinger）提出了量子力学的第二种形式,波动力学.在波动力学中,体系的状态用薛定谔方程的解——波函数来描述.矩阵力学和波动力学貌似矛盾,实质上是等价的.

　　·电子被证明遵循一种新的统计规律,费米-狄拉克统计.人们进一步认识到所有的粒子要么遵循费米-狄拉克统计,要么遵循玻色-爱因斯坦统计,这两类粒子的基本属性很不相同.

　　·海森堡阐明测不准原理.

　　·保尔·A·M·狄拉克（PaulA.M.Dirac）提出了相对论性的波动方程用来描述电子,解释了电子的自旋并且预测了反物质.

　　·狄拉克提出电磁场的量子描述,建立了量子场论的基础.

　　·玻尔提出互补原理（一个哲学原理）,试图解释量子理论中一些明显的矛盾,特别是波粒二象性.

　　量子理论的主要创立者都是年轻人.1925年,泡利25岁,海森堡和恩里克·费米（EnricoFermi）24岁,狄拉克和约当23岁.薛定谔是一个大器晚成者,36岁.玻恩和玻尔年龄稍大一些,值得一提的是他们的贡献大多是阐释性的.爱因斯坦的反应反衬出量子力学这一智力成果深刻而激进的属性：他拒绝自己发明的导致量子理论的许多关键的观念,他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他对理论物理的最后一项贡献,也是对物理学的最后一项重要贡献.

　　创立量子力学需要新一代物理学家并不令人惊讶,开尔文爵士在祝贺玻尔1913年关于氢原子的论文的一封书信中表述了其中的原因.他说,玻尔的论文中有很多真理是他所不能理解的.开尔文认为基本的新物理学必将出自无拘无束的头脑.

　　1928年,革命结束,量子力学的基础本质上已经建立好了.后来,AbrahamPais以轶事的方式记录了这场以狂热的节奏发生的革命.其中有一段是这样的：1925年,SamuelGoudsmit和GeorgeUhlenbeck就提出了电子自旋的概念,玻尔对此深表怀疑.10月玻尔乘火车前往荷兰的莱顿参加亨德里克·A·洛伦兹（HendrikA.Lorentz）的50岁生日庆