光量子理论

赫兹在1887年做的一个实验，他设计了了两个电路，一个是闭合的，一个是无电流、放旁边测试影响的。当闭合电路产生电流，测试的电路也产生反应。此外，又发现当光照射到测试电路金属上的时候，会从它的表面打出电子来。原本束缚在金属表面原子里的电子，当暴露在一定光线之下的时候，便纷纷窜出。这叫做“光电效应”。人们又发现光的频率越高（比如紫外线），打出的电子能量就越高，而频率低的光（比如红光、黄光）则一个电子也打不出来。

1905年3月18日，爱因斯坦在《物理学纪事》杂志上发表了一篇题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，他提出，根据E=hv的公式，如果提高频率v，单个量子的能量E也提高，于是光打出来的电子就更多。爱因斯坦写道：“根据这种假设，从一点所发出的光线在不断扩大的空间中的传播时，它的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限的，局限于空间中某个地点的能量子所组成的。这些能量子是不可分割的，它们只能整份地被吸收或发射。”组成光的能量的这种最小单位，爱因斯坦称为“光量子”。 1926年，美国物理学家刘易斯才把它换成了今天常用的名词，叫做“光子”。

爱因斯坦提出了光量子的假说，用来解释光电效应中无法用电磁理论说通的现象。1915年才真正引起人们的注意。美国人密立根想用实验来证实光量子图象是错误的，但是多次反复实验之后，他却发现，自己却证实了爱因斯坦方程的正确性。实验数据说明，在所有的情况下，光电现象都表现出量子化特征，就是能量被电子一份一份地吸收，而不是连续吸收。就象一个孩子吃面条，面条是一小段一小段进入他嘴巴，而不是象直线一样一直从碗里进入他嘴巴。

原子理论

1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。波尔发现观测到的氢原子的光谱线是量子化的，推测电子的轨道必定也是量子化的，他说电子在原子周围是通过占据轨道达到保持稳定的。以此发表了三篇论文：《论原子和分子的构造》，《单原子核体系》和《多原子核体系》。建立起了一个完整的原子理论体系。

至此，普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论形成了旧量子论。量子力学就是在这个基础上发展起来的。

量子力学的建立与发展

1923年，康普顿在研究X射线被自由电子散射时发现：散射出来的X射线分成两个部分，一部分和原来的入射射线波长相同，而另一部分却比原来的射线波长要长。他引入光量子的假设，把X射线看作能量为光子束的集合，发现那一部分波长变长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子不仅带有能量，还具有冲量，当它和电子相撞，便将自己的能量交换一部分给电子。如此就可以解释清晰了。

1924年，爱因斯坦与玻色证明光是不可区分的粒子的集合，从这个简单的假设出发，他一手推导出了普朗克的黑体公式。2001年，3位分别来自美国和德国的科学家因为以实验证实了这一现象而获得诺贝尔物理学奖。

1924年，德布罗意预言，电子束在穿过小孔时也会发生衍射现象，阐述了物质波理论。

1925年诺贝尔奖获者海森伯格不确定原则是量子论中最重要的原则之一。它指出，不可能同时精确地测量出粒子的动量和位置，量子理论跨越了牛顿力学中的死角。只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。同年，海森堡提出的矩阵力学理论。

1926年，奥地利物理学家薛定谔在《物理学纪事》上连续发表了6篇论文，就此宣布了量子力学的第二种形式——波动力学的诞生。在薛定谔的理论中，电子的运动状态由一个神秘的波函数来描述，它随时间的变化遵循一个连续的波动方程，这个方程后来被称为薛定谔方程，成为量子力学的基本方程。

1927年，德布罗意和革末通过实验精确地证明了电子的波动性。被镍块散射的电子，其行为和X射线衍射一模一样。人们发现，在某种情况下，电子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。同年，G.P.汤姆逊，在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。实验中得到的电子的衍射图案和X射线衍射图案相差无几，而数据也都和德布罗意的预言吻合，电子是一种波。他们一起获得了诺贝尔奖。

在一阵争论之后，冷静下来的薛定谔却发现，海森伯的矩阵力学和他的波动力学在数学上居然是等价的。此时，泡利也独立地发现了这种等价性。之后，狄拉克通过变换理论进一步把矩阵力学和波动力学统一起来。

玻尔提出“互补原理”，认为电子的波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为它的两面被纳入一个整体概念中。它连同波恩的概率解释，海森堡的不确定性，三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心，影响至今。这就是电子“波粒二象性”的研究。

1928年，诺贝尔奖获得者狄拉克解决了物质在高速运动时的量子理论。

1930年以后，量子理论很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的原理，为晶体管的出现奠定了基础。之后，量子理论在物理学、化学、半导体、微电子、芯片技术、生物学，医学等领域广泛的应用。

1932年，后来成为计算机之父的冯·诺依曼利用希尔伯特空间等数学工具，以更加明确的形式严格证明了矩阵力学和波动力学之间的数学等价性。

1944年，薛定谔在《生命是什么》一书中，试图把量子力学、热力学和生命科学的研究结合起来。

1948年，美国科学家约翰·巴丁、威兼·肖克利和瓦尔特·布拉顿根据量子理论发明了晶体管。获得了1956年的诺贝尔物理学奖。量子理论提供了精确一致地解决关于原子、激光、X射线、超导性以及其他无数方面问题的能力。同时为量子医学提供了理论基础。

1980年，核磁共振应用临床医学领域。

从此，人类开始迈入量子时代。量子力学理论不断得到印证，也不断得到创新：哥本哈根三大定律、多宇宙、隐变量、系综、自发定域理论、退相干历史、多精神解释、交易模型、量子线性叠加规则失效猜想……似乎都对，但是也都不完善。量子力学的实质就是研究微观世界原理的学科，很多研究的结论几乎都颠覆了宏观世界研究得出的结论。

在1999年，在剑桥牛顿研究所举行的一次量子计算会议上，物理学家希望能够对以上的理论作一个调查，看看那些理论比较受欢迎。这次是哥本哈根4票，修订过的运动学理论4票，玻姆2票，而多宇宙和多历史加起来得到了令人惊奇的30票。但更加令人惊奇的是，竟然有50票之多承认自己尚无法作出抉择。在宇宙学家和量子引力专家中，多宇宙理论受欢迎的程度要高一些，据统计有58%的人认为多宇宙理论是正确的理论，而只有18%明确地认为它不正确。

但是，一点也没有关系，量子力学的历史本身就是一部争议不断的历史，也是一部人类目前受用最广泛的学科。比如人们使用的MP3、电脑、微波炉、医院的体检仪器等，其实都是依赖量子力学制造出来的。所以，即使你不懂也可以快乐地享受它带来的好处。当你在电脑面前阅读我这本书的时候，其实你已经享受到了量子力学带来的舒适：你的电脑就是量子力学的基础上制造出来的。同样，在你要饿的时候，想煮点什么，打开微波炉的时候，量子力学又对你微笑了，微波炉也根据量子力学原理制造出来的！可以说，没有量子理论的发现和应用，就没有20世纪的科学技术和人类的现代生活。