研究性学习报告 量子力学发展史

研究性学习报告 量子力学发展史

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量子相干助力光合作用
光合作用是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。这个过程对于生物界的几乎所有生物来说都是至关重要、不可或缺的，因此，光合作用历来也是科学家们关注的焦点。
研究人员一直怀疑，在光合作用内发生着一些非同寻常的事情。自从上世纪30年代开始，科学家们就已经认识到，这个过程必须由量子力学来描述。量子力学认为，诸如电子等粒子常常表现出波一样的行动。击中一个天线分子的光子会激起一波一波带能量的粒子——应激子，就像石头落入池塘会激起波纹一样。这些应激子接着会从一个分子“旅行”到另一个分子，直到到达反应中心，但是，它们的“旅行”路径是由随机的、未受指导的跳跃组成还是其行动更富有组织性？很多现代科学家已经指出，这些应激子可能是相干的，它们的波纹会延展到多个分子那儿，然而，与此同时，它们也会保持同步并且互相加强。
科学家们因此得出了一个很简单的结论：相干量子波同时能以两种或多种状态存在，因此，具有相干性的应激子一次能以两种或多种路径穿越天线分子组成的“森林”。事实上，它们能同时探测到多个可能的选择，并自动选择最有效的方式到达反应中心。
四年前，两个科研团队在美国加州大学伯克利分校的化学家格拉汉姆·弗莱明的领导下试图获得能支持这种假设的实验证据。其中一个团队使用一系列极短的激光脉冲来探测绿色硫细菌的光合作用器官。尽管科学家们不得不使用固态氮将样本冷却到77K（-196摄氏度），但激光中探测到的数据清晰地显示出了相干应激态存在的证据。第二个团队以紫细菌为研究对象进行了同样的实验，并在180K（-93摄氏度）下操作时，发现了同样的量子相干性。

 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。

    1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。

    1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。

    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。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。

    在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质，即既具有粒子性也具有波动性。这一假说不久就为实验所证实。

    由于观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。当粒子的大小由微观过渡到宏观时，它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学

量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的，被称为薛定谔方程。

当微观粒子处于某一状态时，它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年，海森伯得出的测不准关系，同时玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。

量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯和泡利等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论，它构成了描述基本粒子现象的理论基础。

量子力学是在旧量子论建立之后发展建立起来的。旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。由于旧量子论不能令人满意，人们在寻找微观领域的规律时，从两条不同的道路建立了量子力学。

1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学；1926年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性；狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式，海森堡还提出了测不准原理。

1926年，苏黎世大学的奥地利物理学家薛定谔发展了另一种形式的量子力学—波动力学。1925年10月，薛定谔得到了一份德布罗意的关于物质波的博士论文，从中受到启发。将电子的运动看作是波动的结果，其运动的方程应该是波动方程，方程决定着电子的波动属性。1926年薛定谔连续发表了4片关于量子力学的论文，标志着波动力学的建立。薛定谔的理论一提出来就受到物理学奖的普遍关注和赞赏

虽然海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学出发点不同，从不同的思想发展而来，但它们解决同一问题是得到的结果确实一样的。两种体系的等价性也由薛定谔等人所证明，当然更高层次的证明是由英国物理学家狄拉克进行的，这将在后面有所涉及。

由于海森堡和薛定谔在量子力学建立开创性的工作，他们分别获得了1932年、1933年的诺贝尔物理学奖。

1926年，玻恩把薛定谔的波动方程用于量子力学的散射过程，从而提出了波函数的统计解释，量子力学才真正从一大堆的假设中找到了科学道理。玻恩认为只有薛定谔的那种形式才能对非周期性的现象给出简单的描述。经过充分的研究后，玻恩指出薛定谔的波函数是一种概率的振幅，它的模的平方对应于侧到的电子的概率的分布这个解释的确给我们一个清晰的图像，在电子衍射时，后面的屏上电子的分布确实是电子的波函数叠加的结果，电子射到某点的概率完全可以计算出来。实验的结果与理论符合的很好。

量子力学到此可以说是基本的框架已经建立，后面还有很多需要完善的地方。狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式；希尔伯特在1927年4月发表的一片文章中，将狄拉克和约尔丹观念表述的更为清楚；海森堡在1927，又提出了微观现象的测不准原理；1929年海森堡和泡利提出相对论性量子场论等。

到现在量子力学理论已经相当丰富，然而完善工作还在由世界各地的理论物理学家们继续进行着。在将来，或许会有更好的理论代替量子理论，这需要我们以后的理论工作进一步辛勤无私的奉献。