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首先在量子力学产生前经典物理学已经取得了很大成功，甚至有的科学家宣称今后物理学的进步将体现为越来越精确的实验测量，而不再会有像牛顿力学那样的理论突破。

具体地说当时有了三大力学：

可见，在19世纪末人们熟知的几种物理现象已经全部被物理学家解释了，物理学要再向前发展，除非要有全新的物理现象被发现才有可能。或者在某个物理实验中，我们需要同时用到三大力学中的两个（或两个以上），看是否能够自洽地解释这个实验。

X射线的发现之所以重要，是因为当时人们认为这是一种全新的物理现象。我们现在知道X射线其实就是波长极短的光，正因为波长极短，我们可以用X射线看到尺寸极小——原子大小——的物质结构。换句话说X射线的发现确实给我们打开了通往全新物理现象的大门。类似的，放射性的发现，也是不同于运动学，热现象，电现象，磁现象和光学的全新物理现象。这些新物理现象的解释都需要我们有超出经典物理学的理论体系，具体说就是量子力学和相对论。

随着技术的进步，物理学家能够做的实验越来越精密，比如光谱实验能够非常精确地测量原子光谱，原子光谱是一系列分立的谱线，解释光谱现象，首先就要解释谱线的位置。这是一道“综合题”，需要我们同时用到经典力学和经典电磁学的知识。但当时的物理学家发现使用“经典力学+经典电磁学”无法解释分立的原子光谱。

类似的，黑体辐射是一道“经典电磁学+经典统计物理”的综合题，但普朗克发现除非引入“量子化”概念，否则无法解释黑体辐射谱。

原子光谱和黑体辐射是最经常被提到的两个实验，按照排列组合，还应该有“经典力学+经典统计物理”的实验，这就是所谓太阳寿命问题，当时的科学家已经知道太阳有几十亿年的寿命，是什么能量机制使得太阳能持续不断地发射出光成了一个困难的问题，这个问题的最终解答需要用到量子隧穿的概念。

除了以上实验现象，当时还有很多物理难题是在经典物理学框架内无法解决的，比如分子比热问题，电子热导问题和固体比热问题等。

总之，量子力学的产生是建立在技术进步和经典物理学成熟的基础上的，正是因为经典物理学的建立与成熟使得人们可能去做更精巧、更新颖的物理实验，当物理学家无法用经典物理解释这些实验现象的时候，就说明经典物理学还有待发展。

当时的物理学家普遍相信“绝对不会错”的真理，由于经典物理学的伟大成功，他们相信经典物理学是真理的一部分，这导致当时的物理学家都不敢做革命性的猜想，这使得量子力学的诞生颇费了一番波折，到海森堡、薛定谔和狄拉克的时代（1930年代初）才最终完成。

量子力学出现之后，新一代物理学家的胆子都大起来了，不怕做颠覆性的猜想，时刻准备做下一个爱因斯坦，但迄今为止量子力学并没有被颠覆，她仍然是我们认识世界的基础。

物理思维

量子力学的产生背景，是由于十九世纪末产生的一些新的物理现象，这些新的物理现象是经典物理理论所无法解释的。比较重要的新物理现象是，黑体辐射、光电效应、原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等现象。

下面主要说说黑体辐射现象，是怎样使普朗克引进了量子概念的。

黑体辐射问题，所研究的是辐射与周围物体处于平衡状态时的能量分布。一般而言，所有物体都会发射出热辐射，这种辐射是一定波长范围内的电磁波。对于外来的辐射，物体有反射和吸收作用。如果一个物体能够全部吸收而不反射投射于其上的辐射就称为绝对黑体（简称黑体）。在解决黑体辐射问题时，维恩由热力学的讨论得出的公式，只在辐射频率较高（波长较短）时与实验相符合，而在频率较低时与实验不符；瑞利与金斯根据经典电动力学得出的公式，则只在辐射频率较低（波长较大）时与实验符合，而在频率较高时与实验不符。这导致经典物理理论在解释黑体辐射现象上遇到了困难。

为了解决黑体辐射问题，普朗克与1900年引进了量子概念。为了推导出与实验结果相符合的黑体辐射公式，普朗克把黑体看作是由带电的谐振子所组成的，并假设这些谐振子的能量不能连续变化，只能采取一些分立值，它们是最小能量ε的整数倍；这些分立的能量值称为谐振子的能级。显然，这样的假设是与经典物理相抵触的，因为根据经典物理，振子可能具有的能量不应受任何限制；而普朗克正是在经典物理理论中引进了这样一个假设后，才得出了黑体辐射的正确公式。

所以，一般公认普朗克为解决黑体辐射问题而引进了量子概念，是量子力学产生的开端。此后，为了解决光电效应问题，爱因斯坦引进了光量子概念，并以新概念为基础解决了光电效应问题，因此也被公认为量子力学的创始人之一。

经济相对论580

「原子的结构是怎样的？」在确立了原子论之后，人们一直想要回答这个问题。

1911年，英国物理学家卢瑟福认为，原子的结构如同一个星系，中间是原子核，带有正电；而周围是电子，带有负电。电子绕着原子核运动，靠离心力维持轨道。

看起来很有道理是不是？

然而这个模型有一个巨大的缺陷：它不稳定。

根据电动力学，带电物质在速度发生改变的时候，会向外辐射电磁波，从而损失自身的能量。在卢瑟福的模型中，电子每时每刻都在改变自己的方向，从而会向外辐射电磁波，损失自身的速度，最终会落入原子核中。

这样的结构当然是不稳定的，而现实中的原子又是极为稳定的。

从而，玻尔提出了轨道量子化理论。认为并非所有轨道都可以存在，只有那些角动量是一个特定值的整数倍的轨道才可以存在。玻尔的工作解决了原子核不稳定的问题，也解决了氢原子光谱离散的问题。

后面的发展，则要靠黑体辐射。所谓黑体辐射，就是在研究物体因自身温度而产生额辐射。我们看到的太阳光、烧红的铁块发出的光，都是黑体辐射。以前，人们觉得能量是连续的，那时人们很难理解黑体辐射，要么在红外波段与实验不符；要么在紫外波段与实验不符。然后，普朗克出现了，他提出能量是分立的，建立了普朗克黑体辐射模型，完美的解决了问题。

至此，科学界才真正重视「分立的能量」这个概念。这也也是后来量子力学发展的前奏。

章彦博

答：量子力学的背景，要从光的发展史说起。

在《圣经》中有这么一段话。

神说：要有光，就有了光！

这样的一句简单语言，就把光的来源问题解决了，然而，古希腊人并不怎么认为。

他们觉得，光应该向水流那样，从人的眼睛里射出来，然后我们才看到东西，这样的解释有局限性。

一直到了毕达哥拉斯时代，才有了一个正确的解释，说光是由光源发出来，碰上物体再进入人的眼睛，这样我们就看见了物体。

这个解释已经很接近事实了，但其中一些问题，还是无法解释，例如光有速度吗？光有温度吗？光有大小吗？

这样，在长期的争论当中，出现了两中理论：

光的波动说：光如波那样，从一个地方传播到另外一个地方。

光的粒子说：光由很多很多光粒子组成，光源就如一个发射器，源源不断地发射光粒子。

两种理论都能解释一些光的现象，但是也都有局限性。

比如波动学说无法解释光在真空中能传播的事实，而粒子学说很容易解释。

比如粒子学说解释不了两束光相遇互不影响的问题，而波动学说却能解释。

波动学说为了克服困境，假设了一种特殊媒介——以太，这是一种无处不在，看不见摸不着的非物质媒介，也就是光传播的媒介。

两种学说，彼此抗衡，谁也说服不了说，直到17世纪，大科学家牛顿公开支持粒子学说，试问谁敢反对这位光学的开拓者。

牛顿利用粒子学说，解释了光的折射和光的颜色问题，有了牛顿这位伟人，粒子学说力压波动学说，在长达一百多年里，粒子学说都占上风。

可是三十年河东，三十年河西。

1817年，托马斯·杨发现了光的双缝干涉现象，第二年菲涅尔提出了光的波动学理论，把当时已知的所有光学现象都包涵在内，没有哪一个是波动学说解释不了的，看来粒子学说要倒霉了！

但是粒子学说的支持者不甘心，其中就有著名数学家泊松，为了给波动学致命一击，他根据菲涅尔的理论，推算出光照到一个不透明的圆板上，会出现一个亮斑，而然谁都没有见到过这么荒谬的现象，于是泊松以为给粒子说学扳回一局。

然而，好景不常，波动学说用实验证实了泊松的实验中确实存在一个亮斑，这不过是光的衍射而已。

真是“机关算尽太聪明，反算了卿卿性命”。

泊松算是搬起石头砸了自己脚，不但没有驳倒波动学说，反而把粒子学说置于尴尬之地。

不久，波动学说证实了光在水中的速度低于空气中的速度，这一现象和粒子学说的预言正好相反，从而粒子说学被打入了十八层地狱，谁也不敢再提起。

当麦克斯韦完成了电磁学的统一后，光波已经成为正统，粒子学说被打入了十八层地狱的地下室，基本没了复活的可能。

从此，粒子学说死了！

但是，革命需要伟人，粒子学说或许只是暂时的休眠，等待着一个人来唤醒它。

麦克斯韦去世后不久，人们发现一个有趣的现象，让波动学无法解释，叫做——紫外灾变，二十世纪的两朵乌云之一。

普朗克是波动学的支持者，为了解释紫外灾变，他发狂般地去拼凑符合实验的公式，最终他得到了正确的公式，完全是偶然的发现，他不理解公式所表达的意思，但是公式就和实验曲线精确地一致。

为了寻求这个公式的解释，他又废寝忘食地思考，最终发现，如果把光看作一捆一捆的能量，就能得到他拼凑出来的公式，他把这叫做量子，但是他不相信这样的事实。

直到1905年，瑞士伯尔尼专利局的一位默默无闻的员工，在《物理学杂志》第十七期发表了三篇文章，其中一篇就解释了光电效应，文章中，作者大胆地把光看作一个一个的粒子。

这简直就是逆天改命，粒子学说已经死了几十年，谁那么大胆，敢在波动学的天下，大言复辟粒子学说！！！

他就是——艾尔伯特·爱因斯坦，另外一篇文章就是狭义相对论。

爱因斯坦以非凡的智慧，唤醒了光的粒子学说，一风起激起千层浪，粒子学说以迅雷不及掩耳之势，迅速扳回了胜利，因为粒子学说有了一个强大的武器——量子力学。

至此，在爱因斯坦，普朗克和波尔等人的努力下，量子力学成了正统。

直到几十年后，薛定谔、德布罗意等人，提出波粒二象性，波动学说才得以立足一方。

至于光到底是粒子？还是波？

科学家只能心里苦啊，试问，又有多少人能理解其中的辛酸！

这，就是量子力学的背景！

好啦！我的答案就到这里，喜欢我们答案的读者朋友，记得点击关注我们——艾伯史密斯！

艾伯史密斯

在了解它的具体意义之前，不妨先了解一个事实：正是这个假定，推翻了自牛顿以来200多年，曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界。这个假定以及它所衍生出的意义，彻底改变了自古以来人们对世界的最根本的认识。极盛一时的帝国，在这句话面前轰然土崩瓦解，倒坍得是如此干干净净，就像爱伦·坡笔下厄舍家那间不祥的庄园。好，回到我们的正文中来。能量不是连续不断的，这有什么了不起呢？很了不起。因为它和有史以来一切物理学家的观念截然相反（可能某些伪科学家除外，呵呵）。自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后，一切自然的过程就都被当成是连续不间断的。普朗克开启了“不连续”的量子世界。

参考书目《上帝掷骰子吗？——量子力学史话》

沈大哥

卢瑟福提出原子结构的行星模型。

1911年卢瑟福提出了核式结构模型：原子的中心，存在一个很小的“核”，它集中了全部的正电荷和几乎全部的质量，核的大小远小于整个原子，电子在核外边绕核运动。这种情况类似于“行星”，所以这种模型也称为”行星”模型。

卢瑟福模型中的电子轨道运动，维护了原子的正负电性，维持了原子之间的相对运动，解决了一些问题。 但是，也存在不足。

按照经典电动力学,当带电粒子有加速度时,就会辐射;电子轨道半径会连续缩小，最终电子会落到原子核上,造成原子坍塌；但原子并未坍塌。而且经典理论认为，原子光谱，是电子运动发射出来的电磁波，它频率等于辐射运动的频率。由于轨道缩小，其运动频率变化，光谱应是变化的；但实际上原子光谱是十分稳定的。

玻尔的原子理论

玻尔（1885~1962）丹麦人，是原子物理学的奠基人。他是一位卓越的科学研究工作的领导和组织者，1921年创建了哥本哈根理论物理研究所，并逐渐在物理学界形成了举世闻名的“哥本哈根学派”。他在研究量子运动时，提出了一整套新观点，建立了原子的量子论，首次打开了人类认识原子结构的大门，为近代物理研究开辟了道路。1922年获诺贝尔物理学奖。

玻尔早年爱好运动，和弟弟都是狂热的足球运动员，曾经效力过哥本哈根AB队，玻尔弟弟曾经入选丹麦国家队，参加过1908年奥运会并且随队获得了亚军。

玻尔（N.Bohr）受到巴耳末公式启发后，基于卢瑟福原子模型，原子光谱的实验规律以及普朗克的量子化概念，1913年发表文章公布了玻尔氢原子的三步理论。

1)经典轨道加定态条件；量子化的轨道,量子化能量；

玻尔认为，氢原子中的一个电子绕原子核作圆周运动(经典轨道)，服从一个硬性的规定：电子只能处于一些分立的轨道上，它只能在这些轨道上绕核转动，且不产生电磁辐射。这就是玻尔的定态条件。

按照玻尔定态理论，电子只可能在一系列不连续的轨道上，即电子轨道的半径为R=r,4r,9r……n2r.取一系列不连续的数值，称为轨道量子化。

由于电子只能处于分立的轨道上，即r 是有间隔的，不同的r 对应不同的能量，那么能量也是不连续的，这种情况叫能量量子化。

2)定态轨道之间的转化，跃迁的频率条件；

玻尔假定：当电子从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道时，会以电磁波的形式放出(或吸收) 能量hn（即光子能量E），其值由能级差决定。这就是玻尔提出的频率条件，又称辐射条件。

3)原子的内部另一个量子化，角动量量子化。

为了得到电子运动的轨道半径，玻尔利用对应原理巧妙地电子的微观运动和宏观表现联系起来解决问题。

玻尔理论和实验的符合:

玻尔理论在解释氢原子光谱和类氢离子光谱等方面获得了令人信服的成功。

• 氢原子光谱对玻尔理论进行了最好的实验验证，实验证明了理论的正确性。

• 类氢离子光谱实验, 理论指导实验取得成功，实验反而进一步证实了玻尔理论的正确性。

  He＋光谱由英国物理学家埃万斯证实，爱因斯坦称玻尔理论为“伟大的发现”。

• 1914年夫兰克-赫兹用实验证明了玻尔原子理论的正确性。由于这一实验夫兰克和赫兹荣获1925年的诺贝尔物理学奖。

光的波粒二象性

光的波粒二象性是1905年爱因斯坦提出的，用来解释光电效应，光的这种波粒二象性通过美国实验物理学家密立根的光电效应实验和康普顿的康普顿效应实验得到了验证。

除了光子这样静止质量为零的粒子，其他的实物粒子如电子，中子，质子这些是否也能具有波动性呢？

法国王子弃文从理，提出物质波理论

在1924年，来自于的法国的王子，德布罗意在他的博士论文中提出了令人震惊的想法：一切实物粒子都和光一样，具有波粒二象性。

路易德布罗意出身于法国的贵族家庭，祖父做过首相，家族世袭公爵，身处上流社会，标准的高富帅。

德布罗意早先跟随家族的私人教师学习政治历史和哲学，从小就被当做政治家培养。路易在巴黎大学学习中世纪历史，后来受哥哥莫里斯的影响，对新兴的原子物理课题产生了浓厚的兴趣，转行攻读物理学。

物质波理论 - 毕业论文斩获诺奖的重要工作

德布罗意之前，人们对自然界的认识，只局限于两种基本的物质类型：实物和场。前者由原子、电子等粒子构成，光则属于后者。但是，许多实验结果之间出现了难以解释的矛盾。物理学家们相信，这些表面上的矛盾，势必有其深刻的根源。

在物理学家为光的波粒两象性感到十分迷惑的时候，德布罗意在爱因斯坦光量子的基础上提出了物质波的概念。

德布罗意假设 ：“任何物体伴随以波，而且不可能将物体的运动和波的传播分开”；实物粒子也具有二象性，但实物粒子的动量等于mv，同实物粒子联系着的波应该具有波长，我们看到下面公式其实还是沿用了爱因斯坦的光子动量公式。

微观粒子和光子一样，在一定的条件下显示出波 动性。具有一定能量E和一定动量p的自由粒子，相当于具有一定频率v和一定波长的平面波。与实物粒子相应的波称为德布罗意波或物质波。

这是一篇大胆的论文，德布罗意继承并大力发展了爱因斯坦的光量子理论，并把他推广到一切实物粒子，万物都具有物质波。

在此之前，没有人观测到过微观粒子的波动性。德布罗意的博士论文答辩之前，郎之万把它寄送给爱因斯坦，爱因斯坦非凡的洞察力，使他立刻了解到物质波的重要意思，对德布罗意的理论给予高度的赞扬。对于其他参加博士答辩的评委来讲，有了爱因斯坦的评价，这篇博士论文当然就是杰出之作了。后来德布罗意因此论文的工作在1929年获诺贝尔物理学奖 ，表彰他这位物质波理论的创立者 。

物质波理论的实验验证 - 电子的波动性。

德布罗意提出物质波粒二象性后，很快就有实验物理学家通过实验证实电子具有波动性。

美国贝尔实验室的戴维孙和革末在了解到德布罗意物质波的概念后，按照上面的思想做了电子在单晶上的衍射实验，并取得了成功。在1927年他们较精确地进行了物质波衍射的实验，发表了较准确的测量结果，证实了德布罗意波的设想。

同时汤姆孙(G.P.Thomson)也完成了类似的电子衍射实验，这些实验完全证实了德布罗意的假设，实物粒子都具有波粒二象性的观点，开启了量子力学的新纪元。

补充：有人要问，电子这些具有波动性，那么我们周围的宏观物体，人，车子，这些具有波动性吗？

事实上一切物质的德布罗意波都存在，通过物质波公式可以计算，对于宏观物体，得出的结果是波长极小，远远小于人类能够观测的极限。所以一般物理学中谈论的物质波都是针对亚原子层面的微观粒子。

从玻尔提出原子量子论，到1921年创建了哥本哈根理论物理研究所，并逐渐在物理学界形成了举世闻名的“哥本哈根学派”，发展出了完整的量子力学理论。

玻尔和爱因斯坦关于量子力学完备性的几次大论战，更是令我们吃瓜群众喜闻乐道。

量子实验室，欢迎评论和关注。

量子实验室

主要是对光的研究过程中，产生了量子力学。你可以去看看量子力学科普书籍《见微知著》写的很详细。

關鍵字: 量子力学 科学 物理