量子力学(一)发展历程

量子力学系列第一篇。

初期

1900年,为解决黑体辐射的紫外灾难,普朗克提出能量量子化。

1905年,为解释光电效应,爱因斯坦受能量量子启发,提出光量子 —— 光子的波粒二象性。

1913年,玻尔在氢原子模型引入轨道量子化,成功解释氢原子光谱。但他的理论并不本质,因此之后引发了德布罗意、波尔、薛定谔、海森堡的思考。

1923年,为了解释原子模型的整数现象,只能联想到波的干涉、共振。德布罗意又受爱因斯坦的猜想的启发,他觉得二象性有很重要的意义。他提出物质波:波射线与粒子路径一致;群速=粒子速度;波长与动量的关系。

进阶

1926年,薛定谔认为整数现象应和一定边界条件下的本征值有关,发表了《Quantisation as problem of proper values》的一组文章,开启了波动力学的先河(但这时并不知道ψ的含义)。

He wanted to identify the orbits as suitable modes of vibrations of a wave equation. In other words, he wanted to reproduce the energy levels of the hydrogen atom as the proper values (eigenvalues, in modern terminology) of a suitable wave equation.

他考虑一般粒子的经典哈密顿-雅可比方程,然后求解。

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1925年,解决原子谱线时,为了避开不可测量的半径,海森堡想到用一组跃迁元来表示一个物理量,波尔意识到它正是厄米矩阵。于是他们几个人发展出矩阵力学。

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尽管薛定谔和海森堡的基本假定、数学工具、总的意旨都不同,但是数学上是等价的。

数学体系

几年后,冯诺依曼提出了Hilbert空间的概念(是的不叫冯诺依曼空间),且他认为量子力学可以表述为可分Hilbert空间中的厄米算子,严格来说是自伴算子,的运算。根据Riesz-Fischer定理,可证 L^2(-\infty,+\infty) 空间和 \mathcal{l^2} 空间同构且等距(实际上任何可分无穷维Hilbert空间都等价),因此前两人的理论只是分别表述在了不同的空间。

至此,它可用来解释光谱现象(stark效应、塞曼效应)。

狄拉克将它推广,发现存在电子自旋。

注:量子力学的公理化体系:

1. 每个系统对应一个可分无穷维的复Hilbert空间H,其中一元素 \psi 完备的描述了系统的状态。物理中称他为态矢量/波函数。

2. 每个可观测量 \mathscr{A} 唯一的对应于一个H中的稠定的自伴算子A。

3. 若系统的态矢量为 \psi,则可观测量 \mathscr{A} 的观测期望值为 \langle \psi,A\psi\rangle .

4. 若一次观测后,对可观察量A的测量结果为 \lambda ,则测量之后系统的态 \psi' 应满足 A\psi'=\lambda\psi'

5. 态矢量A的时间演化方程由薛定谔方程决定。

参考资料

[1]《量子力学的哲学》雅默

[2] Introductory functional analysis with applications. Erwin Kreyszig.

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