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量子力学发展史前期工作早在十九世纪末，经典的物理学基础已经被物理学家所建立。当时的力学方面有包含牛顿力学的分析力学，电磁方面有麦克斯韦方程组，热学方面热力学三大定律，物理学家们普遍存在着乐观的感觉，认为对于物理现象已经有了基本和全面的认识。然而在新世纪之初，W·汤姆逊即开尔文爵士在一次“十九世纪的乌云笼罩这热和光的动力学理论”[1]的报告却引起了整个物理理论的变革。首先便是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[2]。接着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[3]。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[4]。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年提出了物质波这一概念[5]。认为一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。德布罗意的物质波方程：Ehw=，/hpλ=，其中/2hhπ=，可以由得到2/2Epm=/2hmλ=E。在这些基础之上，真正的量子力学体系开始建立。量子理论的建立在德布罗意提出微观粒子的波粒二象性以前，物理学家就认识到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不能够在利用经典的电动力学了。但是当微观现象过渡到宏观时这种型的运动规律应该可以近似到宏观的规律。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，力学量用算符表示。纯粹的波函数和算符没有实际意义，算符必须作用到波函数。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[6]。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）一般不能同时被准确测定，例如当粒子的坐标固定时他的动量则完全不确定，同时测量它们最小的误差之积大于等于/2ih，即/2xpih???≥。这就是1927年，海森伯得出的测不准关系[7]，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。第一个提出完整的量子力学理论的，是德国物理学家海森堡。1925年初夏，海森堡从哥本哈根回到格丁根，开始考虑放弃电子轨道的经典图像，直接从光谱频率和谱线强度这些可由实验观测的量入手，从而避免了那些虽然直观但却观察不到的轨道的概念。7月初，函授班完成了“从量子理论重新解释运动学和力学的关系”的论文。在这片文章中他提出了一个原则，即新的量子力学中，应该在可以观测的量之间建立量子力学体系。他在理论中设计的计算规则，即现在为大家所熟悉的矩阵理论，然而在当时却不被许多物理学家了解。在玻恩和其学生约尔丹的帮助下，海森堡完成了“关于量子力学”的第二篇基础性文章。然而薛定谔的工作却为物理学家们提供了很大的方便，由于其数学形式的简单而受到很到工作者的欢迎。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[8]。诠释与完善量子力学的理论体系虽然建立起来了，然而对它的诠释却又成了问题，当时的物理学家不知道为什么会有这些东西的产生。就拿波动力学来说，波动方程中的波函数的物理意义究竟是什么。起初德布罗意和薛定谔都认为自己对量子理论能够给出直观解释，薛定谔认为波函数模的平方是电荷的密度，但后来发现这一想法是错误的。他之所以这样认为，适应为他将旧量子论的顶台看作一种连续运动的特征波。直到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[3]。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。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。我有信心这会实现。量子力学的建立大事年表[9]地心说最初由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里士多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的轨道上绕地球运转。其中，行星的运动要比太阳、月球复杂些：行星在本轮上运动，而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球、行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球恒星天。再外面，是推动天体运动的原动天。地心说是世界上第一个行星体系模型。尽管它把地球当作宇宙中心是错误的，然而它的历史功绩不应抹杀。哥白尼提出的“日心说”，有力地打破了长期以来居于宗教统治地位的“地心说”，实现了天文学的根本变革。近代史1661年，自然哲学家罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》（TheScepticalChemist）一书，他认为物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的，而并不是由诸如气、土、火、水等基本元素构成。恩格斯认为，波义耳是最早把化学确立为科学的化学家[4]。1789年，法国贵族，拉瓦锡定义了原子一词，从此，原子就用来表示化学变化中的最小的单位。道尔顿在《化学哲学新体系》中描述的原子1803年，英语教师及自然哲学家约翰·道尔顿（JohnDalton）用原子的概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应，即倍比定律（lawofmultipleproportions）；也解释了为什么某些气体比另外一些更容易溶于水。他提出每一种元素只包含唯一一种原子，而这些原子相互结合起来就形成了化合物。1827年，英国植物学家罗伯特·布朗（BotanistRobertBrown)在使用显微镜观察水面上灰尘的时候，发现它们进行着不规则运动，进一步证明了微粒学说。后来，这一现象被称为为布朗运动。1877年，德绍尔克思（J.Desaulx）提出布朗运动是由于水分子的热运动而导致的。1897年，在关于阴极射线的工作中，物理学家约瑟夫·汤姆生（J.J.Thomsom）发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。汤姆生认为电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。这也叫做葡萄干蛋糕模型(枣核模型）。1905年，爱因斯坦提出了第一个数学分析的方法，证明了德绍尔克思的猜想。1909年，在物理学家欧内斯特·卢瑟福(ErnestRutherford)的指导下，菲利普·伦纳德（P.E.A.Lenard）用氦离子轰击金箔。发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值。卢瑟福根据这个金铂实验的结果指出：原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时，就会被大角度的反射。这就是原子核的核式结构。1913年，在进行有关对放射性衰变产物的实验中，放射化学家弗雷德里克·索迪（FrederickSoddy）发现对于元素周期表中的每个位置，往往存在不只一种质量数的原子。玛格丽特·陶德创造了同位素一词，来表示同一种元素中不同种类的原子。在进行关于离子气体的研究过程中，汤姆生发明了一种新技术，可以用来分离不同的同位素，最终导致了稳定同位素的发现[5]；同年，物理学家尼尔斯·玻尔（NielsBohr）重新省视了卢瑟福的模型，并将其与普朗克及爱因斯坦的量子化思想联系起来，他认为电子应该位于原子内确定的轨道之中，并且能够在不同轨道之间跃迁，而不是像先前认为那样可以自由的向内或向外移动。电子在这些固定轨道间跃迁时，必须吸收或者释放特定的能量。这种电子跃迁的理论能够很好的解释氢原子光谱中存在的固定位置的线条[6]，并将普朗克常数与氢原子光谱的里德伯常量取得了联系。1916年，德国化学家柯塞尔（Kossel）在考察大量事实后得出结论：任何元素的原子都要使最外层满足8电子稳定结构[7]。路易士发现化学键的本质就是两个原子间电子的相互作用1919年，物理学家卢瑟福在α粒子（氦原子核）轰击氮原子的实验中发现质子[8]。弗朗西斯·威廉·阿斯顿（FrancisWilliamAston）使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数，这被称为整数规则。美国化学家欧文·朗缪尔提出原子中的电子以某种性质相互连接或者说相互聚集。一组电子占有一个特定的电子层。1923年，美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯（G.N.Lewis）发展了柯赛尔的理论，提出共价键的电子对理论[7]。路易斯假设：在分子中来自于一个原子的一个电子与另一个原子的一个电子以“电子对”的形式形成原子间的化学键。这在当时是一个有悖于正统理论的假设，因为库仑定律表明，两个电子间是相互排斥的，但路易斯这种设想很快就为化学界所接受，并导致原子间电子自旋相反假设的提出[9]。1926年，薛定谔（ErwinSchrödinger）使用路易斯·德布罗意（LouisdeBroglie）于1924年提出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维波形。但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值。沃纳·海森堡（WernerHeisenberg）提出了著名的测不准原理。这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想像，但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域（电子云）[10]。质谱的发明使得科学家可以直接测量原子的准确质量。该设备通过使用一个磁体来弯曲一束离子，而偏转量取决于原子的质荷比。弗朗西斯·阿斯顿使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数，这被称为整数规则。1930年，科学家发现，α射线轰击铍-9时，会产生一种电中性，拥有极强穿透力的射线，最初，这被认为是γ射线。1932年，约里奥·居里夫妇发现，这种射线能从石蜡中打出质子；同年，卢瑟福的学生詹姆斯·查得威克（JamesChadwick）认定这就是中子[8]，而同位素则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。1950年，随着粒子加速器及粒子探测器的发展，科学家们可以研究高能粒子间的碰撞。他们发现中子和质子是强子的一种，由更小的夸克微粒构成。核物理的标准模型也随之发展，能够成功的在亚原子水平解释整个原子核以及亚原子粒子之间