論經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的關(guān)系

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1、論經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)的聯(lián)系徐華兵華中師范大學(xué)物理學(xué)院06級物理學(xué)基地班摘要：經(jīng)典力學(xué)描述宏觀物體的運(yùn)動規(guī)律，一旦物體初始坐標(biāo)和初始動量確定了，以后任一時刻物體的坐標(biāo)和動量也將確定即運(yùn)動狀態(tài)確定了；然而當(dāng)這一理論延伸到微觀粒子時發(fā)現(xiàn)無法解釋微觀粒子運(yùn)動規(guī)律，新的理論量子力學(xué)很好解決了微觀粒子運(yùn)動問題，深刻揭示出了微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律，引入波函數(shù)來描述微觀粒子的狀態(tài)，并且精確描述粒子出現(xiàn)在空間各點(diǎn)的概率，反映出一種概率波物理理論。這兩大理論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)體系。關(guān)鍵詞：經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)不確定關(guān)系波粒二象性如果要評選物理學(xué)發(fā)展史上最偉大的那些年代，那么有兩個時期是一定

2、會入選的：17世紀(jì)末和20世紀(jì)初。前者以牛頓《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的出版為標(biāo)志，宣告了現(xiàn)代經(jīng)典物理學(xué)的正式創(chuàng)立；而后者則為我們帶來了相對論和量子論，并最徹底地推翻和重建了整個物理學(xué)體系。這兩大理論相繼出現(xiàn)是時代發(fā)展的產(chǎn)物，它們共同影響著人類的生活和物質(zhì)世界。下面我具體談下經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)間的關(guān)系：經(jīng)典力學(xué)：經(jīng)典力學(xué)的基本定律是牛頓運(yùn)動定律和與牛頓定律有關(guān)且等價的其他力學(xué)原理，它是20世紀(jì)以前的力學(xué)，并且有兩個基本假定：其一是假定時間和空間是絕對的，長度和時間間隔的測量與觀測者的運(yùn)動無關(guān)，物質(zhì)間相互作用的傳遞是瞬時到達(dá)的；其二是一切可觀測的物理量在原則上可以無限精

3、確地加以測定。20世紀(jì)以來，由于物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)的局限性暴露出來。如第一個假定，實(shí)際上只適用于與光速相比低速運(yùn)動的情況。在高速運(yùn)動情況下，時間和長度不能再認(rèn)為與觀測者的運(yùn)動無關(guān)，這產(chǎn)生了后來的相對論。第二個假定只適用于宏觀物體，在微觀系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)有的物理量不能同時被精確測定即后來的不確定關(guān)系，也就是量子力學(xué)中力學(xué)量的特征。就這樣，經(jīng)過牛頓的精心構(gòu)造和后人的著意雕飾，到了十八世紀(jì)初期，經(jīng)典力學(xué)這一宏偉建筑巍然矗立，無論外部造型之雅致，還是內(nèi)藏珍品之精美，在當(dāng)時的科學(xué)建筑群中都是無與倫比的。它正確地反映了弱引力情況下、低速宏觀物體運(yùn)動的客觀規(guī)律，使人類對物質(zhì)運(yùn)動

4、的認(rèn)識大大地向前跨進(jìn)了一步，它指引著人類社會生活的發(fā)展，且它揭示的物體運(yùn)動規(guī)律讓人們很能理解、接受。很快到了19世紀(jì)末正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就而高興的時候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個接一個地發(fā)現(xiàn)了。德國物理學(xué)家維恩通過對黑體輻射能譜的測量發(fā)現(xiàn)的熱輻射定理，這個定律用經(jīng)典物理理論是無法解釋的。德國物理學(xué)家普朗克為了解釋黑體輻射能譜提出了一個大膽的假設(shè)：在黑體輻射的產(chǎn)生與吸收過程中能量是以hV為最小單位，一份一份交換的。這個能量量子化的假設(shè)不僅強(qiáng)調(diào)了黑體輻射能量的不連續(xù)性，而且與黑體輻射能量和頻率無關(guān)由振幅確定的基本概念直接相矛盾，無法納入任何一個經(jīng)典范疇

5、。這一大膽假設(shè)的提出標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生，一個新興理論的出現(xiàn)。量子力學(xué)：著名科學(xué)家愛因斯坦經(jīng)過認(rèn)真思考普朗克提出的新興理論，于1905年提出了光量子說。認(rèn)為光是粒子流，和頻率為V的光對應(yīng)的每個粒子的能量為hv，它是光的結(jié)構(gòu)單元，稱為光量子或光子。1916年美國物理學(xué)家密立根發(fā)表了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了愛因斯坦的光量子說。但這同時又出現(xiàn)了一個與經(jīng)典物理相違背的問題，麥克斯韋提出光是電磁波，并且被赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了。既然這兩種理論都被實(shí)驗(yàn)證實(shí)是正確的，所以一個事實(shí)使人們不得不接受：光具有波粒二象性，這一開創(chuàng)性理論的提出標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生。1913年丹麥物理學(xué)家玻爾為

6、解決盧瑟福原子行星模型的不穩(wěn)定，提出定態(tài)假設(shè)：原子中的電子并不像行星一樣可在任意經(jīng)典力學(xué)的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定軌道的作用量角動量必須為h的整數(shù)倍（角動量量子化），即角動量L＝nh，n稱之為量子數(shù)。玻爾又提出原子發(fā)光過程不是經(jīng)典輻射，是電子在不同的穩(wěn)定軌道態(tài)之間的不連續(xù)的躍遷過程，光的頻率由軌道態(tài)之間的能量差由hV確定，即頻率法則。這樣，玻爾原子理論以它簡單明晰的圖像解釋了氫原子分立光譜線。同樣這一理論也是有悖于經(jīng)典力學(xué)的，但是卻很好的解釋了實(shí)驗(yàn)事實(shí)在一定程度上發(fā)展了量子力學(xué)。1924年，法國物理學(xué)家德布羅意提出了表達(dá)波粒二象性的愛因斯坦———德布羅意關(guān)系：E＝hV，p

7、＝h／入，將表征粒子性的物理量能量、動量與表征波性的頻率、波長通過一個常數(shù)h而聯(lián)系起來，并且明確指出任何物體都具有波粒二象性。這一理論更是公然挑戰(zhàn)經(jīng)典力學(xué)，然而這一大膽假設(shè)也被戴維遜—革末電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這更堅(jiān)定了量子力學(xué)的正確性。當(dāng)然上面出現(xiàn)的一些觀點(diǎn)都是一些零碎的觀點(diǎn)與完整的理論體系還有很大的距離。要建立一個完整的理論體系還要經(jīng)歷一個漫長的過程，在這一過程中眾多物理學(xué)家提出了很多假說和很多新穎觀點(diǎn)。其中以波恩的微觀粒子的運(yùn)動用波函數(shù)來描述、薛定諤的“波動理論”和海森堡的“矩陣力學(xué)”而著稱。還有這其中波爾提出的不相容原理從哲學(xué)的觀點(diǎn)進(jìn)一步充分肯定了量子力學(xué)理論

8、的正確性。