关于量子力学的基本原理

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关于量子力学的基本原理

文章抽选关于量子力学基本原理的几个题目，包括量子力学与经典物理学的对比、量子概念的产生、薛定谔方程的出现、全同性原理和量子路径积分等，作些说明。目的在于激发读者思考量子力学的本质在哪里。

撰文 | 郑伟谋 ( 中国科学院理论物理研究所 )

何谓量子力学？量子力学是在经典力学的基础上发展起来的，以微观世界为主要对象。“量子”说的是离散性，20 世纪前后有一系列直接的实验证据显示微观世界的量子性。不好说离散性是量子世界最本质的特征，但是，它的确触发了量子力学的发展。量子的概念由普朗克提出，而量子力学的创立则归功于海森堡和薛定谔。量子力学一开始就是以公理表述的形式出现的。

01  经典物理学回顾

任何物理理论都不仅仅描绘事实，它们包含由经验延伸出的假设和观念。经典物理学大致包含四个分支：力学、电磁学、热力学和统计力学。经典力学处理的对象以质点系为代表，经典力学的状态是质点系所有质点的位置和速度。经典力学中隐含三条假设：(1)无限精细的经验可能性；(2)计算要素与观察要素等同；(3)确定论的预言。电磁学的对象是电磁场，电磁场状态需要用连续的空间函数即每一点的场强描述，特别地，电磁场的能量是连续空间函数能量密度的空间积分。连续空间函数处理的是光的波动理论，曾经代表经典物理学的辉煌。连续区物理学中最重要的概念是场，特别是势场。势场的概念也用于经典力学，且不限于连续介质力学。

在关于热力学现象的描述中，体系各组成质点的位置和速度已失去直接经验的意义。热力学的对象是由大量粒子组成的宏观物体。热力学状态用压强、体积等宏观变量定义，则显得自然，变量间的关系也变得简单。热力学状态的这种描述，原则上只对所谓的平衡态有效。热力学关心的是建立宏观可观察量间的必要关系而不问任何详细解释，是一种唯象的理论。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究宏观物体的性质和行为的统计规律，即解释热力学。统计力学的成功，以吉布斯的平衡统计系综理论为标志。Domb 曾评论，吉布斯从玻尔兹曼的概念出发所构建的统计力学一般理论，“已被看作是 20 世纪里该领域中一切工作的基础。因而，将他看作为现代物理学的一个伟大先驱是恰当的。”[1] 宏观物体的“力学状态”是其 N 个组成粒子的坐标和动量：(q^N，p^N)，即微观组态或构象态，是 6N-维相空间中的一点。在吉布斯的系综理论里的统计力学状态是什么？是支在这 6N-维相空间上的一个分布 P(q^N，p^N)。宏观体系的哈密顿量 H(q^N，p^N) 可以凭借力学得到，吉布斯理论给出如何由 H 确定统计力学状态即分布 P 以及如何再由 P 计算热力学量的规则，并且导出热力学关系。这里的统计力学状态显然是由经验延伸出的观念，并非直接来自经验[2]。

在薛定谔理论里的量子力学的体系状态是什么？是波函数。波函数无疑并非经验事实的直接摹写。氢原子光谱等实验观测及其规律总结，如里兹频率组合原则，角色与热力学相近，如何构造适当的状态并给出状态演化及由之计算实验观测结果的规则，相当于统计力学，是量子力学的任务。对照统计力学思考量子力学，有所助益。

02  一丁点历史

历史事实往往与历史的故事陈说不一样。“1900 年，普朗克首次提出量子概念，用来解决困惑物理界的‘紫外灾难’问题”，并没有这回事。瑞利在 1900 年得到黑体辐射谱的 λ^(-4) 关系。金斯和瑞利在 1905 年推导了完整的辐射谱瑞利—金斯公式，存在紫外困难，但最先使用“紫外灾难”一词的是艾伦费斯特，在 1911 年。关于黑体辐射谱，1896 年维恩推导了谱的函数形式，并提出半经验公式包括维恩位移律，可用于测量辐射体包括星体的温度。维恩获 1911 年诺贝尔物理学奖。

普朗克发现量子的历史与紫外灾难无关。维恩公式在黑体辐射谱的短波段或紫外区与实验符合很好，但在长波段与实验的符合，不如瑞利。为使前者与后者一致，普朗克修正了维恩定律，得到精确的拟合。然而，普朗克还从熵的角度看问题。1900 年底，普朗克由热力学和统计力学给出了理论推导，他的统计力学解释显示存在“作用量量子”h ，它决定辐射场振子能量的最小单位 hν 。这成为量子论诞生的标志。两点启示：(1)实验足够精细才能显现瑞利—金斯公式和维恩公式的差异；(2)量子性在紫外段更显著，但普朗克在红外段看到量子性，除其功力外有偶然性。1911 年第一次索尔维会议上，洛伦兹评论说，普朗克的“能量基元假说对我们就像是一束奇妙的光线，给我们展现了意想不到的景色；即使对它有某种怀疑的那些人也必定会承认它的重要性和富有成果。”他提出“新力学”一词，会议文集的德文版编辑叫它“量子力学”。

量子物理学发展中出现三个学派：玻尔的哥本哈根学派、玻恩的哥廷根学派和索末菲的慕尼黑学派。海森堡说自己从导师索末菲那里得到乐观主义，从玻恩学数学，从玻尔学物理。庞卡莱曾在 1911 年指出，普朗克定律含有一个实质性的离散要素。1923年秋起，玻恩提出“物理学离散化”纲领，和海森堡尝试舍弃旧量子论，着手“离散的量子力学”计划。海森堡主张，只有在实验里能够观察到的物理量才具有物理意义，才可以用理论描述其物理行为，其他都是无稽之谈。因此，他抛弃玻尔模型中不自然的观念，如电子轨道、频率，刻意避开任何涉及粒子运动轨道的详细计算，因为轨道无法直接观察到，而专注于电子跃迁时发出的电磁辐射的离散频率、强度、极化和能级。1925 年 6 月，海森堡在论文《运动学与力学关系的量子理论重新诠释》里提出矩阵力学。他找到位置与动量的一种表示，并由之正确地预测光谱实验观测结果，建造一个新理论。在阅读了海森堡的论文之后，玻恩看出，海森堡的数学运算原来就是他在学生时代学到的矩阵微积分，矩阵力学终于由海森堡、玻恩和约当于 1925 年完成。矩阵力学是量子力学的第一种自成体系且逻辑一贯的离散形式表述。剑桥的狄拉克也很快将经典力学方程替换成矩阵或“q-数”的类似方程。玻恩意识到海森堡的位置与动量的两个表示之间的非对易关系对应于矩阵运算，狄拉克则将经典泊松括号与之对应。

微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质，称为波粒二象性。这是微观粒子量子行为的基本属性之一。经典力学中，研究对象总是被明确区分为“纯”粒子和“纯”波动。简单而言，物质的粒子性由能量 E 和动量 p 刻画，波的特征则由频率 ν 和波长 λ 表达。黑体辐射中光的波动性即光波的频率 ν 和波长 λ 通过普朗克常数 h 与光粒子即光子的能量和动量联系在一起：E = hν ，p = h/λ 。爱因斯坦用光子的概念成功解释了光电效应。他说过，“我们面对着新的一类困难。我们有两个矛盾的现实图象，二者之一都不能单独完全解释光现象，但二者一起可以。”

在光具有波粒二象性的启发下，德布罗意认为，既然在 X 射线的情形下既有波又有粒子，人们必须把这种二象性推广到物质粒子，特别是电子。他也注意到，量子现象中的量子数这样的东西，在力学中很少见，而在波动现象和所有涉及波动的问题中却经常出现。1923 年秋，德布罗意在他提交给巴黎科学院的三篇短文中提出假说，声称所有物质都拥有类波动属性。他认为玻尔原子定态是 n 个结点的驻波，像光波引导光子一样，物质相位波引导粒子运动。量子力学发展走了两条路：爱因斯坦强调波粒二象性，而玻尔强调能级的分立和跃迁。海森堡不欣赏波的图象，走玻尔路线关注离散性。德布罗意显示了通过驻波条件可得到量子条件，给予波动力学希望。就在海森堡等完成矩阵力学的几个月后，薛定谔则得到貌似连续的波动力学，且稍后不久即证明了波动力学与矩阵力学的等价性。

量子力学的第三种等价形式，是费曼的路径积分表述，则得等到 1948 年。薛定谔方程与扩散方程有数学上的相似性，而路径积分表述是对所有可能的路径的贡献求和。路径积分表述在应用于量子力学前，已用于布朗运动和扩散问题。

03  关于热辐射

所有物质在温度高于绝对零度时发射电磁波，这种现象称为热辐射。物质由带电粒子组成，彼此有相互作用，引起电荷的加速运动和偶极振荡，导致发射光子即辐射电磁能。热辐射的特征，依赖于发射表面的各种性质。热辐射不是单色的，而由连续谱组成。基尔霍夫 1859 年建立了辐射热力学的数学基础，基于热力学第二定律，他得到，在热平衡的体系中，一个物体吸收和发射辐射的效率相等。如果辐射体和表面处于热平衡，且表面对所有波长完全吸收，完全不反射辐射，则它看起来全黑。一旦它被加热，将发出完全白的辐射。1862 年基尔霍夫称这样的辐射为黑体辐射。黑体辐射有不依赖于其构成物质的一般谱特性，有助于理解辐射的本性。黑体对所有波长具有理想的吸收率，辐射谱只依赖于波长和温度。基尔霍夫还意识到带小孔的大腔是很好的黑体近似，射入小孔的辐射经腔壁多次反射再回到小孔之前将被充分吸收。他提出了理论对象和实验方案。



04  量子力学基本原理



05  再一条原理：全同性

20 世纪早期，人们渐渐发现，假若原子的束缚电子数不是奇数而是偶数，则原子在化学上更为稳定。里德伯在 1914 年建议，主量子数为 n 的电子层最多只能容纳 2n^2 个电子，但是他并不清楚为什么在表达式里会出现因数 2 。泡利于 1925 年通过分析实验结果提出他的不相容原理：在量子力学里，所有同种微观粒子是不可分辨的，两个电子不能处于相同的量子态。泡利在 1925 年的论文中并没有说明为什么自旋为半整数的费米子遵守泡利不相容原理。

泡利不相容原理引申出的全同性原理，其数学表述是：多粒子体系的波函数对于同种粒子的交换不导致新态，因而必须或者是对称的或者是反对称的，前者称为玻色子，而后者称为费米子。粒子为玻色子或费米子，取决于其内禀性质自旋为整数或半整数。费米子的波函数对于粒子交换具有反对称性，因此遵守泡利不相容原理，必须用费米—狄拉克统计描述其统计行为。玻色子的波函数对于粒子交换具有对称性，因此它不遵守泡利不相容原理，其统计行为符合玻色—爱因斯坦统计。任意数量的全同玻色子可以处于同一量子态，如激光产生的光子和玻色—爱因斯坦凝聚。粒子全同性影响统计力学中构象数的计算，在统计力学中有重大后果。玻色统计在 1924 年提出，而费米统计在 1926 年提出。

泡利不相容原理是原子物理学与分子物理学的基础。粒子全同性不涉及任何位势或任何相互作用，是纯粹的一种量子性质，完全没有经典物理学对应。泡利不相容原理可用来解释多种不同的物理与化学现象，包括原子的性质、大块物质的稳定性与性质、中子星或白矮星的稳定性、固态能带理论，直至夸克色荷概念的提出。假若泡利不相容原理不成立，则各种原子中的所有电子都将处于同一基态，原子的尺寸会变得很小；除了与原子核的电荷平方成正比的电离能以外，元素与元素之间不会有什么显著差别；元素的性质不会出现周期性；化学与生物学不复存在，更不会有任何地球生命！只因原子内绝对不能有两个或多个的电子处于同样状态，才有化学的变幻多端，才有绚丽多彩的世界。当向公众普及量子力学时，应该首先介绍全同性原理。

菲尔兹在 1939 年明确地表述了自旋和统计间的关联，1940 年泡利尝试给出证明。但是，实际而言，所谓的“自旋—统计定理”只展示出了自旋与统计间的关系符合相对论性量子力学，自洽而无矛盾。泡利于 1947 年承认，他无法对于泡利不相容原理给出一个逻辑解释，也无法从更基础理论推导出这一原理。费曼在其著名的讲义里有清楚的申明：“为什么带半整数自旋的粒子是费米子，它们的概率幅是以负号相结合？而带整数自旋的粒子是玻色子，它们的概率幅是以正号相结合？我们很抱歉不能给你一个简单的解释。泡利从量子场论与相对论出发，以复杂的方法推导出一个解释。他证明了这两者必须搭配的天衣无缝。我们希望能从更基本的层级复制他的论述，但是尚未获得成功……这或许意味着我们还未完全了解所牵涉到的基本原理。想要找到这基本原因的物理学者至今仍旧无法得到满意答案！”也许应该将全同性原理和自旋—统计关联作为独立的原理提出。

区分粒子等同和不等同这两种情形的必要性，还涉及统计力学中的吉布斯佯谬，即吉布斯混和熵问题。吉布斯早就注意到，如果两个等同的流体块位于相邻的两个小室中，隔板移开时熵应该不变，而如果流体是不同的就会有熵变。体积为 V 的无相互作用体系中，粒子处于任一处的概率为 1/V ，位形空间的熵项为 NlogV 。如果体系扩为二倍，体积为 2V 的空间被隔板在正中间分隔为相同的两半，则隔板移除前后的熵分别为 2NlogV 和 2Nlog(2V) ，二者不等，也不满足熵的广延性。量子不可分辨性引入因子 1/N !，单粒子的有效体积也由 V 改为 V/N ，位形空间的熵改为 Nlog(V/N) 。于是，隔板移除前后的熵均为 2Nlog(V/N) ，不出现混和熵。吉布斯佯谬由引入量子等同粒子的不可分辨性而得以澄清。

06  我们的世界是复的

戴森和杨振宁关于薛定谔发现波动力学方程的历史回顾，对于理解量子力学的实质很有助益，可惜一般量子力学教科书中不记述。1925 年 11 月，薛定谔在阅读爱因斯坦关于玻色—爱因斯坦统计的论文时，得知德布罗意的博士论文，深有感触。在一次研讨会上，德拜指出，既然粒子具有波动性，应该有一种能够正确描述这种量子性质的波动方程。他的意见给予薛定谔极大的启发与鼓舞，他开始寻找这种波动方程。

“哈密顿类比”又称“光学—力学类比”，是哈密顿在研究经典力学时给出的理论。哈密顿指出，在经典力学里粒子的运动轨道，就如同在几何光学里光线的传播路径；垂直于这轨道的等作用量曲面，就如同垂直于路径的等传播时间曲面；描述粒子运动的最小作用量原理，就如同描述光线传播的费马原理。哈密顿发现，使用哈密顿—雅可比方程，可以推导出最小作用量原理与费马原理；遵守费马原理的光线“粒子”等同于遵守最小作用量原理的粒子。很多光的性质，例如衍射、干涉等等，无法用几何光学的理论来作解释，必须用波动光学的理论分析。这意味着几何光学不等价于波动光学，几何光学是波动光学的波长远短于空间参考线度的极限情形。哈密顿—雅可比方程似乎也有可能描述波动光学里遵守惠更斯原理的光波，只要将光线的等传播时间曲面改为光波的波前。



07  微扰处理的收敛性[7]



08  量子路径积分



09  结 语

自己在量子力学方面发表的第一篇工作，是薛定谔方程的双阱势准确解模型，至今将近 40 年了。离开非线性动力学的最后一篇物理工作也在量子力学方面，是关于魏耳态密度展开长度项的半经典理论，也已 20 多年[9]。中间有些小工作，包括准晶能谱和微波场中的氢原子问题。但是，真正坐下来思考量子力学基础，还是在 4 年前接受中国科学院大学邀请讲授量子力学之后。为撰写教案所逼，不得不读许多东西，翻看不太好找到的经典论文。本文的第一稿，就写在那个时候，中间不知改写多少次，但今年是量子力学 120 年，这个时间点不容错过。本文的主要内容，不少抽取自本人去年底由中国科学院大学支持在科学出版社出版的《量子力学基础》[10]。(校对不慎，连最后的常用公式也出错，非常遗憾)。选题未免杂乱，只是想激发读者的思考。“关于热辐射”一节，未写在我的书中，希望以最小的篇幅比较系统完整地复述多篇重要经典原始文献的内容，再现不易找到的一些重要细节。本文内容上至少缺了“量子力学的群论表述”或者“量子力学与对称原理”，希望有更合适的作者撰写。

最后想强调，薛定谔的波函数，区别于科学发现，是一种科学发明，是属于精神创造的产物，如同吉布斯的平衡态系综，如同爱因斯坦的时间与空间统一的思想再到时空与物质统一的思想。另外，科学的深入发展，使得原来被分隔研究的分支统一起来。量子力学出现之后，物理和化学在微观层次上的本质差别消失。(物理和化学在宏观层次上的统一，体现在统计力学。液体物理和聚合物物理，在美国多划入化学系，但在欧洲却多划在物理系，未知深层的原因)。

参考文献

[1] Domb C. 热力学与平衡统计力学，见《20世纪物理学(第1卷)》(Brown L, Pippard B, Pais A 主编)，科学出版社，2014. p.442—492

[2] 郑伟谋. 物理，2018，47(10)：617

[3] Wien W. Eine neue Beziehung der Strahlung schwarzer Korper zum zweiten Hauptsatz der Warmetheorie. Sitzungsberichte der Preussischer Akademie，1983. p.55—56

[4] Dyson F. Birds and Frogs，Notices of the AMS，2009，56：212—223

[5] Huang K S. Interview of CN Yang for the CN Yang Archive. the Chinese University of Hong Kong，http://www.mit.edu/people/kerson/Articlestuff/Yang\_interview\_2001.pdf

[6] 谢惠民. 数学史赏析. 北京：高等教育出版社，2014

[7] Hose G，Taylor H S. Phys. Rev. Lett.，1983，51：947

[8] 顾雁. 量子混沌. 上海：上海科技教育出版社，1996

[9] Zheng W M. J. Math. Phys.，1984，25：88；Phys. Rev. E，1999，60：2845

[10] 郑伟谋. 量子力学基础. 北京：科学出版社，2019

本文选自《物理》2020年第10期，转载自微信公众号“中国物理学会期刊网”。