在聯(lián)合國(guó)宣布的“量子科學(xué)與技術(shù)之年”背景下，我們回顧了一個(gè)世紀(jì)前那場(chǎng)震撼物理學(xué)界的革命——量子力學(xué)的誕生。1925年，以德國(guó)物理學(xué)家沃納·海森堡的突破性論文為起點(diǎn)，量子力學(xué)在短短數(shù)月內(nèi)徹底改變了人類對(duì)物理世界的認(rèn)知。
在量子力學(xué)問(wèn)世之前，物理學(xué)界正面臨經(jīng)典物理學(xué)的局限，尤其是在解釋亞原子現(xiàn)象時(shí)。20世紀(jì)初，科學(xué)家們開(kāi)始嘗試引入量子概念，其中玻爾-索末菲模型是這一時(shí)期的標(biāo)志性成果。該模型由丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾和德國(guó)物理學(xué)家阿諾德·索末菲提出，通過(guò)假設(shè)電子在原子核周圍的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，成功解釋了氫原子的光譜，但這一模型在處理多電子原子時(shí)遇到了困難。
海森堡在哥廷根大學(xué)擔(dān)任馬克斯·玻恩助手期間，發(fā)現(xiàn)了玻爾-索末菲模型的不足。他與玻恩一起計(jì)算氦原子的光譜，但結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。海森堡開(kāi)始懷疑電子軌道運(yùn)動(dòng)的觀念，這一疑慮在與沃爾夫?qū)づ堇念l繁通信中逐漸加深。泡利也開(kāi)始認(rèn)為電子在軌道中運(yùn)動(dòng)的觀念并不可靠。
1925年，海森堡提出了一個(gè)激進(jìn)的新理論——量子力學(xué)。他不再依賴電子沿軌道運(yùn)動(dòng)的模型，而是試圖建立一個(gè)僅基于原則上可觀測(cè)量之間關(guān)系的理論。7月，海森堡在給泡利的信中寫道：“我所有看似糟糕的努力，都是為了徹底消滅‘軌道’這一概念。”
海森堡的論文《運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子力學(xué)重新詮釋》提出了電子運(yùn)動(dòng)的方程，這些方程包括諸如位置和動(dòng)量等量的復(fù)雜數(shù)組，以及可觀測(cè)的能量和躍遷幅度。這一理論是對(duì)舊量子理論絕望后的產(chǎn)物，其實(shí)用主義考慮成為了海森堡物理學(xué)的核心。
然而，海森堡的理論最初并不被物理學(xué)界所接受。他的方程中的量被表示為矩陣，這在當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家看來(lái)是一種陌生的數(shù)學(xué)形式。波恩和帕斯庫(kù)爾·約爾當(dāng)隨后用矩陣術(shù)語(yǔ)重新表述了理論，從而拉開(kāi)了矩陣力學(xué)的序幕。
盡管矩陣力學(xué)提供了一種新的理論框架，但它缺乏直觀性，使得大多數(shù)物理學(xué)家難以接受。就在這時(shí)，埃爾溫·薛定諤提出了一種更易于接受的方法——波動(dòng)力學(xué)。薛定諤認(rèn)為，放棄對(duì)電子在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的描述是對(duì)物理學(xué)家責(zé)任的放棄，他制定了波動(dòng)方程來(lái)計(jì)算氫原子的能量狀態(tài)。
薛定諤的波動(dòng)力學(xué)迅速成為解決問(wèn)題的首選數(shù)學(xué)形式，但海森堡對(duì)此不以為然。他認(rèn)為波動(dòng)力學(xué)不能解釋光電效應(yīng)和斯特恩-格拉赫效應(yīng)等量子現(xiàn)象。薛定諤則努力為波動(dòng)力學(xué)尋找物理解釋，但未能如愿。在1927年的索爾維會(huì)議上，薛定諤再次表達(dá)了對(duì)空間-時(shí)間概念中解釋原子內(nèi)部情況的希望，但這一愿望并未得到廣泛認(rèn)同。
盡管量子力學(xué)兩大形式之間的爭(zhēng)論不休，但量子力學(xué)本身的發(fā)展并未停滯。1926年春天，矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的等價(jià)性得到確立，引發(fā)了后續(xù)的一系列發(fā)展。海森堡引入了不確定度關(guān)系，提出電子的位置越精確，其動(dòng)量就越不精確。這一關(guān)系已經(jīng)成為量子力學(xué)的一個(gè)核心概念。
越來(lái)越多的物理學(xué)家開(kāi)始將量子理論應(yīng)用到更廣泛的實(shí)際問(wèn)題中，并取得了顯著成果。例如，尤金·維格納展示了如何通過(guò)應(yīng)用量子力學(xué)的對(duì)稱原理和群論數(shù)學(xué)技術(shù)推導(dǎo)出有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和分子光譜的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。然而，量子力學(xué)的快速發(fā)展也讓許多物理學(xué)家感到措手不及，他們難以跟上最新理論的進(jìn)展。
在1927年的索爾維會(huì)議上，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為量子力學(xué)已經(jīng)暫時(shí)達(dá)到了一個(gè)臨時(shí)結(jié)論。盡管有人仍然對(duì)量子力學(xué)持懷疑態(tài)度，但隨著時(shí)間的推移，輿論潮流開(kāi)始轉(zhuǎn)向，最初的批評(píng)者迅速成為局外人。如今，量子力學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)中最完整、最成功的理論之一，為化學(xué)鍵、金屬導(dǎo)電性等現(xiàn)象提供了基本洞察。
