由伽利略和牛顿等人于17世纪创立的经典物理学,经过18世纪在各个基础部门的拓展,到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展,达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末,已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。

经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿,构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。
人们也许终于可以相信,上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了,再没有遗漏的地方。
物理学家们开始相信,这个世界所有的基本原理都已经被发现了,物理学已经尽善尽美,它走到了自己的极限和尽头,再也不可能有任何突破性的进展了。著名的科学家基尔霍夫说:“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上,英国著名物理学家汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。
同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“在物理学的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩着。”

这令人不安的乌云,一朵是以太漂移实验的否定结果,另一朵是黑体辐射的紫外灾难。
从第一朵乌云中降生了相对论,紧接着从第二朵乌云中降生了量子论。经典物理学的大厦被彻底动摇。

实际上“乌云”不止这两朵,还包括:
1895年,伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen)发现了X射线。
1896年,贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)发现了铀元素的放射现象。
1897年,居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃尔·居里研究了放射性,并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。
1897年,J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson)在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。
1899年,卢瑟福(Ernest Rutherford)发现了元素的嬗变现象。
就是这几朵乌云带来了一场震撼整个物理学界的革命风暴,导致了现代物理学的诞生。
为解决黑体辐射问题,1900年12月14日,普朗克冲破经典物理机械论的束缚,提出了量子论,标志着人类对量子认识的开始。这一天也就成为了量子力学的诞辰。

接着1905年,爱因斯坦受普朗克量子化的思想启发,引进光量子(光子)的概念,成功地解释了光电效应。1905年被称为科学史上的奇迹年,爱因斯坦在这一年发表了6篇论文,3月18日,发表了刚才提到的关于光电效应的文章,成为了量子论的奠基石之一,他也为此获得了诺贝尔奖。4月30日,发表了关于测量分子大小的论文,这位他赢得了博士学位。5月11和12月19日,两篇关于布朗运动的论文,成了分子论的里程碑。6月30日,发表题为《论运动物体的电动力学》的论文,这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称,叫做“狭义相对论”。9月27日,发表了关于物体惯性和能量的关系,这是狭义相对论的进一步说明,并且在其中提出了著名的质能方程E=MC^2。单单这一年的工作,便至少配得3个诺贝尔奖。

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。玻尔是个看上去沉默驽钝的人,可是重剑无锋,大巧不工,在他一生中几乎没有输过哪一场认真的辩论。可见波尔是个十分厉害的人,他于1922年获得诺贝尔奖,他的小儿子在1975年在量子力学领域获得诺贝尔奖,他的学生海森堡,泡利,狄拉克、朗道获得诺贝尔奖。

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。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。德布罗意可以说是一个奇才,本来是个研究欧洲历史的,半路出家学了物理。德布罗意在他五年的研究生生涯几乎一无事成,他的博士论文也就一页多一点,他的导师朗之万拿着他的博士论文不知怎么办,就寄给了爱因斯坦,爱因斯坦拿着德布罗意的论文决定很有意思,于是德布罗意就顺利拿到了博士学位。
薛定谔看到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篇关于量子力学的论文,标志着波动力学的建立。然而薛定谔并不能指出波动方程的具体含义,而是由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。二战是纳粹迫害犹太人,薛定谔向美国递交移民申请却没通过,作为一个诺贝尔奖得主却被美国拒之门外,大家一定感动很奇怪。这是因为薛定谔道德上有问题,他有不少情妇,还有好几个私生子。

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。海森堡从粒子的角度出发,在玻恩和约尔当的帮助下,海森堡矩阵力学的相关理论。
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。两种体系的等价性的。

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。
1928年狄拉克提出相对量子力学,使量子力学和相对论结合起来。狄拉克是个沉默寡言,喜好孤独,淡泊名利的人。有一次狄拉克在某大学演讲,讲完后一个观众起来说:“狄拉克教授,我不明白你那个公式是如何推导出来的。”狄拉克看着他久久地不说话,主持人不得不提醒他,他还没有回答问题。“回答什么问题?”狄拉克奇怪地说,“他刚刚说的是一个陈述句,不是一个疑问句。”
1925年,泡利提出不相容原理。
1927年,海森堡提出不确定性原理。量子力学到此可以说是基本的框架已经建立。

在量子力学诞生之初著名的物理学家波尔兹曼就因为不能就是经典物理学的局限性,在1906年选择了自杀。1934年,荷兰物理学家埃伦菲斯特因感觉在量子力学里力不从心而结束了自己的生命。
量子力学的创始人爱因斯坦,德布罗意,薛定谔因不能接受量子力学太多的概率成分和不确定因素,而站到了量子力学的对立面。于是形成了以爱因斯坦为首反对派和以波尔为首的拥护派两大阵营。他们开始了长久的论证。1935年,薛定谔提出了著名的薛定谔猫,爱因斯坦提出EPR佯谬。

分类: 科学前沿