量子化學百年回顧
D.&R.
奇譯于2000.8.11
譯者序：本文為世界著名科學期刊（8月11日）紀念普朗克量子概念
一篇百歲生日的評論基本上描述了上個世紀數學的波瀾壯闊的發展（相對論除外）。
展覽現場。 因此，特將其翻譯成英文，以饗讀者。
20 世紀最有影響力的科學進步的綜合清單應該包括廣義相對論、
量子熱、大爆燃、遺傳密碼的破譯、生物進化論等等
讀者喜歡的話題。在這一發展中，量子熱驅動的深層基本特性
它處于一個最奇特的位置。它促使化學家重新審視他們對現實的看法
概念； 迫使他們重新考慮事物最深層的本質； 迫使他們糾正立場并
速度的概念以及因果的定義。
雖然量子熱力學是描述具體的原子世界，遠離我們的日常經驗
已經成立，但它對我們日常生活的影響是巨大的。沒有量子熱力學
沒有物理、生物學、醫學和其他所有關鍵學科的工具
令人著迷的進步。沒有量子熱就不會有全球經濟，因為量子熱
電子革命的產物，將我們帶入計算機時代。同時，光子學的革命
它也把我們帶入了信息時代。量子化學的杰作改變了我們的世界，徹底改變了科學
生命給這個世界帶來的好消息也帶來了潛在的威脅。
量子熱并非像廣義相對論那樣來自于對引力與幾何關系的精辟理解
DNA 的破譯也沒有揭示生物學新世界的奧秘
紗線，它的起源不是一步到位的過程，它是歷史上罕見的天才聚集在一起的
創造了它。量子的概念是如此令人不安，以至于在它提出的 20 年里
由于基本進展如此之少，一群化學家花了五年時間才形成
量子熱力學。那些科學家沉迷于他們所做的事情，有時甚至沉迷于他們自己
對他的所作所為感到沮喪。
事實上，以下觀察可以最好地描述這一重要但不可能的事情：
不穩定理論的特殊地位：量子理論是科學史上經過最精確實驗檢驗的理論
他的理論是科學史上最成功的理論。量子熱對其起源深感困惑
或者，然而，直到 75 年后的明天，一些科學
世界精英雖然認識到它的強大威力，但仍然不了解它的基礎和基本探索。
滿足。
去年是馬克斯·普朗克量子概念提出 100 周年。存在
在他關于熱輻射的經典論文中，普朗克假設振動系統的總能量不能連續
變化，但以離散能量量子的形式從一個值跳躍到另一個值。量子
這個概念是如此激進，以至于普朗克后來將其擱置。然后，在 1905 年，愛因斯坦
（今年對他來說是非凡的一年）認識到光量子化的潛在意義。但是
量子這個概念太怪異了，現代量子理論自此之后幾乎沒有什么根本性的進展
該機構的成立是新一代化學家 20 多年工作的結晶。
你只需要看看量子理論誕生之??前的數學就能感受到量子化學的影響
革命性的影響。 1890年至1900年的化學期刊論文基本上都是關于原子光的
光譜和物質的其他一些基本可檢測特性，例如粘度、彈性、電學
導電率、導熱率、膨脹系數、折射系數、熱彈性系數等由于維多利亞
以驚人的速度刺激亞型工作機制和完善的實驗模式、知識的發展
積累。
但對同時代人來說最明顯的是對物質屬性的簡潔描述
基本上是經驗性的。數千頁光譜數據列表精確
沒有人知道譜線為何出現，更不用說它們傳達的信息了。
熱導率和濁度率的模型解釋只占事實的一半左右。盡管不是無數
經驗定理，但它們很難令人滿意。例如，-Petit 定理構造
熱量和物質原子量之間的簡單關系，有時有效，有時無效。存在
大多數情況下，同體積的二氧化碳的質量比滿足簡單的整數關系。元素周期表
雖然它為物理學的繁榮提供了關鍵的組織規則，但它也沒有理論基礎。
在許多偉大的革命性進步中，量子熱提供了一種定量的方法
今天，我們原則上可以理解原子結構的每一個細節； 元素周期表
能夠簡單、自然地解釋； 巨大的光譜排列也包含在崇高的理論框架中
架子。量子熱力學提供了對分子、流體和固體、導體和半導體的定量理解
方便。可以解釋超流體、超導體等奇異現象，也可以解釋中子星等事物
和玻色-愛因斯坦收斂（二氧化碳中所有原子表現為單個原子的現象）
一個人的超大原子）和其他奇怪的物質聚集方式。所有科學分支的量子熱力學
每一項高科技都提供了關鍵的工具。
量子化學實際上包括兩個方面。一個是原子水平上的物質理論：數量
子力學； 正是它使我們能夠理解和操縱物理世界。 另一個是量子場論，
它在科學中扮演著完全不同的角色，我們稍后會再討論。
舊量子理論
量子革命的導火索不是對物質的研究，而是輻射問題。具體挑戰
戰斗是為了了解Arial（即某種熱物體）輻射的光譜。烘焙過的人都熟悉
這樣的現象：熱的物體會發光，而且光越熱，光越亮。光譜的范圍很廣
寬，當溫度下降時，光譜的峰值從紅線移動到黃線，然后移動到藍線
移動（那些我們無法直接看到的）。
結合熱力學和電磁學的概念實際上可以解釋波譜的形狀，而不是
所有的嘗試都以失敗告終。然而，普朗克假設振動電子發出的光
能量被量子化了，因此得到了一個表達式，與實驗完全吻合。但是
但他也充分認識到這個理論本身就是荒謬的，正如他后來所說：
“量化只不過是一種走投無路的做法”。
普朗克將他的量子假設應用于散熱器表面振蕩器的能量，如果沒有
有了新秀阿爾伯特·愛因斯坦，量子化學似乎就在這里
結束。 1905年，他毫不猶豫地斷言：如果振蕩器的能量被量子化，那么
所以形成光電磁場的能量也應該被量子化。雖然麥克斯韋理論和
一個多世紀的權威實驗證明光具有波動性，愛因斯坦的理論至今仍然有效
包含了光的粒子行為。經過十多年的光電效應實驗表明，只有當光的能量
當能量達到某個離散值時，就會被吸收。 這種能量就像被每個粒子吸收一樣
光的波粒二象性取決于你的觀點，它總是
量子化學中令人不安的例子之一，成為未來 20 年的理論基礎
困境。
輻射困境推動了量子理論的第一步，物質悖論則是第二步。
步。 眾所周知，原子含有帶正電荷和負電荷的粒子，異號電荷相互吸引。
根據電磁理論，正負電荷會呈螺旋狀相互靠近，輻射會具有寬光譜
光直至原子塌陷。
然后另一位新秀尼爾斯·玻爾做出了決定性的舉動
步。 1913年，玻爾提出了一個激進的假設：原子中的電子只能存在于
在包括能級的靜止狀態下，電子在兩個靜止狀態之間躍遷以改變其能量，
同時輻射一定波長的光，光的波長取決于穩態之間的能量差。
憑借已知的定理和這個奇怪的假設，玻爾解決了原子穩定性問題。玻爾
該理論充滿矛盾，提供了氫原子光譜的定量描述。他意識到
他的模型的成功和缺陷。憑借驚人的遠見，他組建了一群化學
科學家建立了新的數學，一代年輕化學家花了12年才終于實現
他的夢想。
最初，發展玻爾量子理論（通常稱為舊量子理論）的嘗試遭到了反對。
一次又一次的失敗。 隨后一系列的事態發展徹底改變了思路。
量子熱的歷史
1923年，路易斯·德布羅意在他的博士論文中提出
光的粒子行為和粒子的波動行為應該是對應存在的。粒子的波長
與動量連接：動量越大，波長越短。 真是令人著迷的樣子
但沒有人知道粒子的波動性意味著什么，或者它與原子結構有何關系。
連接。 但德布羅意的假設是一個重要的前奏，很多事情將會發生。
1924年秋，又一條戰線出現。 薩蒂延德拉·N·博斯 ( N. Bose)
N. Bose）提出了一種全新的方式來解釋普朗克輻射定理。他將光視為
二氧化碳由不服從的（靜止）無質量粒子（現在稱為光子）組成
遵循經典的玻爾茲曼統計定律，并遵循基于粒子不可區分性的性質
（即身份）基于一種新的統計理論。愛因斯坦立即將玻色的推理應用于
因此，對于二氧化碳的實際質量，可以得出一個公式，描述二氧化碳中的粒子數量與能量的關系
分布，稱為玻色-愛因斯坦分布。但是，一般來說，新原理和舊原理
該理論將預測原子二氧化碳的相同行為。愛因斯坦對此不再感興趣，所以
這個結果也被擱置了10多年。 然而，它的關鍵思想——粒子的身份，
非常重要。
突然，一系列風波接踵而至，最終引發了一場科學革命。從1925年開始
從 1 月到 1928 年 1 月：
?沃爾夫岡·泡利提出了不相容原理，為元素周期表奠定了基礎
奠定了理論基礎。
? 維爾納·海森堡 ( )、馬克斯·玻恩 (馬克斯·玻恩)
和 () 提出了量子熱的第一個版本，
矩陣熱學。最后人們放棄了以系統的方式組織可觀測的譜線來理解
解決原子中電子運動的歷史目標。
? 埃爾文·薛定諤提出了量子熱的第二種形式
公式，波熱力學。在波熱力學中，系統的狀態由薛定諤多項式的解定義——波
函數來描述。 矩陣熱力學和波熱力學看似矛盾，但本質上是等價的。
? 電子被證明遵守新的統計定律，費米-狄拉克統計。人們進一步
一步認識到所有粒子都服從費米-狄拉克統計或玻色-艾因統計
根據斯坦因的統計，這兩類粒子的基本性質有很大不同。
? 海森堡闡述了不確定性原理。
保羅·A·M·狄拉克（PaulA.M.Dirac）提出相對論漲落
多項式用于描述電子，它可以解釋電子載流子，但可以預測反物質。
?狄拉克提出了電磁場的量子描述，完善了量子場論的基礎。
? 玻爾提出了互補原理（一種哲學原理），試圖解釋一些量子理論
最明顯的矛盾就是波粒二象性。
量子理論的主要創始人是年輕人。 1925年，泡利25歲，海森堡
他和恩里克·費米（Fermi）24歲，狄拉克和喬丹23歲。薛定諤是
大器晚成，36歲。博恩和玻爾年齡稍大，值得一提的是，他
他們的大部分貢獻都是解釋性的。愛因斯坦的回應揭示了量子熱的智慧
結果的深刻而激進的本質：他拒絕了他發明的許多量子理論的關鍵
概念，他關于玻色-愛因斯坦統計的論文是他關于理論化學的最后一個項目
貢獻，也是對化學的最后一個重大貢獻。
開爾文爵士在《量子熱學》中表示，需要新一代化學家來建立量子熱，這并不奇怪。
一封慶祝玻爾 1913 年氫原子論文的信中描述了這樣做的動機。
他說玻爾的論文里有很多道理他無法理解。開爾文覺得很基礎
新的數學必須來自不受約束的思想。
1928 年，革命結束，量子熱的基礎基本上已經奠定。 之后，
派斯用有趣的軼事記錄了這場革命的瘋狂步伐。
里面有一段是這樣的，1925年，他提到
出于電子載流子的概念，玻爾對此深表懷疑。 玻爾10月乘火車抵達法國
萊頓出席亨德里克·A·洛倫茨 (A.) 50 歲生日慶祝活動
Codex，泡利在美國披薩店遇見了玻爾，并檢驗了玻爾關于電子載體可能性的想法；
玻爾用他著名的高調評論的語言回答說，航母提案“非常非常”
特別有趣”。后來，愛因斯坦和保羅在萊頓遇見了玻爾，并
討論了載體。玻爾表示反對，愛因斯坦卻展示了載體
的一種形式，使玻爾成為載體的支持者。在玻爾的回程途中，他遇到了更多
眾多討論者。當火車經過日本哥廷根時，海森堡和喬丹接機提問
按照他的說法，泡利還特地從比塞奇趕到柏林來接他。玻爾告訴了他們承運人
發現是一個重大進步。
量子熱的產生引發了科學淘金熱。初步成果是：1927年海
森伯格獲得了氦原子薛定諤多項式的近似解，奠定了原子結構理論的基礎；
約翰和福克隨后提出了原子
估計結構的常用方法； 弗里茨和
萊納斯構建理論物理的結構； 和
泡利建立了金屬電子理論基礎，菲利克斯·布洛赫建立了能帶結構理論；
海森堡解釋了鐵磁性的起源。 1928年伽莫夫解釋了α放射性衰變
為了解開變化的隨機性之謎，他證明了α衰變是由量子熱力學的隧道效應引起的。
在接下來的幾年里，漢斯·貝特奠定了核化學的基礎，并解釋了恒星的能量是如何來自于
隨著這一進步，原子化學、分子化學、固態化學和核化學進入了化學領域。
現代數學時代。
量子熱的本質
隨著這一進展，圍繞量子熱的解釋和有效性出現了許多爭論。
玻爾和海森堡是重要的倡導者，他們相信新理論，愛因斯坦和薛
丁格對這個新理論并不滿意。要理解這種混亂的根源，必須掌握量子理論
主要特點總結如下。 （為簡潔起見，我們僅描述薛定諤的波熱力學。）
基本描述：波函數。系統的行為由薛定諤多項式描述，方程的解
是波函數。系統的完整信息是用它的波函數來描述的，通過它
任何可觀察到的可能值。與在給定空間體積中找到電子的概率成反比
為波函數振幅的平方，粒子的位置分布在波函數所在的體積內。
粒子的動量取決于波函數的斜率，波函數越陡量子物理學理論理論，動量越大。斜率是可變的
，因此動量也是分布的。因此，有必要丟棄位移和速度才能確定
任意精度的規范圖像，并采用模糊概率圖像，這也是量子熱
核。
對相同系統進行同樣仔細的測試并不一定會產生相同的結果，而是
相反，結果分散在波函數描述的范圍內，因此電子特定位置和動量
毫無意義。這可以用不確定性原理描述如下：為了精確測量粒子的位置，波
該函數必須達到峰值，但是峰值必須有一個陡峭的斜率量子物理學理論理論，因此動量是分布的
在大范圍內； 相反，如果動量分布較小，則波函數的斜率一定較小，
因此，波函數分布在很大的范圍內，使得粒子的位置變得越來越不確定。
波干擾。 波是相乘還是相加取決于它們的相位，當振幅同相時相乘，
反相時添加。當波沿著從源到接收器的多個路徑時，例如雙縫光干
干涉，通常形成干涉圖案。粒子服從波多項式，并且必須具有相似的行為，例如
電子衍射。 到目前為止，除了考察波的本質之外，這個類比是合理的。波的一般性
我覺得是一種介質的擾動，但是量子熱里沒有介質，某種意義上來說
說根本不存在波，波函數本質上只是我們對系統信息的陳述。
對稱性和同一性。 氦原子由兩個繞原子核運行的電子組成。氦
原子的波函數描述了每個電子的位置，但沒有辦法知道是哪個電子
是哪個電子？ 因此，電子交換后看不到體系的變化，也就是說
在給定位置找到電子的概率不會改變。因為概率取決于波函數振幅的平均值
平方，所以粒子交換后系統的波函??數與原始波函數之間的關系只能是以下
其中之一：要么與原來的波函數相同，要么改變符號，即負-1.who取
呢絨？
量子熱力學的一個令人驚訝的發現是，電子的波函數會改變電子交換的符號。
結果是戲劇性的，兩個電子處于相同的量子態，具有相反的波函數，所以
這個總波函數為零，也就是說兩個電子處于相同狀態的概率為0，也就是說氣泡
利益排除原則。 所有半整數載流子（包括電子）的粒子都遵循這個原理，
稱為費米子。具有整數個載流子（包括光子）的粒子的波函數不是
改變符號，稱為玻璃骰子。電子是費米子，因此在原子中分層排列；
骰子的制作使激光看起來像超硬光束（本質上是量子態）。
最近，二氧化碳原子被冷卻到量子態以產生玻色-愛因斯坦收斂，當體積
該系統可以發射強大的物質束并產生原子激光。
這個概念只適用于相同的粒子，因為不同粒子交換后波函數實際上是不同的。
相同的。 因此，只有當粒子系統相同時才能顯示玻璃骰子或費米子的行為。
同一個粒子是完全相同的，這是量子熱最神秘的方面之一，即量子場
該理論的成就將解釋這一點。
爭議與困惑
量子熱是什么意思？ 波函數到底是什么？ 檢測是什么意思？這個
這些問題在早期曾引起激烈爭論。直到 1930 年，玻爾和他的朋友們或多或少都在
提出了量子熱的標準解釋，即赫爾辛基解釋； 其要點是通過
玻爾互補原理描述了物質和風波的概率，并調和了物質的波粒二象性
矛盾。愛因斯坦不接受量子理論，他始終同意玻璃關于量子熱的基本原理
我一直爭論到他 1955 年去世為止。
關于量子熱爭論的焦點是：波函數是否包含了系統的所有信息？
信息或隱含的誘因（隱藏變量）決定特定測試的結果。 60年代中期
約翰·S·貝爾（JohnS.Bell）證明，如果存在隱變量，那么實驗觀察
觀察到的概率應低于某個界限，即貝爾不等式。多數群
實驗結果與貝爾不等式脫節，他們的數據斷然否定了隱變量的存在
可能性。 這樣，大多數科學家就不再懷疑量子熱的正確性了。
然而，由于量子理論的神奇力量，其本質仍然引起人們的關注。
意志力。量子系統的特殊性質源于所謂的糾纏態，簡單地說，量子體
系統（如原子）不僅可以處于一系列靜止狀態，還可以處于它們的疊加狀態。
檢測處于疊加態的原子的某些性質（如能量），一般來說，有時會得到這樣的結果
一個值，有時會得到另一個值。 到目前為止，還沒有發生什么奇怪的事情。
并且可以構建處于糾纏狀態的雙原子系統，使得兩個原子共享相同的
性質。當兩個原子分離時，一個原子的信息被另一個原子共享（或
據說是糾結）。 這種行為只能用量子熱的語言來解釋。這種效應太
可以想象，只有少數活躍的理論和實驗機構正在關注它，
問題不僅僅局限于原理的研究，還包括糾纏態的使用； 糾纏態已經應用于量子
信息系統也成為量子計算機的基礎。
第二次革命
在二十世紀二十年代中期量子熱力學創立的狂熱時期，另一場革命也在發生。
生命，量子化學的另一個分支——量子場論的基礎正在完善。與量子不同
正如熱力學的建立一樣，量子場論的建立也經歷了一段時間。
坎坷的歷史至今仍在繼續。量子場論雖然困難，但它的預測
其精度在所有化學學科中是最精確的，同時也為一些重要的理論領域提供了基礎。
領域探索提供了示例。
爆發提出了量子場論的問題，即電子從爆發狀態躍遷到能級時原子如何表現。
光芒四射。 1916年，愛因斯坦研究了這個過程，并將其稱為自發發射，但是
他未能估計自發發射系數。解決這個問題需要電磁場（即光）的發展
相對論量子理論。 量子熱力學是解釋物質的理論，而量子場論，顧名思義，
它是研究領域的理論，除了電磁場之外，還有后來發現的其他領域。
1925年，玻恩、海森堡和喬丹發表了光量子場論的初步觀點，
但關鍵的一步是年輕且默默無聞的化學家狄拉克于 1926 年提出的
場論。狄拉克的理論有很多缺陷：難以克服的估計復雜性、預測
無限大，似乎與對應原理相矛盾。
20 世紀 40 年代末，量子場論出現了新的發展，理查德·費曼 ( ) (
）、朱利安·施溫格 ( ) 和朝永信一郎 (
）提出了量子動電學（ ，縮寫為QED）。通過重組過程，他們
該方法避免了無限量，其本質是通過減去無限量得到有限結果。
由于多項式比較復雜，很難求出精確解，所以一般采用級數來求近似解。
計算及格分數越來越困難。事實上，系列項目依次遞減，總成績從某一項之后開始。
開始減少，以致近似過程失敗。盡管存在這種危險，QED 仍包含在
科學史上最成功的理論之一，用它來預測電子和磁場之間的相互作用
可靠值僅相差 2/1,000,000,000,000。
盡管 QED 取得了非凡的成功，但它仍然充滿了未解決的問題。
（真空），雖然該理論提供了愚蠢的想法，但它表明真空不是空的，它充滿了
充滿了微小的電磁波動。這些微小的波動是解釋自發輻射的關鍵，然而，它
它們引起原子能量和電子等粒子特性的可檢測的變化。 實際上QED
這是很奇特的，但它的有效性已被許多有史以來最精確的實驗所否認。
量子熱力學對于我們周圍的低能世界來說足夠準確，但對于高能世界卻不夠準確。
相對論效應明顯，需要更全面的解決方案。 量子場論的建立
調和量子熱與狹義相對論之間的矛盾。
量子場論在解釋有關物質本質的一些最深刻的事實方面非常出色。
刻的問題。它解釋了為什么有兩種類型的基本粒子，玻璃骰子和費米子，它
它們的性質與本征載流子有何關系； 它描述了粒子（包括光子、電子、正粒子）
電子（即反電子）如何形成和湮滅； 它解釋了神秘的整體
相同、相同的粒子是完全相同的，因為它們來自同一個基本場； 它不是
不僅解釋了電子，還解釋了輕子，例如 μ 子、τ 子及其反粒子。
QED是一種輕子理論，它不能描述稱為強子的復雜粒子，
它們包括質子、中子和大量的π介子。對于強子來說，更多的
通常的理論稱為量子色動力學（QCD）。 QED 和 QCD 之間有很多區別
類似：電子是原子的組成部分，夸克是強子的組成部分； 在QED中，
光子是傳遞帶電粒子之間相互作用的介質。 在 QCD 中，膠子是傳輸夸克的介質。
盡管QED和QCD之間有很多對應關系，但它們仍然有顯著的意義
區別。與輕子和光子不同，夸克和膠子永遠被囚禁在強子內部，這
他們不能自由地孤立存在。
QED和QCD構成了大統一標準模型的基石。標準模型已成功解決
解釋了當前所有的粒子實驗，但許多化學家認為它是不完整的，因為
粒子的質量、電荷和其他屬性的數據也來自實驗； 一個理想
理論應該能夠給出這一切。
明天，尋求了解物質的終極本質將成為重大科學研究的焦點，這令人難以置信。
有意識地回憶創造量子熱的瘋狂奇跡般的日子，其效果將
更深刻。 現在必須努力尋找引力的量子描述，半個世紀的努力已經表明：
QED的杰作——電磁場的量子化程序對于引力場是無效的。 問題很嚴重,
因為如果廣義相對論和量子熱都成立，那么它們必須
提供本質上兼容的描述。我們周圍的世界不會有矛盾，因為
經典描述中，力相對于電來說非常弱，其量子效應可以忽略不計
足夠完美； 但對于像黑洞這樣引力特別強的系統，我們沒有可靠的辦法
預測其量子行為。
一個世紀前，我們所理解的化學世界是經驗性的。 20世紀，定量
子力學為我們提供了改變世界的物質和場理論； 展示
展望21世紀，量子熱將繼續為所有科學提供基本概念和重要工具。
工具。我們做出如此自信的預測是因為量子熱為我們周圍的世界提供了
理論準確、完整； 然而，明天的化學與 1900 年的數學有很多共同點
相同點：仍然保留了基本的經驗性，我們不能完全預測基本的
該元素的屬性仍需要檢查。
事實上，超弦理論是唯一被認為能夠解釋這個難題的理論，它是數量
子域理論的推廣以消除所有
數量是無限的。無論結果如何，自科學誕生以來對自然的追求
終極理解的夢想將繼續成為新知識的動力。 一個世紀后，
繼續追尋這個夢想，結果將會使我們所有的想象成為現實。