量子化学百年回顾
D.&R.
奇译于2000.8.11
译者序：本文为世界著名科学期刊（8月11日）纪念普朗克量子概念
一篇百岁生日的评论基本上描述了上个世纪数学的波澜壮阔的发展（相对论除外）。
展览现场。 因此，特将其翻译成英文，以飨读者。
20 世纪最有影响力的科学进步的综合清单应该包括广义相对论、
量子热、大爆燃、遗传密码的破译、生物进化论等等
读者喜欢的话题。在这一发展中，量子热驱动的深层基本特性
它处于一个最奇特的位置。它促使化学家重新审视他们对现实的看法
概念； 迫使他们重新考虑事物最深层的本质； 迫使他们纠正立场并
速度的概念以及因果的定义。
虽然量子热力学是描述具体的原子世界，远离我们的日常经验
已经成立，但它对我们日常生活的影响是巨大的。没有量子热力学
没有物理、生物学、医学和其他所有关键学科的工具
令人着迷的进步。没有量子热就不会有全球经济，因为量子热
电子革命的产物，将我们带入计算机时代。同时，光子学的革命
它也把我们带入了信息时代。量子化学的杰作改变了我们的世界，彻底改变了科学
生命给这个世界带来的好消息也带来了潜在的威胁。
量子热并非像广义相对论那样来自于对引力与几何关系的精辟理解
DNA 的破译也没有揭示生物学新世界的奥秘
纱线，它的起源不是一步到位的过程，它是历史上罕见的天才聚集在一起的
创造了它。量子的概念是如此令人不安，以至于在它提出的 20 年里
由于基本进展如此之少，一群化学家花了五年时间才形成
量子热力学。那些科学家沉迷于他们所做的事情，有时甚至沉迷于他们自己
对他的所作所为感到沮丧。
事实上，以下观察可以最好地描述这一重要但不可能的事情：
不稳定理论的特殊地位：量子理论是科学史上经过最精确实验检验的理论
他的理论是科学史上最成功的理论。量子热对其起源深感困惑
或者，然而，直到 75 年后的明天，一些科学
世界精英虽然认识到它的强大威力，但仍然不了解它的基础和基本探索。
满足。
去年是马克斯·普朗克量子概念提出 100 周年。存在
在他关于热辐射的经典论文中，普朗克假设振动系统的总能量不能连续
变化，但以离散能量量子的形式从一个值跳跃到另一个值。量子
这个概念是如此激进，以至于普朗克后来将其搁置。然后，在 1905 年，爱因斯坦
（今年对他来说是非凡的一年）认识到光量子化的潜在意义。但是
量子这个概念太怪异了，现代量子理论自此之后几乎没有什么根本性的进展
该机构的成立是新一代化学家 20 多年工作的结晶。
你只需要看看量子理论诞生之前的数学就能感受到量子化学的影响
革命性的影响。 1890年至1900年的化学期刊论文基本上都是关于原子光的
光谱和物质的其他一些基本可检测特性，例如粘度、弹性、电学
导电率、导热率、膨胀系数、折射系数、热弹性系数等由于维多利亚
以惊人的速度刺激亚型工作机制和完善的实验模式、知识的发展
积累。
但对同时代人来说最明显的是对物质属性的简洁描述
基本上是经验性的。数千页光谱数据列表精确
没有人知道谱线为何出现，更不用说它们传达的信息了。
热导率和浊度率的模型解释只占事实的一半左右。尽管不是无数
经验定理，但它们很难令人满意。例如，-Petit 定理构造
热量和物质原子量之间的简单关系，有时有效，有时无效。存在
大多数情况下，同体积的二氧化碳的质量比满足简单的整数关系。元素周期表
虽然它为物理学的繁荣提供了关键的组织规则，但它也没有理论基础。
在许多伟大的革命性进步中，量子热提供了一种定量的方法
今天，我们原则上可以理解原子结构的每一个细节； 元素周期表
能够简单、自然地解释； 巨大的光谱排列也包含在崇高的理论框架中
架子。量子热力学提供了对分子、流体和固体、导体和半导体的定量理解
方便。可以解释超流体、超导体等奇异现象，也可以解释中子星等事物
和玻色-爱因斯坦收敛（二氧化碳中所有原子表现为单个原子的现象）
一个人的超大原子）和其他奇怪的物质聚集方式。所有科学分支的量子热力学
每一项高科技都提供了关键的工具。
量子化学实际上包括两个方面。一个是原子水平上的物质理论：数量
子力学； 正是它使我们能够理解和操纵物理世界。 另一个是量子场论，
它在科学中扮演着完全不同的角色，我们稍后会再讨论。
旧量子理论
量子革命的导火索不是对物质的研究，而是辐射问题。具体挑战
战斗是为了了解Arial（即某种热物体）辐射的光谱。烘焙过的人都熟悉
这样的现象：热的物体会发光，而且光越热，光越亮。光谱的范围很广
宽，当温度下降时，光谱的峰值从红线移动到黄线，然后移动到蓝线
移动（那些我们无法直接看到的）。
结合热力学和电磁学的概念实际上可以解释波谱的形状，而不是
所有的尝试都以失败告终。然而，普朗克假设振动电子发出的光
能量被量子化了，因此得到了一个表达式，与实验完全吻合。但是
但他也充分认识到这个理论本身就是荒谬的，正如他后来所说：
“量化只不过是一种走投无路的做法”。
普朗克将他的量子假设应用于散热器表面振荡器的能量，如果没有
有了新秀阿尔伯特·爱因斯坦，量子化学似乎就在这里
结束。 1905年，他毫不犹豫地断言：如果振荡器的能量被量子化，那么
所以形成光电磁场的能量也应该被量子化。虽然麦克斯韦理论和
一个多世纪的权威实验证明光具有波动性，爱因斯坦的理论至今仍然有效
包含了光的粒子行为。经过十多年的光电效应实验表明，只有当光的能量
当能量达到某个离散值时，就会被吸收。 这种能量就像被每个粒子吸收一样
光的波粒二象性取决于你的观点，它总是
量子化学中令人不安的例子之一，成为未来 20 年的理论基础
困境。
辐射困境推动了量子理论的第一步，物质悖论则是第二步。
步。 众所周知，原子含有带正电荷和负电荷的粒子，异号电荷相互吸引。
根据电磁理论，正负电荷会呈螺旋状相互靠近，辐射会具有宽光谱
光直至原子塌陷。
然后另一位新秀尼尔斯·玻尔做出了决定性的举动
步。 1913年，玻尔提出了一个激进的假设：原子中的电子只能存在于
在包括能级的静止状态下，电子在两个静止状态之间跃迁以改变其能量，
同时辐射一定波长的光，光的波长取决于稳态之间的能量差。
凭借已知的定理和这个奇怪的假设，玻尔解决了原子稳定性问题。玻尔
该理论充满矛盾，提供了氢原子光谱的定量描述。他意识到
他的模型的成功和缺陷。凭借惊人的远见，他组建了一群化学
科学家建立了新的数学，一代年轻化学家花了12年才终于实现
他的梦想。
最初，发展玻尔量子理论（通常称为旧量子理论）的尝试遭到了反对。
一次又一次的失败。 随后一系列的事态发展彻底改变了思路。
量子热的历史
1923年，路易斯·德布罗意在他的博士论文中提出
光的粒子行为和粒子的波动行为应该是对应存在的。粒子的波长
与动量连接：动量越大，波长越短。 真是令人着迷的样子
但没有人知道粒子的波动性意味着什么，或者它与原子结构有何关系。
连接。 但德布罗意的假设是一个重要的前奏，很多事情将会发生。
1924年秋，又一条战线出现。 萨蒂延德拉·N·博斯 ( N. Bose)
N. Bose）提出了一种全新的方式来解释普朗克辐射定理。他将光视为
二氧化碳由不服从的（静止）无质量粒子（现在称为光子）组成
遵循经典的玻尔兹曼统计定律，并遵循基于粒子不可区分性的性质
（即身份）基于一种新的统计理论。爱因斯坦立即将玻色的推理应用于
因此，对于二氧化碳的实际质量，可以得出一个公式，描述二氧化碳中的粒子数量与能量的关系
分布，称为玻色-爱因斯坦分布。但是，一般来说，新原理和旧原理
该理论将预测原子二氧化碳的相同行为。爱因斯坦对此不再感兴趣，所以
这个结果也被搁置了10多年。 然而，它的关键思想——粒子的身份，
非常重要。
突然，一系列风波接踵而至，最终引发了一场科学革命。从1925年开始
从 1 月到 1928 年 1 月：
•沃尔夫冈·泡利提出了不相容原理，为元素周期表奠定了基础
奠定了理论基础。
• 维尔纳·海森堡 ( )、马克斯·玻恩 (马克斯·玻恩)
和 () 提出了量子热的第一个版本，
矩阵热学。最后人们放弃了以系统的方式组织可观测的谱线来理解
解决原子中电子运动的历史目标。
• 埃尔文·薛定谔提出了量子热的第二种形式
公式，波热力学。在波热力学中，系统的状态由薛定谔多项式的解定义——波
函数来描述。 矩阵热力学和波热力学看似矛盾，但本质上是等价的。
• 电子被证明遵守新的统计定律，费米-狄拉克统计。人们进一步
一步认识到所有粒子都服从费米-狄拉克统计或玻色-艾因统计
根据斯坦因的统计，这两类粒子的基本性质有很大不同。
• 海森堡阐述了不确定性原理。
保罗·A·M·狄拉克（PaulA.M.Dirac）提出相对论涨落
多项式用于描述电子，它可以解释电子载流子，但可以预测反物质。
•狄拉克提出了电磁场的量子描述，完善了量子场论的基础。
• 玻尔提出了互补原理（一种哲学原理），试图解释一些量子理论
最明显的矛盾就是波粒二象性。
量子理论的主要创始人是年轻人。 1925年，泡利25岁，海森堡
他和恩里克·费米（Fermi）24岁，狄拉克和乔丹23岁。薛定谔是
大器晚成，36岁。博恩和玻尔年龄稍大，值得一提的是，他
他们的大部分贡献都是解释性的。爱因斯坦的回应揭示了量子热的智慧
结果的深刻而激进的本质：他拒绝了他发明的许多量子理论的关键
概念，他关于玻色-爱因斯坦统计的论文是他关于理论化学的最后一个项目
贡献，也是对化学的最后一个重大贡献。
开尔文爵士在《量子热学》中表示，需要新一代化学家来建立量子热，这并不奇怪。
一封庆祝玻尔 1913 年氢原子论文的信中描述了这样做的动机。
他说玻尔的论文里有很多道理他无法理解。开尔文觉得很基础
新的数学必须来自不受约束的思想。
1928 年，革命结束，量子热的基础基本上已经奠定。 之后，
派斯用有趣的轶事记录了这场革命的疯狂步伐。
里面有一段是这样的，1925年，他提到
出于电子载流子的概念，玻尔对此深表怀疑。 玻尔10月乘火车抵达法国
莱顿出席亨德里克·A·洛伦茨 (A.) 50 岁生日庆祝活动
Codex，泡利在美国披萨店遇见了玻尔，并检验了玻尔关于电子载体可能性的想法；
玻尔用他著名的高调评论的语言回答说，航母提案“非常非常”
特别有趣”。后来，爱因斯坦和保罗在莱顿遇见了玻尔，并
讨论了载体。玻尔表示反对，爱因斯坦却展示了载体
的一种形式，使玻尔成为载体的支持者。在玻尔的回程途中，他遇到了更多
众多讨论者。当火车经过日本哥廷根时，海森堡和乔丹接机提问
按照他的说法，泡利还特地从比塞奇赶到柏林来接他。玻尔告诉了他们承运人
发现是一个重大进步。
量子热的产生引发了科学淘金热。初步成果是：1927年海
森伯格获得了氦原子薛定谔多项式的近似解，奠定了原子结构理论的基础；
约翰和福克随后提出了原子
估计结构的常用方法； 弗里茨和
莱纳斯构建理论物理的结构； 和
泡利建立了金属电子理论基础，菲利克斯·布洛赫建立了能带结构理论；
海森堡解释了铁磁性的起源。 1928年伽莫夫解释了α放射性衰变
为了解开变化的随机性之谜，他证明了α衰变是由量子热力学的隧道效应引起的。
在接下来的几年里，汉斯·贝特奠定了核化学的基础，并解释了恒星的能量是如何来自于
随着这一进步，原子化学、分子化学、固态化学和核化学进入了化学领域。
现代数学时代。
量子热的本质
随着这一进展，围绕量子热的解释和有效性出现了许多争论。
玻尔和海森堡是重要的倡导者，他们相信新理论，爱因斯坦和薛
丁格对这个新理论并不满意。要理解这种混乱的根源，必须掌握量子理论
主要特点总结如下。 （为简洁起见，我们仅描述薛定谔的波热力学。）
基本描述：波函数。系统的行为由薛定谔多项式描述，方程的解
是波函数。系统的完整信息是用它的波函数来描述的，通过它
任何可观察到的可能值。与在给定空间体积中找到电子的概率成反比
为波函数振幅的平方，粒子的位置分布在波函数所在的体积内。
粒子的动量取决于波函数的斜率，波函数越陡量子物理学理论理论，动量越大。斜率是可变的
，因此动量也是分布的。因此，有必要丢弃位移和速度才能确定
任意精度的规范图像，并采用模糊概率图像，这也是量子热
核。
对相同系统进行同样仔细的测试并不一定会产生相同的结果，而是
相反，结果分散在波函数描述的范围内，因此电子特定位置和动量
毫无意义。这可以用不确定性原理描述如下：为了精确测量粒子的位置，波
该函数必须达到峰值，但是峰值必须有一个陡峭的斜率量子物理学理论理论，因此动量是分布的
在大范围内； 相反，如果动量分布较小，则波函数的斜率一定较小，
因此，波函数分布在很大的范围内，使得粒子的位置变得越来越不确定。
波干扰。 波是相乘还是相加取决于它们的相位，当振幅同相时相乘，
反相时添加。当波沿着从源到接收器的多个路径时，例如双缝光干
干涉，通常形成干涉图案。粒子服从波多项式，并且必须具有相似的行为，例如
电子衍射。 到目前为止，除了考察波的本质之外，这个类比是合理的。波的一般性
我觉得是一种介质的扰动，但是量子热里没有介质，某种意义上来说
说根本不存在波，波函数本质上只是我们对系统信息的陈述。
对称性和同一性。 氦原子由两个绕原子核运行的电子组成。氦
原子的波函数描述了每个电子的位置，但没有办法知道是哪个电子
是哪个电子？ 因此，电子交换后看不到体系的变化，也就是说
在给定位置找到电子的概率不会改变。因为概率取决于波函数振幅的平均值
平方，所以粒子交换后系统的波函数与原始波函数之间的关系只能是以下
其中之一：要么与原来的波函数相同，要么改变符号，即负-1.who取
呢绒？
量子热力学的一个令人惊讶的发现是，电子的波函数会改变电子交换的符号。
结果是戏剧性的，两个电子处于相同的量子态，具有相反的波函数，所以
这个总波函数为零，也就是说两个电子处于相同状态的概率为0，也就是说气泡
利益排除原则。 所有半整数载流子（包括电子）的粒子都遵循这个原理，
称为费米子。具有整数个载流子（包括光子）的粒子的波函数不是
改变符号，称为玻璃骰子。电子是费米子，因此在原子中分层排列；
骰子的制作使激光看起来像超硬光束（本质上是量子态）。
最近，二氧化碳原子被冷却到量子态以产生玻色-爱因斯坦收敛，当体积
该系统可以发射强大的物质束并产生原子激光。
这个概念只适用于相同的粒子，因为不同粒子交换后波函数实际上是不同的。
相同的。 因此，只有当粒子系统相同时才能显示玻璃骰子或费米子的行为。
同一个粒子是完全相同的，这是量子热最神秘的方面之一，即量子场
该理论的成就将解释这一点。
争议与困惑
量子热是什么意思？ 波函数到底是什么？ 检测是什么意思？这个
这些问题在早期曾引起激烈争论。直到 1930 年，玻尔和他的朋友们或多或少都在
提出了量子热的标准解释，即赫尔辛基解释； 其要点是通过
玻尔互补原理描述了物质和风波的概率，并调和了物质的波粒二象性
矛盾。爱因斯坦不接受量子理论，他始终同意玻璃关于量子热的基本原理
我一直争论到他 1955 年去世为止。
关于量子热争论的焦点是：波函数是否包含了系统的所有信息？
信息或隐含的诱因（隐藏变量）决定特定测试的结果。 60年代中期
约翰·S·贝尔（JohnS.Bell）证明，如果存在隐变量，那么实验观察
观察到的概率应低于某个界限，即贝尔不等式。多数群
实验结果与贝尔不等式脱节，他们的数据断然否定了隐变量的存在
可能性。 这样，大多数科学家就不再怀疑量子热的正确性了。
然而，由于量子理论的神奇力量，其本质仍然引起人们的关注。
意志力。量子系统的特殊性质源于所谓的纠缠态，简单地说，量子体
系统（如原子）不仅可以处于一系列静止状态，还可以处于它们的叠加状态。
检测处于叠加态的原子的某些性质（如能量），一般来说，有时会得到这样的结果
一个值，有时会得到另一个值。 到目前为止，还没有发生什么奇怪的事情。
并且可以构建处于纠缠状态的双原子系统，使得两个原子共享相同的
性质。当两个原子分离时，一个原子的信息被另一个原子共享（或
据说是纠结）。 这种行为只能用量子热的语言来解释。这种效应太
可以想象，只有少数活跃的理论和实验机构正在关注它，
问题不仅仅局限于原理的研究，还包括纠缠态的使用； 纠缠态已经应用于量子
信息系统也成为量子计算机的基础。
第二次革命
在二十世纪二十年代中期量子热力学创立的狂热时期，另一场革命也在发生。
生命，量子化学的另一个分支——量子场论的基础正在完善。与量子不同
正如热力学的建立一样，量子场论的建立也经历了一段时间。
坎坷的历史至今仍在继续。量子场论虽然困难，但它的预测
其精度在所有化学学科中是最精确的，同时也为一些重要的理论领域提供了基础。
领域探索提供了示例。
爆发提出了量子场论的问题，即电子从爆发状态跃迁到能级时原子如何表现。
光芒四射。 1916年，爱因斯坦研究了这个过程，并将其称为自发发射，但是
他未能估计自发发射系数。解决这个问题需要电磁场（即光）的发展
相对论量子理论。 量子热力学是解释物质的理论，而量子场论，顾名思义，
它是研究领域的理论，除了电磁场之外，还有后来发现的其他领域。
1925年，玻恩、海森堡和乔丹发表了光量子场论的初步观点，
但关键的一步是年轻且默默无闻的化学家狄拉克于 1926 年提出的
场论。狄拉克的理论有很多缺陷：难以克服的估计复杂性、预测
无限大，似乎与对应原理相矛盾。
20 世纪 40 年代末，量子场论出现了新的发展，理查德·费曼 ( ) (
）、朱利安·施温格 ( ) 和朝永信一郎 (
）提出了量子动电学（ ，缩写为QED）。通过重组过程，他们
该方法避免了无限量，其本质是通过减去无限量得到有限结果。
由于多项式比较复杂，很难求出精确解，所以一般采用级数来求近似解。
计算及格分数越来越困难。事实上，系列项目依次递减，总成绩从某一项之后开始。
开始减少，以致近似过程失败。尽管存在这种危险，QED 仍包含在
科学史上最成功的理论之一，用它来预测电子和磁场之间的相互作用
可靠值仅相差 2/1,000,000,000,000。
尽管 QED 取得了非凡的成功，但它仍然充满了未解决的问题。
（真空），虽然该理论提供了愚蠢的想法，但它表明真空不是空的，它充满了
充满了微小的电磁波动。这些微小的波动是解释自发辐射的关键，然而，它
它们引起原子能量和电子等粒子特性的可检测的变化。 实际上QED
这是很奇特的，但它的有效性已被许多有史以来最精确的实验所否认。
量子热力学对于我们周围的低能世界来说足够准确，但对于高能世界却不够准确。
相对论效应明显，需要更全面的解决方案。 量子场论的建立
调和量子热与狭义相对论之间的矛盾。
量子场论在解释有关物质本质的一些最深刻的事实方面非常出色。
刻的问题。它解释了为什么有两种类型的基本粒子，玻璃骰子和费米子，它
它们的性质与本征载流子有何关系； 它描述了粒子（包括光子、电子、正粒子）
电子（即反电子）如何形成和湮灭； 它解释了神秘的整体
相同、相同的粒子是完全相同的，因为它们来自同一个基本场； 它不是
不仅解释了电子，还解释了轻子，例如 μ 子、τ 子及其反粒子。
QED是一种轻子理论，它不能描述称为强子的复杂粒子，
它们包括质子、中子和大量的π介子。对于强子来说，更多的
通常的理论称为量子色动力学（QCD）。 QED 和 QCD 之间有很多区别
类似：电子是原子的组成部分，夸克是强子的组成部分； 在QED中，
光子是传递带电粒子之间相互作用的介质。 在 QCD 中，胶子是传输夸克的介质。
尽管QED和QCD之间有很多对应关系，但它们仍然有显着的意义
区别。与轻子和光子不同，夸克和胶子永远被囚禁在强子内部，这
他们不能自由地孤立存在。
QED和QCD构成了大统一标准模型的基石。标准模型已成功解决
解释了当前所有的粒子实验，但许多化学家认为它是不完整的，因为
粒子的质量、电荷和其他属性的数据也来自实验； 一个理想
理论应该能够给出这一切。
明天，寻求了解物质的终极本质将成为重大科学研究的焦点，这令人难以置信。
有意识地回忆创造量子热的疯狂奇迹般的日子，其效果将
更深刻。 现在必须努力寻找引力的量子描述，半个世纪的努力已经表明：
QED的杰作——电磁场的量子化程序对于引力场是无效的。 问题很严重,
因为如果广义相对论和量子热都成立，那么它们必须
提供本质上兼容的描述。我们周围的世界不会有矛盾，因为
经典描述中，力相对于电来说非常弱，其量子效应可以忽略不计
足够完美； 但对于像黑洞这样引力特别强的系统，我们没有可靠的办法
预测其量子行为。
一个世纪前，我们所理解的化学世界是经验性的。 20世纪，定量
子力学为我们提供了改变世界的物质和场理论； 展示
展望21世纪，量子热将继续为所有科学提供基本概念和重要工具。
工具。我们做出如此自信的预测是因为量子热为我们周围的世界提供了
理论准确、完整； 然而，明天的化学与 1900 年的数学有很多共同点
相同点：仍然保留了基本的经验性，我们不能完全预测基本的
该元素的属性仍需要检查。
事实上，超弦理论是唯一被认为能够解释这个难题的理论，它是数量
子域理论的推广以消除所有
数量是无限的。无论结果如何，自科学诞生以来对自然的追求
终极理解的梦想将继续成为新知识的动力。 一个世纪后，
继续追寻这个梦想，结果将会使我们所有的想象成为现实。