【中配】海森堡是如何发现量子力学的:矩阵力学的诞生 1925年夏天,为了躲避花粉热,23岁的维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)孤身前往黑尔戈兰岛。在那里,他进行了一场物理学史上最彻底的思维革命:他决定放弃观察不到的电子轨道,转而只关注能够观测到的物理量。这一直觉最终演变成了量子力学的第一个完整形式——矩阵力学。 1. 背景:旧量子论的黄昏 (11:18) 在海森堡之前,波尔模型(Bohr Model)虽然成功解释了氢光谱,但它建立在矛盾的基础上:电子像行星一样绕核旋转(经典图像),却只能在特定轨道上跳跃(量子特性)。 海森堡的质疑:谁见过电子在原子里“旋转”?既然我们只能观测到原子发出的光谱线(频率和强度),那么物理学就应该只建立在这些可观测量的基础上。 2. 里德伯-里兹组合原理的启发 (20:17) 实验物理学家发现,光谱线的频率满足一种特殊的叠加规律: $$\nu_{nm} = \nu_{nk} + \nu_{km}$$ 这暗示了原子的内部状态并不是单一的数字,而是与两个状态(起始态和终态)相关的量。 重新解释运动学:在经典力学中,位置 $x(t)$ 是一个简单的函数。但在量子世界,海森堡将其重新定义为一个频率表,表中的每一个元素 $x_{nm}$ 代表了从状态 $n$ 到状态 $m$ 的跃迁信息。 3. 为什么是矩阵? (23:26) 当海森堡尝试计算两个物理量(如位置 $x$ 和动量 $p$)的乘积时,他发现了一个惊人的事实: 非对易性:按照他的新规则计算出的乘积,$x \times p$ 并不等于 $p \times x$。 数学巧合:当他向导师马克斯·玻恩(Max Born)展示结果时,玻恩意识到这正是数学中的矩阵乘法。 核心方程:这也导致了量子力学著名的对易关系: $$xp - px = i\hbar$$ 4. 黑尔戈兰岛的深夜突破 海森堡通过计算简单的谐振子模型,发现系统能量确实是量子化的,而且能量守恒定律依然成立。在那一刻,他意识到自己窥见了自然界最深层的秘密。 矩阵力学的本质:物理量不再是随时间变化的数值,而是作用于状态空间的算符(矩阵)。 原视频标题:How Heisenberg Discovered Quantum Mechanics 原作者:Abide By Reason #青年创作者成长计划 #人间观察计划
00:00 / 19:38
连播
清屏
智能
倍速
点赞131
00:00 / 01:06
连播
清屏
智能
倍速
点赞213
00:00 / 02:34
连播
清屏
智能
倍速
点赞52
00:00 / 02:46
连播
清屏
智能
倍速
点赞6
00:00 / 07:18
连播
清屏
智能
倍速
点赞0
00:00 / 01:22
连播
清屏
智能
倍速
点赞76