量子力學的建立是根據三類實驗結果而來的，它們分別是“黑體輻射”、“原子分立光譜”和“光電效應”。

後來的著名實驗有“微弱光照的小孔衍射”——證明了光子自身的“波動性”；“康普頓效應”——證明了光子的“粒子性”和“電子衍射”——證明了電子的“波動性”和“物質波假設”。

其它的歷史性實驗也很多，如“斯特恩—蓋拉赫實驗”——證明了原子磁矩和電子磁矩的量子化；“原子光譜精細結構”——證明了電子的自旋：“氫原子光譜的蘭姆移動”——證明了“量子電動力學”（包括了“電子反常磁矩”）等等。具體的就不一一列舉了。這裡也沒有列舉有關原子核物理的實驗。

透過實驗學習量子力學是個不錯的主意。下面我就按照時間的線索大致捋捋有哪些著名實驗。我這裡入選的範圍比較寬泛，以期給出更廣的歷史視角。

量子力學誕生前，19世紀最大的物理學成就是電磁學，電磁學統一了電、磁、光三種現象。並隨之伴隨著電燈、電報等技術發明進入人們的日常生活。

在這個領域的著名實驗有：

1814-1825年，夫琅禾費嚮慕尼黑科學院展示自己編繪的太Sunny譜，光譜學是後來發展原子物理學的基礎。

夫琅禾費在演示他的光譜儀。

1884年，巴爾末發現了氫光譜公式，這個公式及更一般的裡德堡公式可以由著名的玻爾模型推出來。

1879年，邁克爾遜利用旋轉鏡法精確地測量了光速，得到的數值是299910公里每秒，隨之在1887年，邁克爾遜和莫雷完成了著名的“邁克爾遜-莫雷”實驗。

根據傳統的機械波的概念，波動需要介質，那麼對光波（電磁波）而言，這個介質就是所謂以太，但“邁克爾遜-莫雷”實驗並沒有找到以太。這個實驗可以被後來愛因斯坦提出的狹義相對論所解釋。

除了電磁學和光學，熱力學在19世紀也有很大的發展。

當時科學家研究的一個課題是“熱輻射譜”，熱輻射就是不同頻率的電磁波的集合，當溫度為T的物體處於熱平衡狀態的時候，它輻射出來的電磁波的強度和頻率存在一個關係，當時的德國科學家（維恩）和英國科學家（瑞利和金斯）分別基於不同的假設得到了兩個分佈公式，但這兩個公式對實驗曲線（魯本斯）吻合的都不是很好。

與魯本斯有密切合作關係的普朗克於1900年10月19日向德國物理學會彙報了自己的新公式——普朗克公式，同一天魯本斯的最新測量結果也在會議上公佈。

1900年底，普朗克提出了量子假說，並透過量子假說推匯出了普朗克公式。從此量子力學的發展正式拉開了歷史的序幕。

克魯克斯管（陰極射線管）示意。

在19世紀真空技術也有了重要進展，基於真空技術，人們可以做出燈泡，燈泡是必須抽真空的，否則燈絲會很快燒斷。如果在燈泡裡再插入一個電極作為陽極，燈泡就會成為陰極射線管。從燈絲（陰極）跑出的電子加速撞在陽極上，陽極會發出X射線（1895，倫琴）。而如果高頻的光照射到陰極上，則可以從陰極中激發出光電子（光電效應：1887，赫茲）。如果我們讓陰極跑出的電子加速，跑的很快很快的話，就是加速器。

1897年，湯姆遜測量了陰極射線（電子）的荷質比（e/m），發現比質子（氫離子）的荷質比大很多，說明電子的質量比氫離子的質量小上千倍。1899年，湯姆遜還證明光電子就是電子。

在湯姆遜工作之前的1895年，塞曼研究了光譜線在磁場中的分裂，洛倫茲假設物體裡存在著自由運動的電子（金屬電子論）解釋了塞曼分裂，並估算出了e/m的取值，這個工作和湯姆遜的工作一起使得人們相信在物質中普遍存在電子。

原子是物質結構中的一個基本層次，1869年，門捷列夫提出了元素週期律，併發布了一張元素週期表。發現新元素並確定元素的性質是化學家的一項重要工作。

一張現代的元素週期表。

1896年，貝克勒爾發現鈾鹽具有放射性。所謂放射性就是物質會放出和X射線類似的具有穿透能力的射線。隨後居里夫婦發現了釙和鐳等具有放射性的新元素。

根據放射性穿透能力的不同，可以分為α，β和γ三種射線。

1909年，盧瑟福等用α射線（高能He核）照射到金屬箔上，發現部分高能α粒子會被金屬箔以大角度反射回來。盧瑟福實驗說明原子中的正電荷集中分佈在原子的極小區域，這就是原子的有核模型。

盧瑟福的工作是開啟微觀物理世界的重要一步，人們發現根據經典物理學很難解釋原子有核模型的穩定性問題。

1913年，玻爾提出了原子結構的玻爾模型。透過定態（原子中存在確定的量子化的能級），量子躍遷，量子化等概念，玻爾解釋了氫原子光譜，X射線特徵譜線等不同物理現象。

並且定態概念，很快就被“弗蘭克-赫茲”實驗（1913）所證實。這本身是個歪打正著的實驗，因為弗蘭克和赫茲在做這個實驗的時候並不知道玻爾模型。

“斯特恩-蓋拉赫實驗”示意，從教學的角度，講這個實驗可以直接介紹矩陣力學，因此是個更現代的教學法。

斯特恩-蓋拉赫實驗（1921）也是為了驗證玻爾模型做的，發現銀原子磁矩的取值確實也是量子化的。這個實驗也比斯特恩和蓋拉赫當初設想的要意義深遠，因為它說明電子存在一個新的內稟性質——自旋，其取值只有向上和向下兩種可能。

1925年，烏倫貝克和古德施米特提出了自旋概念，並解釋了反常塞曼效應。但要完全理解自旋的意義，還要等狄拉克出場才行。

玻爾模型雖然取得了很大的成功，但它還不是一個系統化的理論，並且很難推廣到多電子的情形。1923年，德布羅意提出了量子力學中的核心概念——物質波，德布羅意認為電子必須被描述為一種波動，並用駐波來解釋量子力學中的定態。

物質波，或波粒二象性是量子力學中的核心概念，與之相關的物理實驗，可分為兩個系列。一個系列是光的粒子性，包括：黑體輻射（普朗克分佈），光電效應，康普頓散射等。另一個系列是電子（或粒子）的波動性，包括：原子光譜，戴維遜-革末實驗，中子衍射實驗等。

戴維遜和革末，費曼的雙縫實驗也可以看做是戴維遜-革末實驗的變種。區別是雙縫實驗是費曼出於教學和研究目的提出的一個理想實驗，而革末實驗是歷史上真的被做過的實驗。

既然電子是個波，那麼就需要寫出電子滿足的波動方程。這個任務是薛定諤首先完成的，1926年薛定諤寫出了著名的薛定諤方程，薛定諤方程就是一個偏微分方程，但薛定諤的這個方程並沒有考慮狹義相對論。

在薛定諤之前的1925年，海森堡及其合作者，玻恩和約旦就已經完成了量子力學的第一個版本——矩陣力學，海森堡的思路是不從位置、軌道等經典物理概念出發，直接對實驗觀測到的各種躍遷機率幅寫出方程，海森堡的工作最初是很晦澀的，但在玻恩等加入之後，物理意義變得逐漸清晰起來。

波動力學比較容易被初學者理解，矩陣力學適合做研究，應用的也更廣。現在很多人說，玻恩是量子力學發展史中被低估的一個大師是有一定道理的。

1928年，狄拉克完成了相對論性量子力學（狄拉克方程），解釋了自旋，並預言了反粒子（正電子）。狄拉克是量子力學的最終完成者。除了狄拉克方程，狄拉克δ函式，表象理論，正則量子化等都是量子力學中的核心概念。並且狄拉克的工作也是通向量子場論和費曼路勁積分的關鍵一步。

狄拉克是一個特別謙遜的物理學家，比如他曾盛讚一旦有了薛定諤方程，所有的材料和化學問題“原則上”都解決了，其實這句話用在他自己的狄拉克方程上才更貼切。

1932年，安德森在宇宙射線中發現了正電子，這是對狄拉克方程的直接驗證。

在量子力學基本完成之後，物理學家又開始從“哲學”的意義上對量子力學進行反思。這裡面最有價值的就是愛因斯坦的工作，愛因斯坦透過構造一個量子糾纏態，說明量子力學是一個不具有“局域實在性”的理論。

愛因斯坦本人是不喜歡這個結論的，後來玻姆等試圖發展量子力學的隱變數理論，但這些替代性理論如何在實驗上與正統的量子力學區分是個問題。1964年，貝爾提出了一個不等式，使得區分隱變數理論和正統理論成為可能。

1982年，Aspect透過實驗檢驗了貝爾不等式，實驗表明量子力學確實是非局域的，即愛因斯坦關於量子力學的個人偏好是錯誤的。

Aspect實驗示意。