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量子问道

量子物理发展史

发布时间:2020-07-31 16:08阅读次数:1009次
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来源:科普中国-科普文创

http://www.kepuchina.cn/fiction/khxs/201712/t20171218_340450.shtml



1887年,赫兹通过一个高频振荡回路(LC回路)证实了电磁波的存在,接收器上震荡的蓝火花,使得完美的麦克斯韦理论的预言被证实,一个新的物理学大门从此打开。  

  赫兹证实了电磁波的存在,也证实了光其实是电磁波的一种,(确实两者均具有波的性质)因此,人们早在17世纪,就对光是波还是粒子进行了一次大争论,当然,其中会发生一些小插曲,而为我们所熟知的牛顿与胡克就在这场大战中闹得不可开交。开始时,“微粒说”与“波动说”曾经妄图互相学习,互相补充,但朝夕之间,他们就发现,对方简直就是死敌,热情洋溢的人们发展了波动论,以胡克为代表,惠更斯的波动理论《光学》为论调,辅助以“牛顿环”和双折射现象,使得波动理论达到了新的高峰。(波动说却蕴含着一个可怕的漏洞,以太,留在下文讲解)但是,波动说的领军人物却得罪了史上最伟大的物理学家,牛顿,这个冉冉升起的太阳,本来也曾在波与粒子间动摇,奈何他与胡克的个人恩怨,使得他最后坚定不移的站在了微粒的阵营中,17、18世纪的牛顿体系是如此崇高, 令人只敢畏惧,“微粒说”理论似乎牢不可破:这个巨人从粒子的角度讲解色散、牛顿环,几乎与《原理》媲美的《光学》……这些都是阻碍波动说前进的巨石。也使得人类历史上第一次有关光是波还是粒子的争论画上了句号,有牛顿的加入,使得一切都有了天翻地覆的变化。

  万幸的是,在一个世纪后,来自英国的托马斯·杨又一次开启了这场较量,一个教徒家里罕见的出现了一位极富有反叛精神的年轻人。他通过研究人体眼睛的构造,接触到光的一些问题,并最终形成了光是波动的想法。并在1801和1803年分别发表论文报告,阐述了如何用光的波动解决牛顿环和衍射问题,甚至初略的计算出来光的波长。虽然微粒学家举出过很多例子来进行反驳,比如最出名的马吕斯偏振问题,但正如杨所说:“……您的实验只能证明我的理论有不足之处,但却没有办法证明他是虚假的。”决定性的时刻来自于1819年,关于光的衍射效应以及光通过物体时的运动情况。本来是证明微粒学无上地位的问题,在菲涅尔严密的数学推理下,极为圆满的解释了光的衍射问题,当泊松光斑出现在人们面前时,所有人都大吃一惊,同时,《关于偏振问题的相互作用》用横波理论解释了偏振现象,攻克了微粒学说的最后一个堡垒。更可喜的是,麦克斯韦的理论预言,光其实就是电磁波的一种,伟大的麦克斯韦所发表的三篇电磁理论论文,具有划时代的意义。这第二次的较量就是波动的完胜,登上了物理学的宝座。

  好吧,似乎一切都结束了,物理学似乎从这天起就圆满了,力学上,牛顿体系历经岁月洗礼却更突显他的伟大,万物都跟随着它的指令运转,海王星的发现更是浓墨重彩的添上一笔,热学也建立起自己的热力学三大定律,最难克服的光学也以波画上句号,经典力学,经典的电动力学,经典的热力学相辅相成,一起构筑了一个伟大的物理学殿堂。好吧,在这平静的背后还隐藏着一个恐怖的存在,让我们回到第二段,我们还有一个更重要的问题,这个问题如同1+1=2,人类呼吸需要空气一样似乎天经地义,但却是波动说留下的最为尖锐的问题——“以太”……

  “以太”是什么,可能在平时生活中依稀听到过,一个游戏中能够出现的高频词汇。那“以太”究竟是什么呢,可以“肯定”的是它是一个媒介,而且鉴于光速是三十万千米/秒,那么“以太”必须异常坚固。然和事实却是,没有任何人能感受到他的存在,就像是隐藏在公式中的幽灵,坚硬无比的以太可以承载光速,却连灰尘都不能掀动。当你打开文库,搜索以太,电脑上会显示:以太是古希腊哲学家所设想的一种物质,是一种被假想的电磁波的传播媒质,被认为无所不在。困惑了吧,波动说很完美,但是却连他们最初的理论依据都不能证实。(简单来说,古希腊的学者认为有一种比四大元素更为纯净的存在,因而被用在物理学中,成为物理学的基础,曾经代表光媒与绝对参考系,当他褪去荣耀,似乎想要改头换面时,赋予新意义时,却仍被抛弃,甚至成为伪科学的代名词。)

  不出意外,我们现在的物理学本来不应该这么复杂,我们可能还停留在前人的功劳簿上沾沾自喜:看啊,我们人类是多么的聪明。然而,随之而来的新的发现——迈克尔·逊—莫雷实验以及黑体辐射实验,却让人们大吃一惊,简单来说,迈克尔逊-莫雷的实验是为了探测以太的飘逸速度,这可能是当时最为精密的实验,但结果却让人心碎不已,这个失败的实验意味着整个经典物理世界的崩塌,也导致了相对论革命的爆发,而另一个黑体实验,则最终导致了量子论革命的爆发。

  我们知道,黑色的物体是因为吸收了黑颜色的波导致的,那么,假设一束光射进球体,却无法反射出来,看上去就是绝对黑色。也就证明了辐射能量、频率和温度中存在着一些函数关系,但是,可怕的事情在于,通过科学家的运算,却分别从波动和粒子两条方向出发,却得出来了两个不相干的公式——维恩定律以及瑞利-金斯公式,两者截然相反,却都有一定的可去性(维恩公式适用于短波,瑞利-金斯公式适用于长波。)

  奇怪吧,当然,人们也是一头雾水,正当人们头痛不已时,马克斯·普朗克登上了历史舞台。作为量子学的奠基人,我觉的我有必要介绍一下:马克斯·普朗克,德国物理学家,出生于德国基尔城,母亲埃玛·帕齐希(是父亲的第二任妻子,普朗克在基尔度过了他童年最初的几年时光,直到1867年全家搬去了慕尼黑,后在慕尼黑的马克西米利安文理中学读书,与他当时同学的奥斯卡·冯·米勒后来成为了德意志博物馆的创始人。一九九零年十二月月十四日,普朗克在德国物理学会上报告学术结果,这成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。由于这一发现,普朗克获得了1918年诺贝尔物理学奖。

  好了,回归正题,两套公式,都只能在一个方面起作用,他的任务,就是找出一个普适公式,一个用来正确描绘黑体辐射的相当复杂的代数公式,使得这个代数式能够完美地概述实验数据,在今天理论物理学上仍常常使用。他无意中凑出一个公式,可以进化成长波,也可以退化为短波的公式,而这个公式,就是普朗克黑体公式。当然,他也明白,公式的成功不仅仅是侥幸,它的背后,一定还隐藏着更大的秘密。问题就是:公认的物理学定律预示存在着一个完全不同的公式。如普朗克所说:“Ich hege nicht den Wunsch,Neuland zu entdecken,sondern lediglich,diebereits bestehenden Fundamente der physikalischen Wissenschaft zuverstehen,vielleicht auch noch zu vertiefen.”,翻译成中文意思是:“我并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许能将其加深。”

  普朗克对这个问题沉思默想,终于提出了一个崭新的学说:辐射能只能以普朗克称为量子这个基本单位的整倍数形式辐射出来。根据普朗克学说,一个光量子的大小取决于光的频率(即颜色)且与一个物理量成正比。普朗克把这个物理量缩写为h,现在被称为普朗克常数。普朗克假说与当时流行的物理概念完全对立,但是他却利用这一假说在理论上准确地推导了正确的黑体辐射公式。普朗克假说具有彻底的革命性。因此若不是他以顽固保守的物理学家而著称,他的假说无疑会被当作一种荒诞的思想而弃之一边。虽然这一假说听起来很离奇,但是在这种特殊情况下却推导出了正确的公式。当初大多数物理学家(包括普朗克本人在内)都认为这一假说不过是适应面很窄的一个数学假设。但是几年以后表明普朗克的概念还能应用于除黑体辐射以外的许多各种不同的物理现象。

  普朗克新理论的提出,使得大半个物理学和整个化学都被摧毁,亟待重建,一个新的时代从此拉开帷幕。量子论犹如突然出现的君主,如闪电划过黑夜般打破了一切旧的微观物理秩序:E=h·v。普朗克,带着这个公式,使得1900年12月14日成为了量子的诞辰,普朗克也成为了人们公认的量子学教父。

  然而也许量子学注定命途多舛,它不像牛顿体系一样如此精美完善,甚至它的父亲——普朗克也曾在量子学和麦克斯韦理论间徘徊。量子如同一个怪胎,又似一个可怜的婴孩,创造它的人都避之不及,妄图领养它的人也被吓得躲在一边,神啊,这到底是一个什么样的怪胎。

  普朗克是老牌的科学家,甚至他自己都不愿意承认量子的假设是一个真正的物理事实,如果能量被量子化了,那么首当其冲的,便是麦克斯韦理论。人们在使用普朗克公式时,如同远古时期的人们使用火一样,敬畏,恐惧,如同是上帝赐予的礼物。直到1905年,在瑞士的伯尔尼专利局,阿尔伯特·爱因斯坦才把人们从光电效应中解放出来——光量子(也就是1962年Lewis换成的光子),才让人们稍稍摸到头绪。

  我们已经知道,光是一种波动,波的强度代表他的力量,电子是被束缚在金属内部,外部给予能量不够,就无法将电子打击出来,但增加了波的强度,如果频率不够,也不能将电子打击出来,也就是说:光的频率决定能否将其从金属表面打击出来,而光的强度,则决定了打击出电子的数目。我们再回到那个公式:E=hv,这是什么意思,爱因斯坦抓住了问题的关键,频率和能量,提高频率,不正是提高单个量子的能量吗,而光的强度,只是增加量子的数量罢了。

  问题绕了一个大圈又回到起点,光的本质到底是什么。

  爱因斯坦提出了跨时代的假说,光以量子形式吸收能量,不连续也无法积累。

  直到后来的康普顿在研究x射线被电子散射时,发现了一个奇怪现象,散射出的x射线居然分成两部分,一部分与原来波长相同,而另一部分却比原射线波长还要长,他推到出了波长变化与散射角的关系,实验准确的告诉人们,辐射量子不仅有能量,还具有一定的冲量。

  1911年春天,一个叫索尔维的人做了一件了不起的大事,他慷慨解囊,赞助了一个全球性的科学会议。而这个会议,就大名鼎鼎的索尔维会议,二十四名全世界最了不起的科学家齐聚一堂,在历史上留下了光辉的一页。

  新的篇章由玻尔揭开,巴尔末公式让玻尔眼前一亮,他看到了新的曙光——经典理论中的延续性被破坏,量子化条件必成为原子理论的主宰!(后来经过多年的摸索,他所著的《论原子和分子的构造》、《单原子核体系》、《多原子核体系》构成了量子物理的伟大三部典)我想我必须应该将这番话重新表述一遍:必须假定,能量在发射和吸收时,必须分成一份一分的。或许你不太明白我为什么非要阐释这句极为简单的语句,或许会告诉我,这又有什么关系,这其中又有什么意义呢。好吧,仔细听好,这种观念离奇的与你在高中认识的大部分物理学家的观念都是相左的,截然相反,甚至可以完全摧毁一个人的世界观!简单举出几个例子:你能不能相信3点和4点之间没有3点半这个时刻,你能否相信冰在烧开沸腾过程中没有经历50摄氏度……是不是很有意思呢,更有意思的是古希腊的爱利亚派为了验证自己学说——世界上只有一个一个唯一的存在(即不存在运动),所提出的诡辩,那个中学老师讳莫如深的悖论——芝诺追龟悖论,那只阿喀琉斯永远追不上的乌龟告诉人们:量子的效应,早已使得时间和空间不能再无限细分。

  随着时间的前进,量子学也在不断发展,旧的量子理论不断被打破,衍生出的结论(就像高中化学书中学生所搞不清的泡利原理、洪特规则等)将人类的理论结构变为自万能理论为主干,分开为广义相对论与量子场论,最终归为哲学的体系。量子论革命的破坏力是惊人的,概率解释,互补原理和不确定原理这三大核心原理,将经典世界的(严格)因果性,(绝对)客观性摧枯拉朽般捣毁,新的量子展现了一个全新的世界,甚至违背了人们的理性。但那有什么关系呢?一个全新的时代就这样出现在人们面前。

  物理,乃万物之理,量子学只是其一个小小的分支。世界的奥秘还有待大家去发现。

 

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