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量子力學引發的第三次波粒之爭

量子力學從誕生到成長都引發了巨大爭議,它相對於遑遑大論的牛頓經典力學、似上帝創造般完美的麥克斯韋電磁學以及高貴優雅的愛因斯坦相對論而言,量子力學顯得那麼平凡和難以信服。接下來一起來捋一捋19世紀末到20世紀初發生的物理學偉大的程序:

1881~1886年,邁爾遜-莫雷實驗探測光以太對於地球的飄逸速度,但結果令人震驚,實驗失敗,宣告了光在以太介質中傳播是謬論。以太是支撐經典物理學的基礎,這意味著經典物理世界理論大廈轟然倒塌。這個以太實驗的失敗即是開爾文爵士說的第一朵烏雲。第一朵烏雲導致了相對論的爆發,此為後話。

德國物理學家威廉·維恩(Wilhelm Wien)於1893年透過對黑體熱輻射的實驗資料的經驗總結提出物體輻射能量和溫度之間的關係,即維恩定律,但其結果和經典物理理論不一致,即短波(粒子性)和韋恩分佈很吻合,長波(波動性)和韋恩分佈差異巨大。1899年瑞利從經典的麥克斯韋理論出發,又解決了長波下物體輻射能量與溫度之間的關係。維恩分佈以熱運動分子(粒子性)作為理論基礎,而瑞利-金斯公式又從麥克斯韋理論出發(波動性),但是輻射是電磁波(波粒二象性)在當時已經成為共識。這個就是開爾文爵士說的第二朵烏雲。第二朵烏雲導致了量子論的爆發。

1900年4月,開爾文爵士(Lord Kelvin)在英國的皇家研究所發表了一篇《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》,動力學斷言,熱和光都是運動的形式,但是這優美和明晰的理論卻被兩朵烏雲遮蔽。

1900年10月,德國物理學家普朗克拋棄經典粒子和波動理論,從數學角度建立了長波和短波為一體的普朗克黑體公式。但是,其背後的原理是什麼仍然不清楚。物理學甚至化學的潘多拉盒子將要開啟。

1900年12月,德國物理學家普朗克發表了一篇名垂青史的神作《黑體光譜中的能量分佈》它假定能量在發射和吸收時,不是連續的而是一份一份的。每一份成為能量子或者量子,量子就是能量的最小單位(E=hv),從此量子誕生。這個假定推翻了牛頓以來200多年曾經認為堅不可摧的經典世界,因為經典世界裡的假設是一切自然過程是連續的(微積分的假設)。普朗克常數h和重力加速度G以及光速C被稱為宇宙最為重要的三個基本物理常數。

1905年,愛因斯坦發表了一篇關於光的產生和轉化的啟發性文章。它把量子E=hv這個公式應用於光電效應的解釋:傳統的麥克斯韋無法解釋的瞬間吸收和放射能量的光電效應,因為傳統的思想是金屬表面能否逸出電子和光的強度(認為強度代表能量)有關,逸出多少和頻率的大小有關;但是,這和實際實驗恰恰相反,如果以普朗克量子公式可以看到,頻率才代表能量。強度代表更多的光量子。量子的作用是瞬時性的,沒有累積,沒有連續性。那麼光子或者光量子到底是什麼?第三次光的波粒大戰一觸即發。

1911年,比利時的維爾索會議第一次召開,召集天下最優秀的物理學家進行頭腦風暴。

1913年,玻爾在哲學雜誌上連續發表三篇文章《論原子和分子結構》、《單原子核體系》、《多原子核體系》,這就是量子物理歷史上劃時代的三部曲。量子躍遷即量子的不連續性在原子核體系裡體現的淋漓盡致。量子體系形成,標誌著量子力學步入青年時代。

1923年,康普頓X射線中部分射線在散射後波長變長的現象在傳統理論中無法得到支撐,當運用量子理論後,豁然開朗。

分類: 教育
時間: 2021-11-11

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