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男孩物理学

科普小知识2022-10-28 23:57:32
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要正确理解量子力学,追溯其发展历史是非常必要的。量子力学不同于相对论和牛顿力学,它没有个别伟人的光环。这可以说是历史上最杰出、最热情的一代物理学家的集体努力。纵观量子力学的发展史,可以说群星闪耀,异彩纷呈。因此,让我们先回顾一下历史。

说到当时的“一代”物理学家,最引人注目的是他们的年龄。在这方面,量子理论的发展可以与近年来互联网公司的发展相提并论:它是一群年轻人的世界!看看当年那些辉煌灿烂的科学明星。当他们对量子力学做出重要贡献时,他们中的大多数人都是20-30岁。这就是当时量子力学被称为“男孩物理学”的原因。

让我们来数一数“男孩”对量子力学的贡献:

爱因斯坦在1905年提出光量子假说,当时他26岁。

玻尔于1913年提出原子结构理论,时年28岁。

德布罗意在1923年提出德布罗意,时年31岁。

海森堡于1925年创立矩阵力学,并于1927年提出不确定性原理。他24-26岁。

年轻人更多:保利25岁,狄拉克23岁,尤伦贝克25岁,古德施密特23岁,乔尔23岁...

与他们相比,36岁的薛定谔、43岁的波恩、42岁的普朗克都是老叔叔和爷爷。

物理学家将量子力学的诞生日期定为1900年12月14日,当时普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文。在此之前,尽管由牛顿力学和麦克斯韦方程建造的宏伟的物理建筑仍然屹立不倒,但天空已经乌云密布,弥漫着“雨来了,风来了”的气氛。42岁的祖父普朗克伸出颤抖的头,仰望天空。潘多拉的盒子就在他身边。恶魔应该被释放吗?也许它能驱散乌云,恢复蓝天。也许它会像猴子一样从石头缝里跳出来,挥舞着金箍棒,把世界颠倒过来?普朗克的直觉告诉他,结论将是后者。然而,小妖精总是想出来。上帝的意志不能帮助它。然后,盒子被打开,怪物量子力学诞生了。

在接下来的100年左右的时间里,尽管量子物理学取得了一个又一个里程碑式的显著成果,但由于其令人震惊的非凡性质,孙悟空几乎无法跳出如来的手掌,量子理论似乎每一步都在挣扎前进。

事实上,整个物理学在争论什么?毕竟,这也很简单。这是最古老也是最令人困惑的问题:“什么是光?什么事?”

在现代语言中,更具体地说:“光和物质是粒子还是波?”粒子说缠绕波动理论的问题已经穿越时间和空间数百年,引发了各种理论和理论。随着越来越精确的实验验证,它也引发了一场又一场持续的口水战。

在量子力学诞生之前,关于这个问题的辩论有一段时间是平静的。就在那时,上述“牛顿力学和麦克斯韦方程建造的宏伟物理建筑”达到了顶峰。那时,物理学界认为一切都是完美的,世界是和平的。旧问题不再是问题。答案就像一枚铁钉:“光是电磁波,它符合麦克斯韦方程。其余的材料粒子符合普遍适用的牛顿力学。”。

甚至躲在天堂的拉普拉斯也低下了头,沾沾自喜地向世界宣称他的决定论:“一切都在控制之中。给我宇宙的现状,我就能告诉你宇宙的过去和未来!”。

然而,科学家对世界的探索永远不会停止。作为探索的结果,两个小乌云出现在晴朗的天空:迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究。两个小的乌云使物理学陷入了困境。所有驱散乌云的努力都会适得其反。乌云已经积累了多年,并且变得越来越大,所以它们已经达到了高潮。

后来,第一团乌云动摇了牛顿的力学,引发了爱因斯坦的相对论革命。本文讨论的量子理论是从第二团乌云而来的。

黑体辐射给经典物理学带来了什么样的麻烦?物理学是以实验为基础的。当理论不能解释实验结果时,麻烦就来了。黑体是指不反射光,只吸收光,但能辐射光的物体。经典理论认为光是电磁波。然而,从经典物理学和麦克斯韦方程导出的“韦恩公式”和“瑞利-詹金斯公式”与黑体辐射的实验结果不一致,甚至导致了“辐射频率趋于无穷大时辐射能量发散”的所谓“紫外线灾难”的荒谬结论。

普朗克在当时使用了一种巧妙而新颖的思维方法:假设当黑体辐射时,能量不是连续的,而是一个接一个地发射,可以推导出一个新的公式,当频率较小时,这个公式自动返回瑞利-延斯公式,当频率较大时,返回韦恩公式。因此,新公式在所有频率范围内与实验结果一致。这是普朗克1900年论文的主要内容。

毕竟,普朗克是一位传统而保守的德国物理学家。他只是按照科学方法行事,并不期待革命。他甚至不知道他已经把妖精“量子”引入了物理学。妖精的标签是一个著名的宇宙常数H,被称为普朗克常数。当他用颤抖的手打开潘多拉的盒子时,小妖精跳了出来,用第一根棍子把自己打昏了。因为在经典物理学中,能量应该是连续的,而普朗克的新理论假设能量只能一个接一个地发射。这难道不令人难以置信吗?普朗克认为他创造的“量子妖精”破坏了物理学的完美,所以他努力把它带回潘多拉的盒子里。普朗克花了15年时间试图找到一种经典的物理方法来推导出解决黑体辐射问题的相同公式。然而,这次测试没有成功。“量子妖精”被释放后,他们失去了控制。后来,他们都挥舞金箍棒,造成了天堂的浩劫。

普朗克不喜欢这个妖精,也没有提出量子光的想法。直到1905年,26岁的爱因斯坦对光电效应做出了真正的贡献,人们才看到量子概念的光芒。

爱因斯坦比普朗克更进了一步,他认为不仅场的能量被一个接一个地辐射,而且光本身也是由离散的光量子组成的,每个光量子的能量E = hν只与光的频率ν有关,而与强度无关。这里是普朗克常数,是普朗克释放到世界上的妖精!

啊,光不是电磁波吗?它可以用麦克斯韦方程精确地描述。现在它怎么能一个一个变成光量子呢?这不像牛顿时代的光粒子,已经被打倒的阶级敌人。反攻回来了吗?事实上,不仅反攻计数,但它已经从猎枪改为大炮,配备了精英设备,并完全改变了!幸运的是,早在爱因斯坦出生的那一年,麦克斯韦就英年早逝,享年48岁,当时爱因斯坦还是一个7或8个月大的婴儿。他没有听到这个不幸的消息。麦克斯韦一生都反对进化,不能接受量子理论中奇怪的小妖精。然而,他对基督的虔诚胜过科学。他最后的想法不是他的电磁理论,而是他的妻子。他最后的话是:“我的天父,请照顾我的妻子!”

光量子的概念似乎也与我们的日常生活经验不一致。“波光粼粼”,多么富有诗意,谁能看到的光是一个接一个的!然而,这并不难理解,因为光量子的能量太小,例如,蓝光频率v = 6.2796912× 10 14(赫兹),普朗克常数h = 6.6× 10 (-34)。因此,蓝色光子的能量e = HV = 4× 10-19焦耳。这个值是如此之小,以至于我们无法一个接一个地感觉到光量子的存在。

1913年,28岁的玻尔提出了他的量子化原子结构理论。当时,卢瑟福将原子比喻为太阳系的“行星模型”遇到了根本性的困难:在经典力学的框架下,这种结构将是不稳定的。为此,玻尔将普朗克常数h引入卢瑟福的模型中,卢瑟福也是地精,并使用公式E=hv。玻尔认为,与围绕太阳旋转的行星不同,原子中的电子轨道不会连续而任意地变化,而只能处于离散的能级。换句话说,电子轨道是量子化的。

这种量子化的玻尔原子理论在当时取得了巨大的成功,成功地解释了原子稳定性、原子谱线等问题,使人们再次意识到这种量子妖精在微观物理世界中跳跃时所产生的巨大能量。这时,量子力学终于变成了一个顽皮而倔强的男孩,他努力练习无与伦比的武术,试图展示自己的威力。

然而,玻尔的原子理论仍然基于经典物理学,并不是一个完全革命性的量子理论。因此,在它诞生的那一刻,它埋下了“短暂生命”的祸根,只迎来了大约10年的辉煌。

然后在1923年,31岁的德布罗意提出了德布罗意波。1925年,24岁的海森堡创立了矩阵力学,1926年,37岁的薛定谔建立了薛定谔方程。

由于大量“男孩”的努力,“男孩物理学”——量子力学——已经进入成熟阶段。