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物理學(xué)史上第二朵烏云,量子論的大爆發(fā)!從根本上了解量子力學(xué)

 昵稱41082923 2018-04-12

在19世紀(jì)末的時(shí)候,很多科學(xué)家都在研究黑體輻射問(wèn)題,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是研究物體的溫度和輻射能量之間有怎樣的關(guān)系。經(jīng)過(guò)科學(xué)家們前赴后繼的努力,終于得到兩套公式,但問(wèn)題是其中一套公式啊只對(duì)電磁波的短波有效,另一套公式呢這對(duì)長(zhǎng)波有效。

所以這中間肯定是有問(wèn)題的

在1900年的時(shí)候,普朗克已經(jīng)研究黑體輻射好幾年了,但是沒有搞出什么頭緒來(lái)。有一天就想換一個(gè)思路,先不管各種各樣的假設(shè)推導(dǎo),不管怎么樣,先用數(shù)學(xué)方法把這兩條公式拼起來(lái)再說(shuō)。

結(jié)果幾天之后,普朗克還真把這兩套公式湊成了一個(gè),也就是著名的普朗克黑體公式。

在普朗克黑體公式公布之后,大家發(fā)現(xiàn)這個(gè)公式非常管用,但問(wèn)題是大家是知其然,不知其所以然,只知道這個(gè)公式好用,但是不知道它為什么好用,也并不知道這個(gè)公式隱藏著怎樣的物理意義。

又經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的研究,普朗克終于發(fā)現(xiàn),如果要讓這個(gè)公式成立,必須要做一個(gè)假設(shè),那就是能量在發(fā)射或者吸收的時(shí)候不是連續(xù)不斷的,而是必須分成一小份一小份的。

也就是說(shuō)能量不是可以無(wú)限分割的,而是有一個(gè)最小單位,這個(gè)基本單位后來(lái)就被命名為量子。

就是這個(gè)量子的假定,最終推翻了整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的大廈,也徹徹底底地改變了人類對(duì)于世界的認(rèn)識(shí)。

為什么這么說(shuō)?

在經(jīng)典物理學(xué)看來(lái),一切自然過(guò)程都是連續(xù)不斷的。如果氣溫從20度上升到30度,那么中間肯定是經(jīng)過(guò)了25度。如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)釋放出了50焦耳的能量,那么中間肯定有一個(gè)時(shí)刻,他剛好釋放出了比如30.134焦耳的能量。

但是量子的假設(shè)就不是這樣。量子論相當(dāng)于再說(shuō)能量的發(fā)射和吸收,就像是我們花錢一樣,你一次最少也要花一分錢,因?yàn)闆]有比一分錢更小的面值了。你不能說(shuō)我買個(gè)東西花0.3分錢,不可能。

能量也是一樣,它有一個(gè)最小單位是不連續(xù)的。那么關(guān)于連續(xù)性和平滑性的假設(shè)呢是微積分的基礎(chǔ),而無(wú)論是牛頓的力學(xué),還是麥克斯韋的電磁學(xué),都是建立在微積分的基礎(chǔ)上。而量子論一誕生,直接動(dòng)搖了連續(xù)性的假設(shè),相當(dāng)于經(jīng)典物理學(xué)的大廈一下被移走了地基。

那么量子論到底對(duì)不對(duì)?

是對(duì)的

舉個(gè)例子,大名鼎鼎的光電效應(yīng)??茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),如果用光來(lái)照射金屬,那么就有可能從金屬表面打擊出電子來(lái)。但很奇怪的是,光能不能打出電子跟光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),只跟光的頻率有關(guān)。

比如說(shuō)頻率高的紫外線就可以打擊出電子,而頻率低的紅光黃光就一個(gè)墊子也打不出來(lái)。而且無(wú)論這個(gè)紅光和黃光有多強(qiáng)都不行。

這個(gè)當(dāng)時(shí)科學(xué)家都不能解釋的現(xiàn)象就是光電效應(yīng),后來(lái)愛因斯坦用量子理論成功解釋了光電效應(yīng)。

頻率更高的光線,比如說(shuō)紫外線,它的單個(gè)量子所蘊(yùn)含的能量比較高,而頻率低的光線,單個(gè)量子蘊(yùn)含的能量低,對(duì)于低頻率的光來(lái)說(shuō),量子能量不足,根本就激發(fā)不出電子,無(wú)論這個(gè)光有多強(qiáng)都不行。也就是說(shuō)光也是以量子的形式來(lái)吸收能量的,沒有連續(xù)性也不能積累。

如果說(shuō)要評(píng)選20世紀(jì)人類社會(huì)最重要的事件,那么既不是兩次世界大戰(zhàn),也不是人類登上太空,而是量子力學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展。

因?yàn)榱孔恿W(xué)的誕生引發(fā)了一系列的技術(shù)革命,包括核能、計(jì)算機(jī)、材料學(xué)、信息技術(shù)等等領(lǐng)域,可以說(shuō)完全深入到我們生活的每一個(gè)角落。那么從實(shí)用性上來(lái)說(shuō),量子力學(xué)可以說(shuō)是最成功的理論。

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