偉大的突破——量子論的產(chǎn)生

(2015-12-13 09:24:07)

普朗克和愛因斯坦

量子力學(xué)的建立是一個(gè)相對(duì)其他學(xué)科來(lái)說(shuō)并不算漫長(zhǎng)的過(guò)程，從1900年開始至今也不過(guò)一百多年。但這一百多年卻涌現(xiàn)出了大批優(yōu)秀的物理學(xué)家和許多著名的理論，這些人和他們所作的研究影響、改變了我們的世界。

導(dǎo)致量子論出現(xiàn)的是一個(gè)古典熱力學(xué)難題，即黑體輻射問題。

1900年下半年，普朗克在反復(fù)考慮黑體輻射導(dǎo)致的困難時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，如果認(rèn)為原子在發(fā)射和吸收輻射時(shí)不是連續(xù)的，而是一份一份的，那么，每份電磁輻射的能量和頻率之間存在正比關(guān)系（即e=hv）。

電磁輻射怎么可能是一份一份的呢？電磁理論和波動(dòng)光學(xué)都表明，輻射應(yīng)該是連續(xù)的，怎么可能不連續(xù)呢？普朗克百思不得其解。

普朗克假定，原子輻射或吸收能量時(shí)，能量是不連續(xù)的，是一份一份的。這個(gè)假定雖然看來(lái)荒謬，但能得出與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好符合的理論曲線。于是普朗克“暫時(shí)”接受了這一假定，以留作以后進(jìn)一步研討。

1900年世紀(jì)之交，普朗克首先在校內(nèi)報(bào)告了他的這一發(fā)現(xiàn)。他假定黑體以hv為單位不連續(xù)地發(fā)射和接收輻射，計(jì)算出了黑體輻射能量分布公式，成功地從理論上解釋了黑體輻射現(xiàn)象。在報(bào)告中，普朗克將最小的不可再分的能量單元稱作“能量子”或“量子”，這被認(rèn)為普朗克提出量子假說(shuō)的發(fā)端。

當(dāng)年12月14日，他將這一假說(shuō)報(bào)告了德國(guó)物理學(xué)會(huì)，宣告了量子論的誕生。普朗克因提出了“量子”這一概念，并通過(guò)學(xué)說(shuō)報(bào)告的方法向世人展示了量子論，因此有觀點(diǎn)稱普朗克是量子力學(xué)的創(chuàng)始人。

科學(xué)史上，大部分學(xué)科都不是一人之力完成的，量子力學(xué)發(fā)展到今天離不開眾多科學(xué)家的努力，其中包括普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、泡利、德布羅意、玻恩、費(fèi)米、狄拉克、愛因斯坦、康普頓等大家耳熟能詳?shù)目茖W(xué)家。

1905年，《德國(guó)物理年鑒》收到一篇投稿，作者是當(dāng)時(shí)還名不見經(jīng)傳的愛因斯坦。這篇文章解釋了剛發(fā)現(xiàn)不久的光電效應(yīng)。愛因斯坦在文章中指出，輻射不僅在原子發(fā)射和吸收它的時(shí)候是一份一份的，在脫離原子進(jìn)入真空運(yùn)動(dòng)時(shí)也是一份一份的。愛因斯坦引進(jìn)光量子的概念，推導(dǎo)出光子的能量、動(dòng)量與輻射的頻率和波長(zhǎng)之間的方程式，解釋了光電效應(yīng)。

愛因斯坦把普朗克的“量子說(shuō)”發(fā)展成為“光量子說(shuō)”。然而普朗克在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)對(duì)愛因斯坦的光量子理論持懷疑和反對(duì)態(tài)度。不過(guò)，普朗克沒有因?yàn)樽约旱牟煌庖姸柚箰垡蛩固惯@一理論的發(fā)表，后來(lái)還連續(xù)支持了愛因斯坦其他論文的發(fā)表，使愛因斯坦一下成為世界著名物理學(xué)家。

1913年，一直跟愛因斯坦論戰(zhàn)的丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾提出了以他命名的“玻爾模型”。玻爾認(rèn)為電子只能在一定能量的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)。外層軌道比內(nèi)層軌道可以容納更多的電子；較外層軌道的電子數(shù)決定了元素的化學(xué)性質(zhì)。如果外層軌道的電子落入內(nèi)層軌道，將釋放出一個(gè)帶固定能量的光子。

1924年，德國(guó)猶太裔理論物理學(xué)家馬克斯·玻恩在一篇論文中使用“量子力學(xué)”這個(gè)詞匯，這標(biāo)志著以普朗克、愛因斯坦和玻爾對(duì)量子力學(xué)所作的研究告一段落，同時(shí)開啟了量子力學(xué)研究百花齊放的新篇章。

在那幾年，幾乎每一天都有關(guān)于量子力學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)——薛定諤推出了一個(gè)相對(duì)論的波動(dòng)方程，而他關(guān)于“一只放在裝有毒氣盒子里的貓是死是活”的經(jīng)典問題“薛定諤的貓”也成為量子力學(xué)一個(gè)著名的假設(shè)；海森堡創(chuàng)立了解決量子波動(dòng)理論的矩陣方法；狄拉克改進(jìn)了矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)形式，使其成為一個(gè)概念完整、邏輯自洽的理論體系。

這些發(fā)現(xiàn)鼓舞著科學(xué)家們繼續(xù)前行的同時(shí)，也逐漸完善了量子力學(xué)的理論系統(tǒng)。量子力學(xué)使得我們對(duì)世界的認(rèn)知越來(lái)越清晰，這不僅僅是一個(gè)玄妙的理論，它對(duì)于我們的日常生活和生產(chǎn)也有著巨大的推動(dòng)，從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫(yī)學(xué)圖像顯示裝置，都依靠了量子力學(xué)的原理和效應(yīng)。例如，對(duì)半導(dǎo)體的研究導(dǎo)致了二極管和三極管的發(fā)明就是借助量子力學(xué)的支撐；在核武器的發(fā)明過(guò)程中，量子力學(xué)的概念至關(guān)重要；迄今為止，僅萬(wàn)有引力無(wú)法使用量子力學(xué)來(lái)描述。