從今天開始，將竭盡所能，講述量子力學(xué)的歷史、奇妙的量子效應(yīng)、物理學(xué)家的奇聞趣事。

今天是第一篇，經(jīng)典物理學(xué)的困難。

牛頓

當(dāng)時間進(jìn)入到十九世紀(jì)末，科學(xué)家普遍認(rèn)為科學(xué)進(jìn)入到相當(dāng)完備的階段，幾件大事紛紛解決，常見的現(xiàn)象都可以找到相對應(yīng)的物理理論，物理學(xué)似乎進(jìn)入到最終理論階段。

1、在遠(yuǎn)低于光速的情況下，牛頓定律可以精確地解決所有的機(jī)械運(yùn)動問題；

2、電磁現(xiàn)象的規(guī)律被總結(jié)為麥克斯韋方程；

3、光的現(xiàn)象也可以用波動理論完美解釋；

4、熱現(xiàn)象也已經(jīng)被熱力學(xué)和統(tǒng)計物理搞定。

一時間，好像留給科學(xué)家剩余的事情就是如何把這些規(guī)律應(yīng)用到具體的問題上。只要輸入公式，一切答案統(tǒng)統(tǒng)搞定。

麥克斯韋方程組

然而，這種物理學(xué)的最終理論的看法，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步以及不斷提高的實(shí)驗(yàn)手段，新的物理現(xiàn)象不斷地被發(fā)現(xiàn)，而導(dǎo)致物理學(xué)家必須開始重新思考。

這些現(xiàn)象包括：

1、黑體輻射；

2、光電效應(yīng)；

3、原子光譜；

4、固體在低溫下的比熱。

黑體輻射功率曲線

這些現(xiàn)象都是經(jīng)典物理所無法解釋的，從此經(jīng)典物理學(xué)與微觀世界的矛盾被揭開。

這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也為物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微觀世界的規(guī)律打下基礎(chǔ)。

物理學(xué)家在研究黑體輻射和光電效應(yīng)的時候發(fā)現(xiàn)了光的波粒二象性。同時期，波爾試圖去解釋原子光譜的成因，提出了原子結(jié)構(gòu)的量子理論。

然而，上面的努力都還只是在經(jīng)典物理學(xué)理論的基礎(chǔ)上增加了一些新的假設(shè)，所以還不能反應(yīng)微觀世界的本質(zhì)。

愛因斯坦光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

這樣的情況直到上世紀(jì)二十年代，人們在光的波粒二象性的啟示之下，開始思考是不是其它微觀粒子也同樣具有波粒二象性，才開始真正地建立量子力學(xué)。

應(yīng)該說，量子力學(xué)理論的建立和發(fā)展過程，充滿了矛盾和斗爭。一是，新觀察到的物理現(xiàn)象暴露了微觀過程內(nèi)部的矛盾，物理學(xué)家必須尋求經(jīng)典物理理論的限制，尋找新的思想和理論。而同時，很多人，當(dāng)然也包括曾經(jīng)偉大的愛因斯坦，都未能與時俱進(jìn)，不愿意承認(rèn)經(jīng)典物理的局限性。

原子結(jié)構(gòu)模型的演變

那時候的物理學(xué)家更愿意把新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，以及為了解釋這些現(xiàn)象而提出的新思想、新理論納入到經(jīng)典物理的框架之內(nèi)。這樣的做法，直接導(dǎo)致的結(jié)果就是，量子力學(xué)成為了遲到的愛。從發(fā)現(xiàn)微觀粒子的行為，到量子理論建立用了20多年的時間。

我是郭哥論道，一個致力于科普相對論、量子力學(xué)、計算機(jī)、數(shù)學(xué)，讓深奧的科學(xué)理論通俗易懂起來、讓科學(xué)更有趣的科普搬運(yùn)工。