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

量子力學的建立是一個相對其他學科來說并不算漫長的過程,，從1900年開始至今也不過一百多年,。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,。

導致量子論出現(xiàn)的是一個古典熱力學難題,，即黑體輻射問題,。

1900年下半年，普朗克在反復考慮黑體輻射導致的困難時偶然發(fā)現(xiàn),，如果認為原子在發(fā)射和吸收輻射時不是連續(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？電磁理論和波動光學都表明,，輻射應該是連續(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,，能量是不連續(xù)的，是一份一份的,。這個假定雖然看來荒謬,，但能得出與實驗數(shù)據(jù)很好符合的理論曲線。于是普朗克“暫時”接受了這一假定,，以留作以后進一步研討,。

1900年世紀之交，普朗克首先在校內(nèi)報告了他的這一發(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”,，這被認為普朗克提出量子假說的發(fā)端,。

當年12月14日，他將這一假說報告了德國物理學會,，宣告了量子論的誕生。普朗克因提出了“量子”這一概念,，并通過學說報告的方法向世人展示了量子論,，因此有觀點稱普朗克是量子力學的創(chuàng)始人。

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

1905年,，《德國物理年鑒》收到一篇投稿，作者是當時還名不見經(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,。愛因斯坦在文章中指出，輻射不僅在原子發(fā)射和吸收它的時候是一份一份的,，在脫離原子進入真空運動時也是一份一份的,。愛因斯坦引進光量子的概念，推導出光子的能量,、動量與輻射的頻率和波長之間的方程式,，解釋了光電效應。

愛因斯坦把普朗克的“量子說”發(fā)展成為“光量子說”,。然而普朗克在相當長的時間內(nèi)對愛因斯坦的光量子理論持懷疑和反對態(tài)度,。不過，普朗克沒有因為自己的不同意見而阻止愛因斯坦這一理論的發(fā)表,，后來還連續(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家。

1913年,，一直跟愛因斯坦論戰(zhàn)的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾提出了以他命名的“玻爾模型”,。玻爾認為電子只能在一定能量的軌道上運轉(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，將釋放出一個帶固定能量的光子,。

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

在那幾年,，幾乎每一天都有關(guān)于量子力學領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)——薛定諤推出了一個相對論的波動方程,，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”也成為量子力學一個著名的假設(shè)；海森堡創(chuàng)立了解決量子波動理論的矩陣方法,；狄拉克改進了矩陣力學的數(shù)學形式,，使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系,。

這些發(fā)現(xiàn)鼓舞著科學家們繼續(xù)前行的同時,，也逐漸完善了量子力學的理論系統(tǒng)。量子力學使得我們對世界的認知越來越清晰，這不僅僅是一個玄妙的理論,，它對于我們的日常生活和生產(chǎn)也有著巨大的推動,，從激光、電子顯微鏡,、原子鐘到核磁共振的醫(yī)學圖像顯示裝置,，都依靠了量子力學的原理和效應。例如,，對半導體的研究導致了二極管和三極管的發(fā)明就是借助量子力學的支撐,；在核武器的發(fā)明過程中，量子力學的概念至關(guān)重要,；迄今為止,，僅萬有引力無法使用量子力學來描述。