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（摘要 建立量子理論不是普朗克的本意，而是一些輕率的人在第一屆索爾維會議上瞎起哄，難怪正直的普朗克幾次退回經(jīng)典理論的老路,，德高望重的洛倫茲恨不得早些死去,。所謂經(jīng)典理論不能解釋黑體輻射和光電效應(yīng)，完全是不實之詞,；本文就用經(jīng)典理論完美地解釋了黑體輻射和光電效應(yīng),。在原子結(jié)構(gòu)問題上，量子專家給出的模型是：質(zhì)子和中子胡亂地粘合成球形,，電子在三維空間繞核旋轉(zhuǎn),；本文提出了“原子核的排筆模型”，電子在第4層片和第5層片之間的延伸平面上繞核旋轉(zhuǎn),。揭露了1996年諾貝爾物理學獎獲得者在造假,，因為宇宙中根本不存在氦~3這種物質(zhì)。）
在評述愛玻之爭時,，我接觸到量子力學的具體內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)其中存在不少問題,。我甚至認為,，量子理論在開始提出時就犯了方向性的錯誤。在這一章里,，筆者將通過擺事實,、講道理方法，指出量子理論的謬誤之處,。 量子理論經(jīng)歷了三個階段：普朗克和黑體輻射,，愛因斯坦和光電效應(yīng)，玻爾和原子結(jié)構(gòu)的量子論,。 許多人都聽到過19世紀末物理學上空飄著兩朵烏云的故事,。 牛頓提出了描述宏觀物質(zhì)世界運動的定律，經(jīng)過 200 多年的考驗,，被證明是正確的,。 19 世紀 60 年代，蘇格蘭物理學家麥克斯韋用四個方程式概括了光和其他電磁現(xiàn)象所遵循的規(guī)律,。于是,，許多物理學家認為，物理學的大廈已經(jīng)建成,，留給后輩的只是修修補補的工作,，例如把常數(shù)測量得更精確一點，把公式推導得更完備一些,。英國著名物理學家開爾文勛爵在迎接 20 世紀的賀詞中也表露出沾沾自喜的心情,，末了，他把話鋒一轉(zhuǎn)，“在物理學平靜而晴朗的天空之中,，還飄著兩朵令人不安的小小的烏云,。” 這“兩朵烏云”,，一朵是邁克耳遜的實驗,，另一朵就是黑體輻射。 天空中出現(xiàn)兩朵烏云,，這本來是件很平常的事,，何必大驚小怪。和風一吹,，馬上煙消云散了,。例如邁克耳遜的實驗只不過證明光速不變罷了，更何況后來戴頓·米勒證明邁克耳遜的實驗不精確,，光速還是有細微的變化的,。可惜,，當時在一些別有用心的人的煽動下,，刮起了陣陣陰風，山雨欲來風滿樓,，烏云壓城城欲摧,。頃刻間，兩座物理學大廈轟然倒塌,，經(jīng)典理論真是“不堪一擊”,。 亂世出英雄。 20 世紀物理學中第一號造反英雄就是愛因斯坦,，他在推翻兩座物理學大廈中都立下了赫赫戰(zhàn)功,。 關(guān)于相對論，本書第一部分已經(jīng)說得很多了?，F(xiàn)在說說為了解釋黑體輻射,，是不是非要推翻“能量是連續(xù)的”這一經(jīng)典理論不可。 所謂“經(jīng)典”,，是指傳統(tǒng)的,、具有權(quán)威性的，例如我們可以說經(jīng)典理論,、經(jīng)典音樂等等,。經(jīng)典不能和“正確”劃上等號，也不是“精彩”的同義詞,，它只代表某一事物的影響力,。當某一經(jīng)典理論被實踐證明是錯誤的,，可以而且應(yīng)該將它推翻。但是,，經(jīng)典理論畢竟上有權(quán)威部門認可,，下有廣泛的群眾基礎(chǔ)，除非它已經(jīng)千瘡百孔,、錯誤百出,，否則是很難推翻的。 例如,，亞里斯多德的理論統(tǒng)治人類思想一千多年,，可謂經(jīng)典。但是,，隨著實驗科學的發(fā)展,，它暴露出許多問題。該理論認為重的物體比輕的物體下落得快,、宇宙萬物由水火土氣這四種元素構(gòu)成等等,，都經(jīng)不起實踐的檢驗。終于經(jīng)過哥白尼,、伽利略,、牛頓幾代科學家的努力，這一經(jīng)典理論才被推翻,。 現(xiàn)代人的反叛能量不知怎么會那么大，就碰到黑體輻射這么一個問題“不能解釋”,，馬上要把建立不到半個世紀的麥克斯韋的經(jīng)典理論推翻,，至少要閹割“能量是連續(xù)的”這一理論精華。 能量是連續(xù)的,，這不僅是經(jīng)典理論的精髓,，也是人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗的總結(jié)。無論是動能還是勢能,，都是連續(xù)變化的,，這已被千百年來無數(shù)的事實所證明。有誰看到過馬路上跑的車輛的動能,，會從一個數(shù)值跳到另一個數(shù)值而中間沒有過渡,？又有誰看到過瀑布降落時，水的勢能的變化不是連續(xù)的,，而是間斷成一段一段的呢,？看來，20世紀物理學的兩大“支柱”——相對論和量子力學,，都是建立在踐踏普通人的經(jīng)驗常識之上的,。他們非但不以此為恥,，反而以此為榮，誰與“舊觀念”決裂得越徹底,，就越能成為一流科學家,。 那么，黑體輻射究竟是怎么一回事,？難道不用量子理論就解釋不了黑體輻射嗎,？ 絕對黑體是指完全不反射光、也不讓光通過的物體,，它能吸收落在它上面的一切電磁輻射,，而與組成它的材料無關(guān)。任何一種黑色的顏料都可以近似地看成絕對黑體,。后來人們設(shè)想,，只開一個小孔的空腔，里面涂抹著碳黑,，光線從小孔中射進去,，再也出不來了，全部被腔壁吸收,。這就是一個很好的絕對黑體,。加熱這個空腔，讓熱輻射從小孔中射出,，這就是黑體輻射,。 科學家們已經(jīng)知道，如果物質(zhì)吸收所有波長的電磁波（即黑體）,，那么加熱后它會發(fā)射出各種波長的電磁輻射,。 19 世紀 90 年代，德國科學家維恩做了黑體輻射實驗,，他們把開有小孔的銅質(zhì)空腔加熱,，然后測量從小孔中射出的熱輻射的波長。他們發(fā)現(xiàn),，熱輻射的波長的范圍很寬,，但非常長和非常短的波長在數(shù)量上較少，在他們中間有一個峰值,。隨著黑體溫度的上升,，峰值的位置不斷地朝波長較短的方向逐漸推移。他推導出在溫度和波長的乘積不太大的范圍內(nèi)與實驗結(jié)果符合的維恩公式,。 然而,，維恩公式不是對任何波長的輻射都適用的?？茖W家把測量范圍擴大到紅外區(qū),，發(fā)現(xiàn)在波長長的一端與維恩公式有出入,。 英國科學家瑞利從另一方面研究了這一問題。他假定在黑體輻射中每一種波長都有相同的機會被輻射,。以該假設(shè)為基礎(chǔ),，他給出了一個方程式，很好地表明了從非常長的波長到較短波長的過程中,，輻射強度是如何增加的,。根據(jù)該方程式，隨著波長逐漸變短,，輻射強度會不斷增加,，而且不受限制。這就意味著物體以短波的形式輻射,，即以紫光,、紫外線的形式釋放所有的熱量。這就是所謂的“紫外災(zāi)難”,。 后來,，英國天文學家金斯修改了公式中的一處錯誤，人們稱它為瑞利～金斯公式,。這一公式在低頻段（長波）與實驗結(jié)果相符,。 這樣，我們可以得出結(jié)論：維恩公式只適用于黑體輻射的短波,，卻不適用于長波,；瑞利～金斯公式只適用于黑體輻射的長波，卻不適用于短波,。這就意味著兩位物理學家只能說對輻射范圍的這一半或那一半而不是全部,。 其實，“說對一半”的現(xiàn)象在自然界并非僅此一例,。地學中的災(zāi)變論和漸變論都只能解釋地質(zhì)現(xiàn)象的一半而不是全部。喜馬拉雅地區(qū)為什么從汪洋大海突然隆起成為世界屋脊,，漸變論是無法解釋的,；長江中下游地區(qū)為什么從海洋變?yōu)殛懙兀瑸?zāi)變論也解釋不了,?！罢f對一半”的現(xiàn)象就是哲學中的對立統(tǒng)一規(guī)律的表現(xiàn)，用不著大驚小怪,，更用不著為此推翻經(jīng)典理論而建立量子理論,。 現(xiàn)在看看普朗克是怎樣解決黑體輻射問題。 普朗克起先試圖用實驗解決黑體輻射問題,，但沒有取得進展,。接著,，他把注意力集中到維恩的位移公式，他也知道維恩公式對于較長的波長存在明顯的偏差,。于是,，他運用數(shù)學上的“內(nèi)插法”，經(jīng)過一系列的推導,，得到了一個新的公式,。這一公式在低頻段化為瑞利～金斯公式，在高頻段變作了維恩公式,。普朗克把維恩公式和瑞利～金斯公式統(tǒng)一起來,，但不能改變它們的實質(zhì)，即每一公式只適用于某一特定的頻段,。 1900 年 12 月 14 日 ,，普朗克在德國物理學大會上宣讀了他的論文。在這篇論文中,，他提出了一個驚人的假設(shè)：能量輻射不是連續(xù)的,，而是以一顆一顆“能量子”的形式向外發(fā)射。而量子的能量只決定于頻率,，即 E=h v ,， h 后來被稱作普朗克常數(shù)。 普朗克的觀點一經(jīng)提出,，就遭到不少與會科學家們的反對,。他們對經(jīng)典理論情有獨鐘，對離經(jīng)叛道的做法不敢茍同,。 量子理論還是不能解決維恩公式和瑞利～金斯公式的局限性,，倒能勉強解釋在黑體輻射中波長為什么會出現(xiàn)峰值，而不是以紫光,、紫外線的形式釋放全部的能量,。普朗克的解釋如下。 在任何一個物體的內(nèi)部,，能量在各個原子中的分布是不均勻的,。有少數(shù)原子幾乎沒有能量，也有少數(shù)原子具有非常大的能量,，而絕大多數(shù)原子具有中等大小的能量,。這里所說的“中等大小的能量”，又將隨溫度的升高而改變,。每一個原子都能以量子的形式發(fā)射電磁波,，對于頻率較高者，發(fā)射出單個相應(yīng)量子所需要的能量特別大,，只有少數(shù)原子才具有那么大的能量,。對于較低的頻率,，發(fā)射量子會比較容易，因為此時所需要的能量較少,；但是,，這種量子只有很小的能量，即使所有的低能量的量子加在一起,，它們對輻射波譜的影響也不會太大,。絕大多數(shù)具有中等能量的原子會產(chǎn)生大量的量子，這些具有中等能量的量子合在一起,，就足以形成像小山峰一樣的黑體輻射曲線,。 在上面的一段解釋中，“在任何一個物體的內(nèi)部,，能量在各個原子中的分布是不均勻的”這一前提沒有得到嚴格的證明,。在當作絕對黑體的空腔內(nèi)，溫度是均勻的,，有些原子怎么會具有很大的能量,，而另一些原子卻幾乎沒有能量呢？ 其實,，不用量子理論,，用能量是連續(xù)的這一經(jīng)典理論，同樣能解釋黑體輻射的波譜曲線,。 用不同頻率的電磁波,，從無線電波到 X 射線，照射在絕對黑體上,。從理論上說,，這些輻射能全部被黑體吸收，黑體的溫度也會升高?，F(xiàn)在要問,，是哪個波段的電磁輻射升溫效果最好？無線電波頻率太低,，能量太小,，顯然不能使黑體升溫。反過來是不是頻率愈高,、能量愈大的電磁輻射,，比如 X 射線和紫外線,，升溫效果就特別好呢,？實驗證明， X 射線的能量表現(xiàn)在能穿透物體上,，而不是升溫上,；紫外線的能量表現(xiàn)在激發(fā)電子上,，升溫效果也不明顯。 溫度是分子或原子振動的劇烈程度在宏觀上的表現(xiàn),，也就是說,，要想使物體的溫度升高，就必須使組成該物體的原子的振動加劇,。原子核的質(zhì)量占原子質(zhì)量的 99.9% 以上,，需要一種頻率適中的電磁波，能有效地撼動原子核,；頻率太高的電磁波,，不適宜撼動原子核，只能激發(fā)微小的電子,。這里打一個比方,，寺廟中的和尚敲木魚，頻率很高,，發(fā)出清脆的聲音,；鐵匠打鐵，一榔頭一榔頭敲下去,，頻率不會高,，卻能把鐵打扁。要讓鐵匠用敲木魚的頻率打鐵,，這是不可能的,。 黑體輻射是黑體吸收能量的逆過程。當加熱作為絕對黑體的空腔時,，空腔自然會產(chǎn)生升溫效應(yīng)最佳的波段,，紫光和紫外線不在此列，這就形成了頻譜曲線的“小山峰”?，F(xiàn)在回過頭來看看瑞利～金斯公式的“紫外災(zāi)難”,。瑞利“假定在黑體輻射中每一種波長都有相同的機會被輻射”，這一“假定”與事實不符,。事實上黑體讓最有利于升溫的波段大量輻射,。因此，“紫外災(zāi)難”不是麥克斯韋經(jīng)典理論的錯,，不經(jīng)過深思熟慮就貿(mào)然推翻經(jīng)典理論的做法正代表了某些人急于顯身揚名的浮躁心態(tài),。 普朗克提出量子假設(shè)以后，自己也有些后悔,，他總覺得這樣輕而易舉地否定經(jīng)典理論不是滋味,。他幾次想退回到經(jīng)典理論的老路上去：他認為能量在傳遞過程中是連續(xù)的，只在發(fā)射和吸收時才是量子化的；后來又認為能量只在發(fā)射時是量子化的,。普朗克的行為表現(xiàn)了老一輩科學家的正直,、穩(wěn)重、謹慎的思想品格,。要不是一些扯起虎皮當大旗的年輕人的推波助瀾,，量子理論也不會發(fā)展到如此登峰造極的地步。 1911 年,，在布魯塞爾召開的首屆索爾維物理學大會上,，科學家們著重討論了普朗克的量子問題。大會一致肯定了普朗克的開創(chuàng)性的工作,，從此,，一門新的學科——量子力學就這樣誕生了。 1919 年,，在幾十個著名物理學家的“強烈要求”下,，諾貝爾獎評審委員會放棄了認為普朗克的首創(chuàng)沒有帶來一種自洽理論的觀點，把 1918 年的物理學獎授予普朗克,。由此可見,，諾貝爾獎評審委員也很難擺脫主流思潮的影響而不得不做出違心的決定。 熱和輻射是緊密聯(lián)系在一起的,，某一物體的溫度比周圍環(huán)境高,，它就要輻射能量。當宇宙“熱寂”了,，一切輻射也就停止了,。但宇宙永遠不會熱寂，所以熱輻射在自然界是普遍存在的,。 熱是什么,？熱質(zhì)說認為，熱是一種細微的沒有質(zhì)量的粒子,，它可以從溫度高的地方流到溫度低的地方,。對于兩個有一定距離的物體來說，流動的形式是輻射,。如果熱的本質(zhì)是粒子,，輻射的形式必定是粒子（量子）。熱動說認為,，熱得本質(zhì)是組成該物體的分子或原子的振動,。那么，怎樣才能使一個物體的粒子的振動傳給另一個物體呢,？這就要靠波來傳遞,。舉例來說，有一個門環(huán)，要使它左右振動,，人又與它隔開一段距離，這時候只要在門環(huán)上系一根繩子,，手拿著繩子的一頭左右晃動起來,，繩子上形成了一列波，波把振動傳到門環(huán),。熱的產(chǎn)生與傳遞是同樣道理,，加熱某一物體，組成該物體的原子的振動頻率加快,，發(fā)射出從無線電波到紫外線的各種電磁輻射,，而輻射頻率正是組成發(fā)射物體的原子的振動頻率。這種輻射波再去撼動溫度較低的物體,，使之振動加劇,，溫度也隨之提高。因此可以說,，“能量子”是熱質(zhì)說的衍生物,，而波動正是熱動說在傳播領(lǐng)域的表現(xiàn)。 在科學史上,，關(guān)于熱的本性問題,，曾有熱動說和熱質(zhì)說的長期爭論。爭論的焦點是,，熱是一種運動,，還是某種細小的微粒？ 隨著近代科學的發(fā)展,，古希臘原子論思想逐步得到復(fù)興,，這也必然會影響到人們對熱的本性的認識。到了16,、17世紀,，熱質(zhì)說得到了充分的發(fā)展。當時一些著名的科學家,，如伽利略,、玻意耳等都持熱質(zhì)說觀點。熱質(zhì)說使一些熱現(xiàn)象得到了統(tǒng)一的解釋,，到 18 世紀 80 年代,，熱質(zhì)說到達了它的鼎盛時期。法國著名的化學家拉瓦錫雖然提出了燃燒的氧化學說,，但依然把熱看成是一種特殊的物質(zhì),，稱之為“熱素”，并把熱素和光一起列入無機界 23 種化學元素中。 熱質(zhì)說受到挑戰(zhàn)是由于人們注意到摩擦生熱的現(xiàn)象,。在生產(chǎn)實踐中,，人們發(fā)現(xiàn)用鉆頭打孔會產(chǎn)生大量的熱。顯然,，由摩擦生成的熱不能用物體的潛熱或綜合熱質(zhì)來解釋,，只能用“運動”來解釋。摩擦引起了物體內(nèi)部微粒的振動,，這種振動就是熱,。熱動說取得最后的勝利則歸功于19世紀建立起來的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。該定律對熱和功（運動）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系作了定量的描述,。 熱的本質(zhì)是運動而不是微粒,，這在 19 世紀末已經(jīng)很清楚了， 20 世紀的某些理論物理學家為什么要重新祭起熱的微粒說（能量子論）的大旗,？這難道不是歷史的倒退嗎,？ 量子理論的第二站是愛因斯坦和光電效應(yīng)。 1905 年,，愛因斯坦系統(tǒng)地闡述了“光量子假說”,。按照這個假說，與麥克斯韋的電磁理論相反,，輻射能量不像電磁波那樣傳播,，而是以實在的“光原子”輻射。愛因斯坦用這個概念建立了光電效應(yīng)理論,。 這里要問,，難道光電效應(yīng)就一定要用光的微粒說而不能用光的波動說來解釋？難道電子的逸出一定要通過粒子的碰撞而不能通過波動的搖撼來實現(xiàn)嗎,？難道為了解釋光電效應(yīng)就可以無視托馬斯·楊的著名實驗和赫茲關(guān)于光是電磁波的結(jié)論而回到光的微粒說去嗎,？ 當然，有人會用光的“波粒二象性”來狡辯,。有些相互矛盾的現(xiàn)象或觀點可以用對立統(tǒng)一規(guī)律解釋,，如地學中的漸變論和災(zāi)變論，漸變和災(zāi)變既相互對立又統(tǒng)一在整個地殼變遷史中,。但是波和粒子不能“統(tǒng)一”在光的傳播中,，波是延綿連續(xù)的，粒子是單個獨立的,。因此,，對于光的本質(zhì)的認識，在波和粒子之間只能有一個選擇,。這一推理同樣適用于對熱的本質(zhì)的認識,。 現(xiàn)在簡單回顧一下 200 多年來關(guān)于光的本質(zhì)問題的爭論,。 牛頓不僅在力學方面造詣很深，而且對光學也很有研究,。他用三棱鏡把光分成7種顏色,，認為白光是由7種不同顏色的微粒混合而成,，并著有《光學》一書,。牛頓是個原子論者，因此很自然地認為光是由微小的粒子組成,。光粒子除了不具有質(zhì)量外，其他都與物質(zhì)的原子一樣,。他的主要依據(jù)是光能穿過小孔,。 荷蘭物理學家惠更斯則有別的看法，他認為光是由微小的波組成,。波動說很容易解釋光通過三棱鏡時為什么會分成7種顏色：光若是由波組成的,，就會有不同的波長，那些波長最長的光折射程度最小,，波長越短折射程度越大,。 衍射是波的共同特征。如果把一塊小石子投到平靜的水塘里,，就會蕩漾起一圈一圈的水波,，水波向四周擴展，它會繞過障礙物,，然后在障礙物的另一側(cè)重又匯合在一起,。這就是衍射。聲波也能繞過障礙物,，如果光是由波組成的話,，為什么遇到障礙物會投下清晰的影子而不發(fā)生衍射？ 由于牛頓的聲望比惠更斯高,，還由于波動說無法回答上述詰難,，微粒說在整個18世紀占了絕對上風,。 然而，到了 1801 年，情況發(fā)生了轉(zhuǎn)機,。英國物理學家托馬斯·楊做了一項具有決定意義的實驗。他把光投射在開有兩條緊挨著狹縫的平面上,，每個狹縫就作為一個光錐源,，兩個光錐源重疊后投射到一個屏幕上。 如果光是由粒子組成的,，那么重疊區(qū)域應(yīng)該接收到來自兩條狹縫的粒子,，會比只接收到來自一條狹縫的粒子的不重疊區(qū)域顯得更亮一些,。但事實并非如此。楊在重疊區(qū)看到一系列明暗交替的條紋,。 這種現(xiàn)象只能用波動說做出解釋,。如果來自一條狹縫的波與來自另一條狹縫的波是同步的，那么一組波的里里外外會得到另一組波的加強,，因而兩者組合部分的區(qū)域亮度會增加,。反之，如果來自一條狹縫的波與來自另一條狹縫的波是異相的,，比如一組波向里時另一組正好向外,，那么兩組波會部分地相互抵消，兩組波交匯的區(qū)域亮度會降低,。 楊氏實驗表明,，兩組波在一個區(qū)域中是同相的，在下一個區(qū)域就會是異相的,，再下一個區(qū)域又是同相的,，如此以往交替變化。人們看到的明暗交替的條紋就是波的特征——干涉所形成的圖像,。根據(jù)干涉條紋的寬度可以計算出各種顏色光的波長,，結(jié)果顯示，可見光的波長從 0.4微米到0.7微米之間,。接著,，楊和法國物理學家菲涅耳認定光是一種橫波，并用這一觀點解釋了光的偏振現(xiàn)象,。 1856 年——1865 年,，麥克斯韋發(fā)表了三篇論文，總結(jié)了法拉第等人的研究成果,，系統(tǒng)地論述了電磁理論,，20年后，赫茲證實了光就是一種電磁波,。 至此,，應(yīng)當說光的本質(zhì)已經(jīng)搞清楚了：光是波，不是粒子,；光是橫波,，是波長在 0.4 ——0.7 微米之間的電磁波。 但是,，愛因斯坦對以上鐵的事實熟視無睹,，為了解釋光電效應(yīng)，竟然“復(fù)辟”到光的微粒說去,。人們不禁要問,，他為什么要這么干,？答案只有兩個：他根本沒水平，卻要強出頭,；他故意要擾亂科學界,。兩者必居其一。 現(xiàn)在來看看愛因斯坦所解釋的光電效應(yīng)是怎么回事,。 如果望文生義,，就會這樣理解：把光照射到某種物質(zhì)上就會有電流產(chǎn)生。如果真是這樣的話,，這將是人類的大幸矣,，困擾著人類的能源問題獲得徹底解決。電能是各種形式能的中心,，通過電動機可以轉(zhuǎn)變成人們需要的動能（有用功）,，通過電熱和制冷設(shè)備獲得需要的溫度，等等,。光能是自然界最容易獲得的能源,，把光能直接轉(zhuǎn)變成有效的電能,，這是人們夢寐以求的事,。 可是，光電效應(yīng)并不是像一些人設(shè)想的那么回事,，它只是赫茲在做無線電波實驗時發(fā)現(xiàn)的一個現(xiàn)象,。 1887 年，德國物理學家赫茲在研究電磁波性質(zhì)時發(fā)現(xiàn),，用紫外線照射火花放電區(qū),，放電變得容易一些。后來赫茲的學生勒納對此作了深入的研究,，他發(fā)現(xiàn),，要使一個給定的金屬表面逸出電子，入射光的波長不能太長,，發(fā)射出來的電子速度與入射光的強度無關(guān),，只與入射光的波長有關(guān)，波長越短,，電子動能越大,；紅光不能使陰極表面釋放出電子，即使增加光的強度也無濟于事,；逸出電子的數(shù)目與光的強度有關(guān)而與光的頻率無關(guān),。 這種實驗裝置實用價值有限，不像法拉第用磁鐵穿過閉合線路產(chǎn)生電流的實驗給人類帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益,。在真空玻璃管內(nèi)安裝兩個電極,，在電極上分別加上正負電壓,，兩個電極之間就有了放電的傾向，這就是光電管,。還需要一盞高壓汞燈和微電流測試儀,，一般大學的實驗室都可以做光電效應(yīng)的實驗。 就是這么一個十分普通的實驗,，不解釋又何妨,？但是愛因斯坦及其崇拜者在這里大做文章，說光的波動說解釋不了,，一定要用光的微粒說解釋,，電子是被光子打出來的。 他們給光的波動說羅織了三條“罪名”：首先,，按照光的波動說,，在光的照射下，金屬中的電子將從入射光中吸收能量,，從而逸出金屬表面,，逸出時的初動能應(yīng)決定于光的強度，可這與光電效應(yīng)的實驗不符,；其次,，按照光的波動說，如果光強足夠供應(yīng)從金屬釋放出電子所需要的能量,，那么光電效應(yīng)對各種頻率的光都會發(fā)生,，這也與光電效應(yīng)的實驗不符；第三,，按照光的波動說,，金屬中的電子從入射光中吸收能量，必須積累到一定的量值才能釋放出電子,，顯然,，入射光越弱，能量積累的時間越長,，這也與光電效應(yīng)的實驗不符,。 三個排比結(jié)構(gòu)“按照光的波動說……這與光電效應(yīng)的實驗不符”鏗鏘有力，像三把匕首插入經(jīng)典理論的胸膛,。經(jīng)典理論的創(chuàng)立者早已作古,，否則他們定會反駁這些不實之詞。 其實,，三條“罪名”可以歸結(jié)成一條,，即經(jīng)典理論認為是光強而不是頻率決定著光電效應(yīng)的一切特性，這與事實不符,。請問這些“創(chuàng)新派”,，是哪個經(jīng)典物理學家說過光的性質(zhì)不是由頻率而是由光強決定的,？他們把無中生有的罪名強加給經(jīng)典理論，蒙騙善良的人們,，達到他們顯身揚名的目的,。 電磁波的性質(zhì)是由其頻率（或波長）決定的，這是有目共睹的事實,，不論經(jīng)典派還是現(xiàn)代派都必須承認的事實,。波長在 0.4——0.7 微米之間的電磁波能刺激視網(wǎng)膜，使人們有光亮感,，大于 0.7 微米或小于0. 4 微米的電磁波,，無論強度怎樣大，也沒有這種功能,。無線電波的波長很寬,，能繞過建筑物，不像可見光那樣遇到物體便投下陰影,，這種波適用于傳輸信號,。紅光的頻率適中，但它的“力氣”很大,，能撼動原子核從而使物體升溫,，在這一方面，紫光和紫外線望塵莫及,，植物的光合作用就是要吸收陽光中的紅光,。 量子理論家們有意無意地回避這樣一個事實：和黑體輻射一樣,，光電效應(yīng)也有一個像小山峰一樣的波譜曲線,。用紅光照射放電區(qū)不會激發(fā)出電子，隨著頻率的增加,，激發(fā)出電子的能量越來越大,，在紫外區(qū)達到了它的峰值。如果繼續(xù)增加照射光的頻率,，激發(fā)出電子的能量反而小了,，到了超高頻的 X 射線區(qū)，反而“打不出”電子來了,。 綜上所述,，公式 E=h v （“能量子”的大小等于頻率乘以普朗克常數(shù)）只適用于光電效應(yīng)這樣一個特定的場合，只有在特定的頻率范圍內(nèi)有效,。沿用前面的比方,，敲木魚比賽只能在寺廟中進行，和尚和鐵匠不能同臺競技,，同時也不能指望和尚每秒敲 10 下木魚,。 其實,，黑體輻射和光電效應(yīng)這兩個實驗正好成為互補關(guān)系。在黑體輻射中,，要撼動原子核,，主要靠紅光和紅外線；而在光電效應(yīng)中,，要激發(fā)的是微小的電子,，靈巧敏捷的紫光和紫外線最適宜擔此重任，而力大但動作遲緩的紅光和紅外線卻無能為力,。這就叫一物降一物,，彈弓傷不了大象，榔頭打不死跳蚤,。這真是,，天生我波必有用，某一頻率電磁波的功能是其它頻率電磁波發(fā)揮不了的,。 量子理論的第三站是玻爾和他的原子模型的量子化,。 古希臘哲學家認為物質(zhì)的最小微粒是原子，“原子”這個詞,，在希臘文中就是不可再分的意思,。道爾頓的原子論根據(jù)當時的科學水平，提出原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元,。 1897 年,，英國物理學家湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，打破了傳統(tǒng)觀念,，打開了原子時代的大門,。 那么，電子在原子中又是怎樣安排的呢,？湯姆遜提出了原子結(jié)構(gòu)的西瓜瓤模型,，電子就像一粒一粒的西瓜子嵌在瓤里。這個模型存在很多問題,。接著,，新西蘭科學家盧瑟福用α粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)α粒子能順利地直線通過,，只有少數(shù)α粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn),，還有一些被反彈回來。盧瑟福推斷,，原子中有一個帶陽電荷的核,，所以帶陽電荷的α粒子接近它時由于同性相斥而發(fā)生偏轉(zhuǎn)或反彈回來，由于絕大多數(shù)的α粒子能毫無阻擋地通過，所以原子核在原子中所占的體積是非常小的,。于是,，盧瑟福建立了原子結(jié)構(gòu)的太陽系模型，帶陰電的電子不停地繞帶陽電的原子核旋轉(zhuǎn),。在我們看來是常識的東西,，經(jīng)過前輩科學家費盡周折的探索才得到。我們不禁要對這些實驗物理學家肅然起敬,！ 不過,，問題似乎沒有徹底解決。在經(jīng)典理論中,，旋轉(zhuǎn)的電子必須不斷地輻射能量,。電子的能量越來越小，它的速度必然會越來越慢,，它繞原子核運行的軌道半徑就越來越小,，最終以螺旋狀的軌道落到核中；實際上原子是很穩(wěn)定的,。經(jīng)典電磁理論認為,，電磁波起因于帶電粒子的振動，在一般情況下,，電磁波的頻率就是帶電粒子的振動頻率,。 玻爾的第二個假設(shè)則語出驚人,。他認為電磁波的產(chǎn)生不是源于帶電粒子的振動,，而是電子在各條軌道之間的躍遷；輻射的頻率也不等于振動頻率，而是由不同軌道之間的能量差來決定,。這樣,，他一舉推翻了經(jīng)幾代人才建立起的“發(fā)光機制”。玻爾認為,，原子從一個穩(wěn)定態(tài)躍遷到一個低能態(tài)時,，發(fā)出一條譜線；當從后一狀態(tài)躍回到前一穩(wěn)定態(tài)時,，就發(fā)生與該譜線對應(yīng)的輻射吸收,。躍遷到較高能量穩(wěn)定態(tài)的原子，能夠返回到正常態(tài),，同時輻射單一的譜線,。 玻爾為什么敢冒物理學界的大不韙，提出離經(jīng)叛道的理論呢,？原來,，他胸有成竹，有備而來,。玻爾早些時候結(jié)識了對光譜頗有研究的青年漢森,，漢森告訴他，你的電子躍遷理論為什么不和原子的光譜線聯(lián)系起來,，他敦促玻爾研究一下巴爾末公式,。 巴爾末，瑞士的一個數(shù)學教師,。他根據(jù)氫原子的光譜線在可見光區(qū)間的波長,，——這是一組看似雜亂無章的數(shù)列——總結(jié)出了一個公式，這就是著名的巴爾末公式,。巴爾末公式里有一個“里德伯常數(shù)”,，它需要用分光計準確地測定若干條氫光譜線的波長，并分別代入巴爾末公式,，即可用實驗方法確定,。然而，玻爾的理論可以直接推算出里德伯常數(shù),，它與用實驗得到的數(shù)值驚人的一致,！不僅如此，玻爾的模型還準確地預(yù)測了新的譜線的存在,，而這些預(yù)言很快被實驗物理學家所證實,。他的推導折服了許多物理學家，連原來站在對立面的人也改變立場,。這就為他的理論的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ),。 玻爾還認為,，物質(zhì)普通的物理特性與化學特性,，例如物質(zhì)的聚集狀態(tài)、顏色,、化學反應(yīng)等等,，這些特性取決于電子系統(tǒng)的運動，和在各種外部作用影響下電子運動改變的方式,。原子核的結(jié)構(gòu)決定著物質(zhì)的第二類特性：物質(zhì)的放射性,。（引自玻爾的獲獎演說） 下面，我將對玻爾的理論挑一點毛病,。 首先,，原子結(jié)構(gòu)的太陽系模型和經(jīng)典電動力學之間的矛盾不一定要用玻爾的量子論來解決。只要破一個定律便可以解決,，這個定律就是能量守恒定律,。能量守恒定律不是宇宙中的普遍規(guī)律。它只適用于地球表面,，在宏觀領(lǐng)域（指宇宙中）和微觀領(lǐng)域,，它是不適用的。（這一點以后還將詳細闡述）地球每時每刻在輻射能量,。地球中心的溫度高達 5000 ℃ ,，過去是、現(xiàn)在是將來還是這一溫度,；并不存在絕對隔熱的材料,。由此可以推斷，地球中心的熱能源源不斷地傳到地球表面,，并散失在太空中。請問,，為什么不斷輻射能量的地球沒有走螺旋形的軌道最后落入太陽中去呢？ 如果把原子比作排球場,，原子核就是放在球場正中的排球。物質(zhì)之間的結(jié)合無需原子核之間靠得很近,，只需改變外層電子的運動方式,，因此，物質(zhì)的化學反應(yīng)和聚集狀態(tài)是由電子系統(tǒng)決定的,。但是，原子核畢竟集中了原子質(zhì)量的 99.9% ，認為物質(zhì)的顏色,、比重這些物理特性是由微不足道的電子決定的,，這種看法是違背常識的。請問,，一只黃色的氣球上粘著一粒黑色的沙子,，一眼望去，看到的是黃色的氣球還是黑色的沙子,？ 由于玻爾本末倒置地認為物質(zhì)的顏色是由電子系統(tǒng)決定的,，因此他一個勁地尋找元素的光譜線和電子的運行特征之間的聯(lián)系。氫是最簡單的元素,，玻爾用電子躍遷時的能量差來確定輻射頻率，令人信服地證明了氫的光譜線與電子躍遷之間的關(guān)系,。但這只是“純屬巧合”而已，因為別的物理學家用玻爾的方式,，即經(jīng)典力學加量子條件,，計算多電子原子系統(tǒng)的定態(tài)或激發(fā)態(tài)能量時都失敗了,；玻恩和海森伯計算氦原子激發(fā)態(tài)時所得到的結(jié)果也與光譜資料有很大的出入。人們強烈地意識到,，總存在著舊量子論解釋不了的奇特現(xiàn)象,。
德國天文學家提丟斯提出的一條關(guān)于行星距離的定則。各行星與太陽的平均距離非常接近于用下式表示的簡單關(guān)系：A=4+（2n×3）,，此處n的值依次取-∞,、0、1,、2,、3、4等等,。這樣就產(chǎn)生了一個數(shù)列：4,、7、10,、16,、28、52,、100,，它與水星,、金星、地球,、火
星,、----木星以及土星到太陽的相對距離相吻合。沒有任何行星可以填補火星和木星之間的那個空缺,，后來,，在此位置發(fā)現(xiàn)了小行星帶。這一關(guān)系剛提出時并未受到人們的重視,。1772年經(jīng)波得發(fā)表后才逐漸引起天文學家們的注意,。此后，人們便稱它為提丟斯~波得定則,。但是,，70年以后人們發(fā)現(xiàn)了海王星，便發(fā)覺這條“定則”其實只是一種巧合,，并無實際的科學意義,。玻爾的電子躍遷決定光譜的理論恐怕與提丟斯~波得定則是一路貨色。
如果此時物理學家們意識到玻爾用電子躍遷成功地解釋氫元素的光譜結(jié)構(gòu)也許純屬巧合,，物質(zhì)的光譜線也許與原子核有關(guān),，那么，量子力學也不會發(fā)展到今天這個地步,。但是他們沒有這么做,。于是，為了符合光譜線的某些要求,，他們把電子軌道描繪得紛繁復(fù)雜,，結(jié)果還是捉襟見肘，這里的問題解決了,，那里的問題暴露了,。最后只能求助于“測不準原理”：原來電子的蹤跡是測不準的。 1909 年,，盧瑟福做了這樣一個實驗：他把會放射α粒子的物質(zhì),，例如釙或氡，封在一個很薄的玻璃管里,，α粒子會穿過管壁跑出來,；他又把裝有釙或氡的玻璃管放進管壁厚的大一些的玻璃管里，在厚玻璃管的兩端預(yù)先裝好電極,，然后把它抽成真空,。 釙或氡不斷地放射出α射線，α射線穿過薄玻璃管跑出來,，但是碰到外層厚玻璃管壁時就跑不出去了,。等兩個玻璃管的夾層中積聚一些α粒子后,，盧瑟福在兩個電極之間通上高壓電。管中發(fā)出黃色的輝光,，用光譜儀檢測,，就是氦氣的光譜,。 α粒子是氦原子核,，它外面沒有電子繞核運行。如果按照玻爾的觀點,，光譜線是由電子運行決定的,，那么盧瑟福就不應(yīng)該檢測到任何光譜線。而盧瑟福檢測到α粒子的光譜線就是氦氣的光譜線,，這個實驗說明光譜線與外層電子毫無關(guān)系,，完全是由原子核決定的。 碳的原子量是 12 ,，有 12個核子,；氫的原子核只有一個質(zhì)子，原子量理應(yīng)為 1 ,。但元素周期表顯示的氫的原子量是 1.0079 ,。自從同位素的概念產(chǎn)生以后，科學家們在想,，會不會混入了質(zhì)量數(shù)為 2 的氫的同位素呢,？首先想到這一問題的是施特恩，可惜他的實驗沒有成功,。后來,，美國科學家尤里也來尋找氫的同位素氘。他想,，既然氘比氫重,，那么緩慢蒸發(fā)液態(tài)氫，最后剩下的應(yīng)該是氘,。 1931 年,，尤里的研究小組將 4 升 的液態(tài)氫緩慢地進行蒸發(fā)，最后只剩下 1 毫升的液體,。光譜分析顯示,，它的光譜線正好落在質(zhì)量數(shù)為 2 的氫同位素的位置上。尤里由于這一發(fā)現(xiàn)而獲得 1934 年諾貝爾化學獎,。 原子核中多了一個中性的粒子,，理應(yīng)對核外電子的運行沒有影響。根據(jù)玻爾的光譜線是由電子躍遷形成的觀點,，光譜分析就應(yīng)顯示不出同位素之間的差異,。尤里用光譜分析法顯示出氫和氘的不同譜線,，這說明光譜線與核外電子沒有關(guān)系，和核內(nèi)質(zhì)子數(shù)及其排列狀況有關(guān),。 以上兩個實驗都證明了物質(zhì)的光譜線不是由電子的運動狀態(tài)決定的,，而是由核內(nèi)帶電粒子即質(zhì)子數(shù)以及它們的排列方式?jīng)Q定的。 除極少數(shù)放射性物質(zhì)外,，絕大多數(shù)元素的原子核是十分穩(wěn)定的,。舉例來說，鐵放在高爐里冶煉,，鐵還是鐵,，不會變成氮氣跑出來。電子和原子核的結(jié)合要松散得多,，只要施加不多的能量,，電子就會“蒸發(fā)”，離開原來的軌道,。鐵礦石的主要成分是氧化鐵,，把鐵礦石放在高爐中冶煉，鐵原子和氧原子周圍的電子游離出來,，它們之間結(jié)合的化學鍵松開,。高壓也是一種能量，也能把電子從軌道上“驅(qū)趕”出來,。地球中心主要成份是鐵,，但是那里的鐵的密度約為每立方厘米17克 ，是地球表面的兩倍多,，它們的電子被剝落呈離子狀態(tài),。在離地面60千米以上的高空，有一層電離層,，那里的空氣受紫外線的照射,，電子從運行的軌道上游離出來。以上事實說明,，高溫,、高壓、高能射線都能剝落原子周圍的電子,。 發(fā)現(xiàn)每種元素都有其特殊的光譜線是德國科學家本生和基爾霍夫的一大貢獻,，天文學家可以運用光譜分析法測定遙遠的天體由哪些元素構(gòu)成。本生燈用煤氣作燃料,，溫度能達到 2300 ℃ ,。在這樣高的溫度下，電子被“蒸發(fā)”,，留下的是帶正電的原子核,，它們在火焰中做劇烈的簡諧振動,。帶電粒子的振動會產(chǎn)生電磁波。電磁波頻率就等于帶電粒子的振動頻率,，而光譜結(jié)構(gòu)就決定于帶電粒子的個數(shù)及排列狀況,。這樣，我們又回到經(jīng)典理論的道路上來,。 玻爾卻從另一角度研究電磁波的生成,，他描繪出一系列可能的電子軌道，從而得出能夠吸收或放出的一定大小的量子,，于是“恰當”地解釋了氫光譜線的特定波長,。 一個好的理論應(yīng)當本身簡單,，但應(yīng)能解決同種類型復(fù)雜的問題,。例如牛頓的萬有引力理論，公式簡潔明了,，卻能解釋各種天體的運行方式,，大到恒星，小到彗星,。讓我們看看玻爾理論是否符合這一條件,。 雖然玻爾提出了主量子數(shù) n 并給出了光譜線的波長數(shù)字，但仍不能解釋所有的事情,。如果用更精密的儀器觀察光譜線,，就會發(fā)現(xiàn)每一根線是由間隔更小更細的線組成。只用一個量子數(shù)是不能解決問題的,，需要再引進一個量子數(shù),。 1916 年，德國物理學家索末菲指出,，玻爾設(shè)想的軌道都是圓的,，但軌道也可能是橢圓的，且具有不同的橢圓度,。為了能將新的軌道考慮進去必須增加第二個量子數(shù),，這就是軌道量子數(shù)。軌道量子數(shù)必須小于主量子數(shù),，這也許是對“老大哥”的尊重吧,。運用這兩個量子數(shù)，就能表示出更精細的光譜結(jié)構(gòu),。 然而,，問題還在進一步復(fù)雜化。荷蘭物理學家塞曼把光譜分析裝置放在強磁場中,，發(fā)現(xiàn)灼熱原子在磁場中發(fā)出的光,，其譜線略微變寬,，變寬的線是三重線或多重線，這就是塞曼效應(yīng),。對此,，玻爾理論是這樣解釋的：在磁場的影響下，電子運行的軌道會發(fā)生分裂,，這就需要再引進一個量子數(shù),，“磁矩”就這樣產(chǎn)生了。量子理論家們又做了這樣的規(guī)定：磁量子數(shù)的絕對值不能超過主量子數(shù),。 如果磁場真的能使電子軌道發(fā)生分裂,，那么不論在高溫下還是在常溫下都會如此。大家知道,，電子的運行方式?jīng)Q定著物質(zhì)的化學性質(zhì)和凝聚狀態(tài),，請量子理論家們舉出一兩個物質(zhì)在磁場中化學性質(zhì)改變的例子。 隨著光譜分析技術(shù)的進展,，科學家們發(fā)現(xiàn),，在弱磁場作用下，灼熱原子的光譜線發(fā)生更為復(fù)雜的分裂,，這就是“反常塞曼效應(yīng)”,。量子理論家們未能令人信服地解釋為什么磁場強弱的變化會引起正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)，而是在那里“湊得數(shù)”：反常塞曼效應(yīng)要求引入1/2 的量子數(shù),，而前三個量子數(shù)全是整數(shù),。于是有人靈機一動：行星在繞太陽公轉(zhuǎn)的同時在那里自轉(zhuǎn)，想必電子也在自轉(zhuǎn),，“旋”和“轉(zhuǎn)”是一個意思,，為了避免雷同，就稱“自旋”吧,，地球 24 小時自轉(zhuǎn)一周,，電子要多少時間自旋一周？天知道,！反正這里的自旋只是為了湊得數(shù),，只要設(shè)自旋為整數(shù)和分數(shù)就可以了。于是,，把電子,、中子、質(zhì)子的自旋均設(shè)為 +1/2 或 -1/2 ,。 他們指鹿為馬,，把光波說成“光子”，并規(guī)定它的自旋為 1 ；他們未卜先知,，把尚未證實存在的引力子的自旋設(shè)為 2 ,。還有自旋為 0 的粒子，例如 K 介子,、π介子等,。 提出“自旋”這個概念以后，量子理論家們又把所有的粒子分成兩類：凡自旋為整數(shù)和零的粒子稱為玻色子,，玻色是印度科學家的名字,；凡自旋為帶 1/2 分數(shù)的粒子稱為費米子，費米是意大利科學家,。 自旋這個帶分數(shù)的量子數(shù)使玻爾很不高興,，因為它違背了玻爾制定的量子規(guī)則。兩條電子軌道之間是“禁飛區(qū)”,，電子從一條軌道變魔術(shù)似的一下子躍遷到另一條軌道,，中間不得停留，因此量子數(shù)不應(yīng)當有分數(shù)值,。但是,，不引進帶分數(shù)的量子數(shù)又解決不了反常塞曼效應(yīng)，在百般無奈之下,，玻爾接受了這個殘酷的現(xiàn)實。 接著,，奧地利物理學家泡利提出了著名的不相容原理：原子內(nèi)不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數(shù)n,、l、ml,、ms,。更確切地說，沒有兩個費米子能夠享有同樣的狀態(tài),。 現(xiàn)在,，有四個量子數(shù)可供量子理論家們湊得數(shù)了，這就是主量子數(shù),、軌道量子數(shù),、磁量子數(shù)和允許帶分數(shù)的自旋。不過,，此時即使量子理論能夠完美地解釋各種物質(zhì)的復(fù)雜的光譜結(jié)構(gòu),，它也是一個失敗的理論。正如一個學生在考試中作弊,，不論有些題目考得多好,，成績就是零分；又如一個運動員，在比賽中服用了違禁的興奮劑,，即使得了冠軍,，成績也會被取消。規(guī)則是不能違背的,；如果違背了規(guī)則,，成績就應(yīng)歸零。 寫到這里,，使人想起了早已被人拋棄了的地心說,。當時，人們普遍認為地球是宇宙的中心,，太陽,、月亮、星星都在繞地球旋轉(zhuǎn),。他們觀察各種天體的運行軌跡,，最傷腦筋的就是金木水火土這五顆星，它們時而迂回,、時而擺動,、時而偏移，時快時慢,，運動規(guī)律令人難以捉摸,。不過，當時人的思維已經(jīng)被禁錮在地心說中,，也只能朝這一方向走下去,，于是設(shè)想出“本輪”、“均輪”這些根本不存在的東西,，不斷“修正”愈來愈復(fù)雜的天體運動的公式?，F(xiàn)在的量子專家們不正是走這一條路嗎？ http://blog.sina.com.cn/s/blog_5b1993f40100q6cq.html 2011-03-25 12 |
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