物理學史上第二朵烏雲,量子論的大爆發!從根本上了解量子力學

2020-12-24 量子貓

在19世紀末的時候,很多科學家都在研究黑體輻射問題,簡單來說,就是研究物體的溫度和輻射能量之間有怎樣的關係。經過科學家們前赴後繼的努力,終於得到兩套公式,但問題是其中一套公式啊只對電磁波的短波有效,另一套公式呢這對長波有效。

所以這中間肯定是有問題的

在1900年的時候,普朗克已經研究黑體輻射好幾年了,但是沒有搞出什麼頭緒來。有一天就想換一個思路,先不管各種各樣的假設推導,不管怎麼樣,先用數學方法把這兩條公式拼起來再說。

結果幾天之後,普朗克還真把這兩套公式湊成了一個,也就是著名的普朗克黑體公式。

在普朗克黑體公式公布之後,大家發現這個公式非常管用,但問題是大家是知其然,不知其所以然,只知道這個公式好用,但是不知道它為什麼好用,也並不知道這個公式隱藏著怎樣的物理意義。

又經過了一段時間的研究,普朗克終於發現,如果要讓這個公式成立,必須要做一個假設,那就是能量在發射或者吸收的時候不是連續不斷的,而是必須分成一小份一小份的

也就是說能量不是可以無限分割的,而是有一個最小單位,這個基本單位後來就被命名為量子

就是這個量子的假定,最終推翻了整個經典物理學的大廈,也徹徹底底地改變了人類對於世界的認識。

為什麼這麼說?

在經典物理學看來,一切自然過程都是連續不斷的。如果氣溫從20度上升到30度,那麼中間肯定是經過了25度。如果一個化學反應釋放出了50焦耳的能量,那麼中間肯定有一個時刻,他剛好釋放出了比如30.134焦耳的能量。

但是量子的假設就不是這樣。量子論相當於再說能量的發射和吸收,就像是我們花錢一樣,你一次最少也要花一分錢,因為沒有比一分錢更小的面值了。你不能說我買個東西花0.3分錢,不可能。

能量也是一樣,它有一個最小單位是不連續的。那麼關於連續性和平滑性的假設呢是微積分的基礎,而無論是牛頓的力學,還是麥克斯韋的電磁學,都是建立在微積分的基礎上。而量子論一誕生,直接動搖了連續性的假設,相當於經典物理學的大廈一下被移走了地基。

那麼量子論到底對不對?

是對的

舉個例子,大名鼎鼎的光電效應。科學家發現,如果用光來照射金屬,那麼就有可能從金屬表面打擊出電子來。但很奇怪的是,光能不能打出電子跟光的強度無關,只跟光的頻率有關。

比如說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墊子也打不出來。而且無論這個紅光和黃光有多強都不行。

這個當時科學家都不能解釋的現象就是光電效應,後來愛因斯坦用量子理論成功解釋了光電效應。

頻率更高的光線,比如說紫外線,它的單個量子所蘊含的能量比較高,而頻率低的光線,單個量子蘊含的能量低,對於低頻率的光來說,量子能量不足,根本就激發不出電子,無論這個光有多強都不行。也就是說光也是以量子的形式來吸收能量的,沒有連續性也不能積累。

如果說要評選20世紀人類社會最重要的事件,那麼既不是兩次世界大戰,也不是人類登上太空,而是量子力學的出現和發展。

因為量子力學的誕生引發了一系列的技術革命,包括核能、計算機、材料學、信息技術等等領域,可以說完全深入到我們生活的每一個角落。那麼從實用性上來說,量子力學可以說是最成功的理論。

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