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子茂的讀書筆記
一直對量子理論很感興趣,最近讀了這方面的科普讀物——《上帝擲骰子嗎?》。
這本書的作者是曹天元,微信讀書上閱讀人數破萬,評分高達9.0。
這兩天連著讀完,發現確實是一本很不錯的書。故事性非常強,讀起來津津有味。
下面我說說書中的一條主線:光的「波動說」和「微粒說」的爭論。
1
17世紀胡克、惠更斯認為光是一種波動,而同時期的牛頓則支持微粒說。
牛頓開創了近代經典物理學,以他的天才及無與倫比的影響力,他所支持的微粒說自然而然的為人們所接受。
第一次波粒戰爭,微粒說勝。
微粒說從此引領了人們長達一個世紀,直到19世紀初託馬斯·楊的出現。
楊氏雙縫幹涉實驗,簡單而又明白的證明了光是一種波。
微粒說無法解釋幹涉條紋,無法說明兩道光疊加在一起反而會造成黑暗。
而使用波動說則可以輕而易舉的解釋,並且根據波動理論計算的明暗條紋距離與實驗完全吻合。
第二次波粒戰爭,波動說勝。
2
1888年,赫茲實驗證明了麥克斯韋電磁理論的正確性,揭示了光是一種電磁波,再次為波動說添加了一大鐵證。微粒說此時已銷聲匿跡。
19世紀末,經典物理已達到巔峰,一切物理現象幾乎都可以從理論框架中找到解釋。致使物理學家相信世界的基本原理已經全部被發現,剩下的只是做一些細節上的修正和補充。
然而在這黃金時代的天空中,隱約可見兩朵小小的烏雲。
一朵烏雲是麥可遜-莫雷實驗。實驗結果否定了經典物理學中的基礎假設——「以太」的存在。
另一朵是黑體輻射研究中的困境。從粒子的角度出發去推導,可以得到適用於短波的維恩公式。如果從經典的電磁波的角度去推導,就得到適用於長波的瑞利—金斯公式。
第一朵烏雲,最終導致了相對論革命的爆發。
第二朵烏雲,最終導致了量子論革命的爆發。
1900年,普朗克創黑體輻射公式,成功解決了黑體輻射問題。
然而這個要使得這個公式成立,必須做出一個在經典物理學中從來沒人想過的驚人假設:必須假定,能量在發射和吸收的時候,不是連續不斷,而是分成一份一份的。
這個假設意味著能量不能是無限連續的,能量必須有一個最小單元,普朗克把它命名為「量子」。量子由此誕生,從此打開了物理學的潘多拉魔盒。
3
愛因斯坦使用光量子概念成功解釋光電效應。康普頓效應直接證明了光的粒子性。
微粒說捲土重來,開啟第三次波粒戰爭。
1911年,盧瑟福提出含核原模型。但是根據麥克斯韋理論,盧瑟福的原子模型不可能存在超過1秒鐘。
1913年,玻爾引入電子躍遷概念成功解釋原子模型。微粒說前進一步。
德布羅意預言電子是一個波,1927年,戴維遜和湯姆遜成功驗證電子是一個波。波動說前進一步。
這兩個派別似乎誰也無法完全說服誰。
海森堡以矩陣形式建立力學。微粒說又前進一步。
薛丁格以波動方程建立力學。波動說也前進一步。
兩個學派爭論的不可開交,最後驚訝的發現「矩陣力學」和「波動力學」在數學上是完全等價的。
殊途同歸。
粒子既是粒子,也是波,粒子和波,兩者不可分割。
波粒戰爭以「波粒二象性」戲劇收尾。
4
題外話:沒讀這本書之前,以為「骰子」念做shǎi zi,後來查了下百度,才知道正確的讀音應該是tóu zi 。
書中除了我前面所提到的波粒戰爭之外,還有許多有趣的故事和發展成果。比如愛因斯坦和玻爾關於量子論的辯論,貝爾不等式的判決,多宇宙,系綜和退相干歷史等等。
如果你也對量子理論感興趣的話,不妨一讀。
如果誰不為量子論而感到困惑,那他就是沒有理解量子論。——玻爾(量子論的奠基人之一)