量子淺說(二):量子理論的萌芽

2020-12-01 量子認知

在上面量子淺說(一):光究竟是什麼?文中,我們談到普朗克發現能量是一點一點地離散的,他把這個能量子叫做量子。但他並不知道,這個量子概念將開創一個新的時代。第一次將這個量子的重大意義予以深入闡述的,是另外一個物理學家,他就是世人皆知的愛因斯坦。

愛因斯坦在這個時候出現了。他出現在瑞士的一個名叫伯爾尼的小城裡,在那裡當一名當地專利局的職員,同時鑽研自己心愛的物理。普朗克的這一發現在當時的物理學界都不怎麼在意,卻引起了愛因斯坦的關注。普朗克量子化的概念深深地打動了他。憑著一種深刻的直覺和他為此所做的思想實驗(Thought Experiments),他感到,對於光來說,量子化也是一種必然的選擇。

在1905年,他出人意外地發表了一篇文章,簡單然而深入地揭示了普朗克的量子概念所包含的重大意義,提出了光量子的假說,即光是由離散的能量粒子(光量子)所組成。這假說解釋了光電效應中無法用經典電磁理論說通的現象。

光量子是一個非常大膽的假設,它直接地向經典物理體系挑戰,關鍵性地促成了量子力學的早期發展,擴展了普朗克的量子假設,首先揭示了微觀世界的基本特徵:波粒二象性。這篇題為《關於光的產生和轉變的一個啟發試探性的觀點》的論文,後來贏得了諾貝爾獎。

愛因斯坦在論文中指出:「在我看來,如果假定光的能量在空間的分布是不連續的,就可以更好地理解黑體輻射、光致發光、紫外線產生陰極射線,以及其他有關光的產生和轉變的現象的各種觀測結果……這些能量子在運動中不再分散,只能整個地被吸收或產生。」

也就在同一年,他還發表了另外具有諾獎水平的其它兩篇關於重要論文:一篇是關於微小粒子或顆粒在流體中的無規則運動,另一篇是狹義相對論。提到愛因斯坦,人們通常都是把他與相對論聯繫在一起。由於這三篇文章,他從一個默默無聞的年青小職員,一下成為聞名世界的物理學領域的頂尖學者。

在愛因斯坦時代,當時還有另一個非常獨特的發現。它涉及到原子。當將一個物體分解成越來越小的碎片時,最終會產生微小的顆粒,然後會到達一個無法再進一步分割的點,即處於原子的水平。當然這是一種粒子,最終發現原子還由更小的東西組成。

但是因為原子很小,所以看不到它,而且很難確定原子的結構與原理。如果看不到原子內部,怎麼辦呢?比方說,猜字謎。有人心裡想的一個詞,你看不到。但你會根據他所給出的各種表現出來的提示,想盡千方百計探測它,直到符合所給出的各種提示,從而得出結論。

物理學的實驗及其研究實際上使用的是類似的方法途徑。原子結構太小了看不到,可以猜想假設、想盡千方百計探測出它。多年來,人們一直在用這樣的方法途徑探測原子的結構與原理,提出了各種猜測與模型。大概 ……,電子圍繞一個核心旋轉;電子移動會發光;可以觀察到光線從而可以對其光譜進行分析;也許電子和原子核的行為方式就像行星繞著太陽旋轉一樣;等等。但所提出的模型總是不盡人意。

比如說,電子運動時會消耗能量發光,就如人在運動時會動作而消耗能量,那麼電子會消耗動力。由於電子的電荷為負,原子核的電荷為正,從而電子會逐漸吸引到原子核,這樣原子就會發生塌陷崩潰。那麼,這就麻煩了,這種現象並不會發生。畢竟,如果是這樣,我們做運動時,能量耗盡時,甚至一個人都會變得平如煎餅。

一個名叫玻爾的物理學家這是出場了。他大膽地提出,基於原子不會塌陷崩潰的事實,需要修改理論假設,電子繞原子核旋轉,但它們不發光。這可是一個大膽的想法,但是實驗的結果表明實際上已經觀察到了光。

如何解決這個問題呢?玻爾提出它的新的模型,提出:電子在圍繞原子核運轉時,只能處於一些「特定的」能量狀態。這些能量狀態是不連續的,稱為定態。在原子內部,有固定半徑的軌道,電子在其中旋轉。當電子從一個軌道跳到另一個軌道時,它會發光。在原子這樣小的層次上,經典理論不再成立,新的量子思想必須被引入,這個思想就是普朗克的量子以及他的h常數。波爾這一原子模型居然能以簡單的算術公式,準確地計算出氫原子的譜線。

同時他還提出量子力學中的互補原理。20世紀20年代至30年代間量子力學及相關課題研究者的著名研發中心——哥本哈根大學的理論物理研究所(現名尼爾斯·玻爾研究所),也是由玻爾創辦的。玻爾理論的成就是相當大的,而且很深入人心,他在1922年獲得了諾貝爾獎。

玻爾模型和20世紀初的其他一些工作建立起了「舊量子論」。為什麼說是「舊量子論」?因為它是早期的初期理論,它並不很完整一致,這些啟發式理論是對於經典力學所做的最初始的量子修正,成為了一種半經典半量子的近似方法。

普朗克對於光波的發射和吸收的研究點燃了舊量子論,愛因斯坦應用量子原理於電子運動,玻爾發表對應原理,應用這原理建構了氫原子的玻爾模型,成功地解釋出氫原子的發射譜線。這些貢獻開啟了舊量子論如火如荼的發展。

整個1910年代一直到1920年代中期,物理學家應用舊量子論為一個解析原子問題的嶄新工具。既有成功也有失敗。在這期間,科學家知曉了分子的旋轉和振動譜線,也發現了電子自旋。

玻爾模型將經典力學的規律應用於微觀的電子,不可避免地存在一系列困難。比如說,「舊量子論」解決不了這樣的基本問題:為什麼電子必須停留在某個固定軌道上?電子何時從一個軌道跳躍到另一個軌道?玻爾說:我不知道,我也注意到了,這讓我感到困惑。但是無論如何,原子不會塌陷成薄煎餅狀,並且從它發出的光具有一定的固定光譜。

打個比方:舊量子論就像大哥大手機,可以用但不適應後來時代要求;現在的量子理論就像智慧型手機,適應時代需求。沒有大哥大手機式的舊量子論,就不會有智慧型手機式的現代量子理論。舊量子論是現代量子理論的萌芽。但是,舊量子論需要更新升級換代,才能適應時代的呼喚。

舊量子理論如何更新升級換代的呢?什麼樣的更新升級換代的呢?若知後事如何,且聽下回分解:量子淺說(三)——新量子論的誕生。

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