學渣講量子——量子的大門被敲開

2020-12-03 科學翻譯官

量子誕生的時代背景

量子力學誕生之前,牛頓還是神一樣的存在。在牛頓的光輝下所有非電磁都可以用力F=ma和第一、第三定律來解決,一切變化都是連續的。而量子力學的誕生的最主要原因是出現了四個問題,黑體輻射、光電效應、原子的線狀光譜、原子的穩定結構,牛頓力學解決不了。用老的辦法解決不了新的問題,那新的理論自然應運而生。

黑體輻射

黑體輻射是一個實驗,簡單說一下原理。如果有一個東西它能把傳播給它的電磁輻射全吃了,一點都不反射,然後只拉出來熱輻射,那麼這個東西就叫絕對黑體,絕對個黑體只存在於理想狀態,主要是為了搞清楚能量。

科學家維恩製造了一個非常近似於絕對黑體的東西,然後給這個東西電磁波吃,觀察拉出的熱輻射,然後記錄成一個一個小點,把這些小點連在一起就得到了一個能量、溫度與電磁波頻率相關的曲線。

各路大佬解方程

曲線有了,接下來把方程解出來,就能搞清楚電磁輻射和能量的關係。怎麼解?小時候,大家畫曲線寫x,y方程沒少做吧?直線方程、曲線方程……

下面動圖出現的名字的大佬都是解得比較成功的。可以看到,維恩已經很接近了,最後的那一點讓普朗克補充上了。

普朗克的公式兩個字」完美「。

德國物理學家,量子力學的創始人:馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克。普朗克能推導出黑體輻射曲線的公式,並非其本意。其中經歷了各種離奇曲折,這裡不贅述了。他於1900年10月發表了第一次敲開「量子力學」大門的論文——《論維恩光譜方程的完善》,但是當時他自己並不知道這個意味著什麼,只是算出來公式,並沒有完全搞清楚原理。

從圖中可以看到維恩的公式曲線,他的公式已經非常接近黑體輻射曲線了,普朗克的公式是在維恩的基礎上加以修改。普朗克這次的論文也是第一次提出了完美的黑體輻射公式。他在發表這個論文時,自己是懵逼的,還特別在最後補上一句:你們看看就算了,我隨便算出來的,別當真。為什麼會這樣?因為這個事顛覆了大家的認知。違背了科學家們一直遵循的、神聖不可侵犯的傳統經典牛頓力學——變換是連續的。

歷史何其相似,這裡多說一句,當年洛倫茲在發表出洛倫茲變換,明明已經證實了牛頓力學所基於的「以太」並不存在,卻要說:這只是數學的一種計算方法,是數學技巧,當不得真,以太還是存在的,牛頓還是我們心中的大佬。

沒過幾個月,1900年底,德國的物理討論會上,普朗克做了個正式的報告《論正常光譜中的能量分布》。作報告時,他闡述了為了從理論上得出完美的輻射公式,而不是只是從數學公式入手,必須做出一個假設:能量的變化不是連續地、而是一份一份的增加,一份一份減少,而能量是有最小值的,每一份就是能量的最小值,這個最小數值就叫能量子,從此量子誕生了。

公式

下面普朗克公式推導這裡不說,太複雜涉及的物理知識太多了。

維恩的公式

普朗克定律

最終的普朗克公式:

我們通過普朗克公式可以得到下面:

重點:普朗克的量子假說 —— 能量的最小數值是ε=hv

電磁輻射的能量是:

其中ε為能量、v是輻射頻率是ν,h為一個常數,當時普朗克把它叫做基本作用量子,後來被命名為普朗克常數,n只能為整數(1、2、3……n)

因為n不能等於0.5,也不能等於0.25,也就是不能來半份,不能來四分之一份,由此能量是一份一份的理論就出來了。

插播:愛因斯坦的光量子假說——E=hv

是不是發現和上面那個假說有點像,歷史又相似了,這位晚上不愛寫作業的同學抄完洛倫茲變換弄出了狹義相對論,又來抄普朗克的,得出了光電效應,因此拿了諾貝爾。

量子力學的大門被踢爛了

普朗克這個結論等於是拋棄了牛頓同學——變換是連續的理論,這是一個新的理論框架,慢慢反應過來的科學家們都看明白了一個「事實」,凡是變化都存在著一個最小的單位。於是科學家門通過普朗克的結論,又得出了宇宙中最小的間隔時間——普朗克時間,10^-43秒。宇宙空間中最小的可測尺度——普朗克尺度1.6x10^(-35)米。這更說明:這個世界的變化不是連續的,有個很好的詞叫躍遷,很形象地形容了這種變化的方式。

舉個例子說明一下:

如果說牛頓的傳統經典力學是在走斜坡,那量子力學就像是在走臺階。牛頓力學物理量變化時,就像是從斜坡上慢慢的連續的滾下去的,而那量子力學裡的變化是一個臺階一個臺階往下跳

牛頓搞定了傳統經典力學、愛因斯坦搞定了時空、麥克斯韋搞定了電和磁。而量子現在誰都沒有完全搞明白,如果誰能搞定量子力學,那這個人的貢獻將不亞於牛頓。

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