物理學家告訴你走近量子糾纏(2):男孩物理學
愛因斯坦1905年提出光量子假說,26歲;
玻爾1913年提出原子結構理論,28歲;
德布羅意1923年提出德布羅意波,31歲;
海森堡1925年~1927年創立矩陣力學和測不準原理,24~26歲;
還有泡利25歲,狄拉克23歲、烏侖貝克25歲、古德施密特23歲、約爾當23歲等。只有36歲的薛定諤、43歲的波恩、42歲的普朗克,算是叔叔、爺爺的輩份。
物理學家們將量子力學誕生之日定為1900年12月14日,這是普朗克在柏林宣讀他關於黑體輻射的論文的那一天。在此之前,是由牛頓力學加上麥克斯韋方程建造的宏偉物理理論大廈,當認定「光是一種電磁波,符合美妙無比的麥克斯韋方程,其餘的物質粒子符合牛頓力學」之後,物理學界以為一切萬事大吉。可是晴朗的天空飄起了兩片不起眼的小烏云:邁克爾遜-莫雷實驗找不到「以太風」,黑體輻射實驗引發了「紫外災難」。
之後的100多年,整個物理學爭論的仍然是最古老最困惑人的問題:「光,到底是什麼?物質,又是什麼?」更具體說,「光和物質到底是粒子還是波?」第一片烏雲動搖了牛頓力學,誕生了愛因斯坦的相對論;第二片烏雲引出了這裡正要討論的量子理論。由經典理論推導的維恩公式和瑞利-瓊斯公式,與黑體輻射的實驗結果不相符合,導致「當輻射的頻率趨於無窮大時,輻射能量發散」的所謂「紫外災難」。接下來就是「男孩」登場了。
普朗克假設黑體輻射時,能量不是連續的,而是一份一份地發射出來。他導出一個新的公式,與實驗符合得很好。
1905年,26歲的愛因斯坦對光電效應的貢獻才真正使人們看到了量子概念所閃現的光芒。
1913年,28歲的波爾在盧瑟福模型中引進普朗克常數,提出了量子化的氫原子結構理論:電子軌道不是連續變化的,而是只能處於一個一個分立的能級狀態,即電子軌道也是量子化的,從而解決了盧瑟福原子「行星模型」在經典力學框架下不穩定的困難。但是,波爾的原子理論仍然是建立在經典物理之上,他不是徹底的量子理論。
1923年,31歲的德布羅意提出物質波。1925年,24歲的海森堡創立矩陣力學,以及1926年,37歲的薛定諤建立薛定諤方程。在這些「男孩」們的努力下,「男孩物理學」—量子力學逐步建立起來。
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