偉大的突破--量子論的產生

06-23

偉大的突破——量子論的產生

(2015-12-13 09:24:07)

普朗克和愛因斯坦

量子力學的建立是一個相對其他學科來說並不算漫長的過程，從1900年開始至今也不過一百多年。但這一百多年卻湧現出了大批優秀的物理學家和許多著名的理論，這些人和他們所作的研究影響、改變了我們的世界。

導致量子論出現的是一個古典熱力學難題，即黑體輻射問題。

1900年下半年，普朗克在反覆考慮黑體輻射導致的困難時偶然發現，如果認為原子在發射和吸收輻射時不是連續的，而是一份一份的，那麼，每份電磁輻射的能量和頻率之間存在正比關係（即e=hv）。

電磁輻射怎麼可能是一份一份的呢？電磁理論和波動光學都表明，輻射應該是連續的，怎麼可能不連續呢？普朗克百思不得其解。

普朗克假定，原子輻射或吸收能量時，能量是不連續的，是一份一份的。這個假定雖然看來荒謬，但能得出與實驗數據很好符合的理論曲線。於是普朗克「暫時」接受了這一假定，以留作以後進一步研討。

1900年世紀之交，普朗克首先在校內報告了他的這一發現。他假定黑體以hv為單位不連續地發射和接收輻射，計算出了黑體輻射能量分布公式，成功地從理論上解釋了黑體輻射現象。在報告中，普朗克將最小的不可再分的能量單元稱作「能量子」或「量子」，這被認為普朗克提出量子假說的發端。

當年12月14日，他將這一假說報告了德國物理學會，宣告了量子論的誕生。普朗克因提出了「量子」這一概念，並通過學說報告的方法向世人展示了量子論，因此有觀點稱普朗克是量子力學的創始人。

科學史上，大部分學科都不是一人之力完成的，量子力學發展到今天離不開眾多科學家的努力，其中包括普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、泡利、德布羅意、玻恩、費米、狄拉克、愛因斯坦、康普頓等大家耳熟能詳的科學家。

1905年，《德國物理年鑒》收到一篇投稿，作者是當時還名不見經傳的愛因斯坦。這篇文章解釋了剛發現不久的光電效應。愛因斯坦在文章中指出，輻射不僅在原子發射和吸收它的時候是一份一份的，在脫離原子進入真空運動時也是一份一份的。愛因斯坦引進光量子的概念，推導出光子的能量、動量與輻射的頻率和波長之間的方程式，解釋了光電效應。

愛因斯坦把普朗克的「量子說」發展成為「光量子說」。然而普朗克在相當長的時間內對愛因斯坦的光量子理論持懷疑和反對態度。不過，普朗克沒有因為自己的不同意見而阻止愛因斯坦這一理論的發表，後來還連續支持了愛因斯坦其他論文的發表，使愛因斯坦一下成為世界著名物理學家。

1913年，一直跟愛因斯坦論戰的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾提出了以他命名的「玻爾模型」。玻爾認為電子只能在一定能量的軌道上運轉。外層軌道比內層軌道可以容納更多的電子；較外層軌道的電子數決定了元素的化學性質。如果外層軌道的電子落入內層軌道，將釋放出一個帶固定能量的光子。

1924年，德國猶太裔理論物理學家馬克斯·玻恩在一篇論文中使用「量子力學」這個辭彙，這標誌著以普朗克、愛因斯坦和玻爾對量子力學所作的研究告一段落，同時開啟了量子力學研究百花齊放的新篇章。

在那幾年，幾乎每一天都有關於量子力學領域的新發現——薛定諤推出了一個相對論的波動方程，而他關於「一隻放在裝有毒氣盒子里的貓是死是活」的經典問題「薛定諤的貓」也成為量子力學一個著名的假設；海森堡創立了解決量子波動理論的矩陣方法；狄拉克改進了矩陣力學的數學形式，使其成為一個概念完整、邏輯自洽的理論體系。

這些發現鼓舞著科學家們繼續前行的同時，也逐漸完善了量子力學的理論系統。量子力學使得我們對世界的認知越來越清晰，這不僅僅是一個玄妙的理論，它對於我們的日常生活和生產也有著巨大的推動，從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學圖像顯示裝置，都依靠了量子力學的原理和效應。例如，對半導體的研究導致了二極體和三極體的發明就是藉助量子力學的支撐；在核武器的發明過程中，量子力學的概念至關重要；迄今為止，僅萬有引力無法使用量子力學來描述。