為什麼現代物理學離不開量子論和相對論？

07-09

1879年3月14日，愛因斯坦誕生了。說起愛因斯坦，你一定會聯想到相對論。那麼你可知道，為什麼現代物理學離不開量子論和相對論呢？

19世紀末，經典物理學的各種理論已相當完備，當時的許多物理學家普遍有一種發展到頂的思想。英國著名物理學家開爾文的一句話很有代表性，他說：「在已經基本建成的科學大廈中，後輩物理學家只要做一些零星的修補工作就行了。」不過，開爾文還算是有眼力的，他又指出：「在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的小小烏雲。」這「兩朵烏雲」是指當時兩個無法用經典物理學理論來解釋的實驗:一個是熱輻射實驗，另一個是邁克爾孫-莫雷實驗。正是這兩朵小小的烏雲，不久就給經典物理學帶來了一場革命的風暴。在這兩個實驗及其他一些實驗的土壤里孕育出來的「量子論」和「相對論」，為現代物理學奠定了基礎。

被加熱的物體開始發出紅光，隨著溫度上升，光亮度也増加，光的顏色逐漸由紅變黃又向藍白色過渡，這種現象叫熱輻射。由於光的顏色隨溫度的變化而有規律地變化，所以有經驗的鍊鋼工人能憑鋼水的顏色來判斷鋼水的溫度。為了從理論上總結熱輻射規律，19世紀中，物理學家導出了熱輻射物體的能量按發光波長分布的兩個公式：維恩公式和瑞利-金斯公式。然而，這兩個公式算出的結果，不是在長波方面就是在短波方面與實驗結果不符合。物理學家們為此傷透了腦筋。1900年，德國物理學家普朗克導出了一個和實驗結果完全一致的公式，但他必須假設發光的原子在輻射能量時，不是連續地而是一點一點地放出去的。輻射能量是一個最小單位的整數倍，這個能量的最小單位叫做能量量子。能量分化為量子的現象叫能量的量子化。這種量子化現象在由分子、原子、基本粒子組成的微觀世界中是普遍存在的。例如，自然界一切帶電物體所帶電量也存在一個最小單位，這就是電子電荷物體所帶電量都是e的整數倍。量子概念的建立，為研究微觀世界的運動規律提供了重要的理論武器。

經典物理學所遇到的另一個困難就是如何解釋邁克爾孫-莫雷實驗的結果。進行這項實驗是為了證實「以太」的存在。在之前，人們已經知道光可以通過宇宙空間的真空進行傳播。然而，按照經典物理學的觀點，任何一種波動的傳播都需要有一種媒介物，比如聲波能傳播主要依靠空氣，月球上沒有空氣，因此人們講話就聽不見。為了解釋光的傳播，物理學家不得不假設，在宇宙空間中到處存在一種比空氣還輕得多，卻又比鋼還堅硬的「以太」。1887年，美國物理學家邁克爾孫和化學家莫雷合作，以足夠的精確度進行了一次光學實驗，企圖證實以太的存在。但是，實驗結果卻使物理學家感到左右為難，他們要麼放棄「以太說」，否則就得否定比這更重要的哥白尼的「地動說」。20世紀初，偉大的現代物理學家愛因斯坦找到了擺脫困境的出路。他在總結實驗和前人工作的基礎上，建立和發展了相對論，並指出經典物理的理論不適用於以接近光速高速運動的情況。在研究高速運動的規律時，必須從新的觀念出發，採用相對論來加以說明。

現代物理學經常打交道的對象一個是「小」，一個是「快」。因此，我們若想跨進原子能、半導體、激光、超導等在現代物理的土壤中生長起來的新興科學技術領域，就非得學習量子論和相對論不可。而熱輻射實驗和邁克爾孫-莫雷實驗，恰好暴露出經典物理學的理論不適用於微觀世界和高速運動的情況。不過，少年朋友們千萬不要以為量子論和相對論與經典物理學是水火不相容的。若用量子論和相對論去研究質量很大或速度很慢的對象，它們得出的結論和經典物理學得到的結果完全一樣。因此，量子論和相對論包括了經典物理學的相應理論，而後者則是前者在宏觀和低速情況下的近似。