究竟什么是量子?如何理解量子?

2020-12-02综合

关于量子的问题一个回答不能说的很全面,我在这里简单的回顾一下量子的提出。

十九世纪的最后一天,欧洲的物理学家齐聚一堂,迎接新世纪的来临。著名的科学家开尔文爵士惊叹于物理学的伟大成就,自豪的说:“物理学的大厦已经建成,后世的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。”

开尔文这么说,是因为在那个时代,经典力学通过牛顿、拉格朗日、拉普拉斯等人的贡献已经清楚的解释了物体之间的相互作用和天体运行规律,麦克斯韦电磁方程组将电与磁完美的统一起来,热力学统计物理可以解释分子的运动规律,仿佛物理学已经完全成熟了,没有什么重大的理论问题需要解决。以后的物理学家只需要将物理常数的精度提高几位就可以了。

但是,开尔文同时也说:“在物理学晴朗的天空中,还飘着两朵令人不安的乌云。”他所说的这两朵乌云其一是指黑体辐射问题中实验结果与理论不符合,另一朵是指寻找光的参考系-以太的麦克尔孙莫雷实验的失败。

恰恰是这两朵乌云,发展成为二十世纪物理学最伟大的两个发现:量子力学和相对论的诞生。人类认识到自己探索自然的道路还很漫长。

我们首先介绍一下黑体。物理研究发现:一切物体都在吸收、反射和辐射电磁波。如果一个物体只吸收和辐射电磁波,不反射电磁波,这个物体就称为黑体。比如太阳就可以看作一个黑体,因为太阳的辐射特别强,辐射的电磁波强度远远大于反射的电磁波。

人们经过研究发现,黑体辐射的情况与物体的温度有关。

图中纵坐标是单位波长单位面积辐射功率,横坐标是波长。我们通过这个图可以发现两个结论:

第一:物体温度越高,辐射强度越大。根据斯特番-波尔兹曼定律,黑体单位面积辐射能量与温度的四次方成正比。人们根据这个规律及算了太阳表面温度。

第二,物体温度越高,辐射强度最大处的波长越短,满足维恩位移定律。比如炽热的铁块会发光,而且温度不同时,颜色也不同。

但是,这两个定律都是实验规律,如何从理论上解释呢?

卡文迪许实验室主任瑞利从经典电动力学出发,推导出一个黑体辐射公式,即瑞利-金斯公式。

不过,这个公式并不能符合实验结果。只有在波长比较大的时候,公式才与实验结果符合,在波长较小时,公式与实验结果偏差很大。

最可怕的是:当波长趋近于零时,瑞利公式的结果发散,辐射强度无穷大,这显然是很荒谬的。人们无法调和理论和实验结果,并把这个问题称为“紫外灾难”(这是因为紫外是比可见光波长更短的光,表示波长短时实验结果与理论值不符)。

为了解释这个问题,许多物理学家提出了自己的见解。最成功的是德国科学家普朗克。以下是普朗克学习物理过程中相貌变化图。

普朗克在1900年提出:为了解释黑体辐射现象,必须做出一定的假设,这些假设可能与人们熟悉的物理学规律不同。

振动的带电粒子能量是一份一份的,每一份的能量都与振动频率有关,称为一个能量子,或简称为量子。

按照这个假设,普朗克推导出了黑体辐射的普朗克公式。

这个公式与实验结果符合的非常好。十八年后,普朗克获得诺贝尔奖。

能量子的概念提出后,许多物理学家借用这个概念得出了丰硕的成果。例如爱因斯坦,1905年爱因斯坦借用普朗克的观点解释了光电效应实验。爱因斯坦说:光的能量也是一份份的,每一份称为一个光量子,或简称光子,光子的能量与频率的关系也满足普朗克公式。从此人们认识到光是具有波粒二象性的,爱因斯坦也因此获得诺贝尔奖。

再往后,德布罗意指出所有的物质都具有波粒二像性,波恩提出概率波的观点,薛定谔提出波函数满足的方程薛定谔方程,波尔利用量子观点解释了原子的能级结构,量子力学蓬勃发展起来。

现在人们认识到:量子力学是统治微观领域的物理规律,它与宏观世界满足的规律不同。

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