一百多年了,量子力学依旧神秘!
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在1958年出版的《物理学与哲学 : 现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了他与尼尔斯·玻尔进行的那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”
自马克斯·普朗克在1900年12月14日创立量子理论以来,物理学家一直对量子力学中的种种发现感到困惑。因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于半个多世纪后的1964年,理查德·费曼说出了关于那句著名的:“没有人真正理解量子力学。”
触发量子革命的线索并非来自于对物质的研究,而是来自于辐射的一个问题。回到19世纪末,当时物理学家无法解释从热物体辐射出光的模式。我们都知道,热物质会光,越热就越亮。光的光谱很宽,随着温度的升高,其峰值会从红色变成黄色,最后变成蓝色。物理学家试图通过结合热力学和电磁理论的概念来理解光谱的形状,但所有的尝试都失败了。然而,只要假设能量是量子化的,就会得到一个与实验完美符合的表达式。
普朗克定律正确的描述了黑体辐射。
普朗克推导的结果表明,能量不可以取任何值,而只能是一个常数(即后来的普朗克常数)的倍数。然而,能量具有离散的值在当时是难以被接受的。甚至连普朗克自己对他的发现也表示不解。他用了多年时间,试图将的这个常数应用到经典物理学中,但都没能成功。尽管这个想法在当时很荒谬,但事实证明,来自其他研究的数据完美地与量子理论相符合。
爱因斯坦是最早领略到量子力学的奥妙的人之一。1905年,他写了一篇论文,将普朗克的理论应用到光电效应中。光电效应是海因里希·赫兹在1887年描述的一种光从金属中剥离电子的现象,经典电磁学并不能解释为什么这种现象只发生在特定的频率。爱因斯坦则选择利用普朗克的“量子”视角来看待光,即光并不像一个连续的波,而是像一束粒子流,这些光的粒子——光子——有着离散的能量。
有意思的是,普朗克驳斥了爱因斯坦的假设。罗伯特·密立根也是如此,并且他开始试图全力通过实验来驳斥爱因斯坦的理论……但实验结果却意外地为这一理论提供了验证。之后的故事相信很多人也都听过了,当其他研究人员的工作将量子物理学带入了一个更加“奇幻”的领域时,连爱因斯坦自己也开始对量子理论表示怀疑。
玻尔是首个用量子力学来描述原子的人。原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。电荷相反的粒子会相互吸引。所以,根据电磁理论,电子会很快就陷入原子核中。然而,我们看到原子是稳定的。
为了解释原子稳定性的问题,1913年,玻尔基于欧内斯特·卢瑟福在更早些时候的模型,提出了一个与之前完全不同的原子模型。在玻尔所提出的原子模型中,当电子在离散的圆形轨道之间跃迁时,原子会发射或吸收能量。1915年,阿诺尔德·索末菲用椭圆轨道取代了圆形轨道,使得玻尔模型得到了进一步推广(扩展阅读:《物理学史上最伟大的教师之一》)。
玻尔模型。