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伟大的突破——量子论的产生
[2015-12-11 15:17:46]

    作者:赵广立 整理  来源:《中国科学报》(2015-12-11 第6版 历史)

普朗克和爱因斯坦
    量子力学的建立是一个相对其他学科来说并不算漫长的过程,从1900年开始至今也不过一百多年。但这一百多年却涌现出了大批优秀的物理学家和许多著名的理论,这些人和他们所作的研究影响、改变了我们的世界。
    导致量子论出现的是一个古典热力学难题,即黑体辐射问题。
    1900年下半年,普朗克在反复考虑黑体辐射导致的困难时偶然发现,如果认为原子在发射和吸收辐射时不是连续的,而是一份一份的,那么,每份电磁辐射的能量和频率之间存在正比关系(即E=hv)。
    电磁辐射怎么可能是一份一份的呢?电磁理论和波动光学都表明,辐射应该是连续的,怎么可能不连续呢?普朗克百思不得其解。
    普朗克假定,原子辐射或吸收能量时,能量是不连续的,是一份一份的。这个假定虽然看来荒谬,但能得出与实验数据很好符合的理论曲线。于是普朗克“暂时”接受了这一假定,以留作以后进一步研讨。
    1900年世纪之交,普朗克首先在校内报告了他的这一发现。他假定黑体以hv为单位不连续地发射和接收辐射,计算出了黑体辐射能量分布公式,成功地从理论上解释了黑体辐射现象。在报告中,普朗克将最小的不可再分的能量单元称作“能量子”或“量子”,这被认为普朗克提出量子假说的发端。
    当年12月14日,他将这一假说报告了德国物理学会,宣告了量子论的诞生。普朗克因提出了“量子”这一概念,并通过学说报告的方法向世人展示了量子论,因此有观点称普朗克是量子力学的创始人。
    科学史上,大部分学科都不是一人之力完成的,量子力学发展到今天离不开众多科学家的努力,其中包括普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、泡利、德布罗意、玻恩、费米、狄拉克、爱因斯坦、康普顿等大家耳熟能详的科学家。
    1905年,《德国物理年鉴》收到一篇投稿,作者是当时还名不见经传的爱因斯坦。这篇文章解释了刚发现不久的光电效应。爱因斯坦在文章中指出,辐射不仅在原子发射和吸收它的时候是一份一份的,在脱离原子进入真空运动时也是一份一份的。爱因斯坦引进光量子的概念,推导出光子的能量、动量与辐射的频率和波长之间的方程式,解释了光电效应。
    爱因斯坦把普朗克的“量子说”发展成为“光量子说”。然而普朗克在相当长的时间内对爱因斯坦的光量子理论持怀疑和反对态度。不过,普朗克没有因为自己的不同意见而阻止爱因斯坦这一理论的发表,后来还连续支持了爱因斯坦其他论文的发表,使爱因斯坦一下成为世界著名物理学家。
    1913年,一直跟爱因斯坦论战的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了以他命名的“玻尔模型”。玻尔认为电子只能在一定能量的轨道上运转。外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子;较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。如果外层轨道的电子落入内层轨道,将释放出一个带固定能量的光子。
    1924年,德国犹太裔理论物理学家马克斯·玻恩在一篇论文中使用“量子力学”这个词汇,这标志着以普朗克、爱因斯坦和玻尔对量子力学所作的研究告一段落,同时开启了量子力学研究百花齐放的新篇章。
    在那几年,几乎每一天都有关于量子力学领域的新发现——薛定谔推出了一个相对论的波动方程,而他关于“一只放在装有毒气盒子里的猫是死是活”的经典问题“薛定谔的猫”也成为量子力学一个著名的假设;海森堡创立了解决量子波动理论的矩阵方法;狄拉克改进了矩阵力学的数学形式,使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。
    这些发现鼓舞着科学家们继续前行的同时,也逐渐完善了量子力学的理论系统。量子力学使得我们对世界的认知越来越清晰,这不仅仅是一个玄妙的理论,它对于我们的日常生活和生产也有着巨大的推动,从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都依靠了量子力学的原理和效应。例如,对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明就是借助量子力学的支撑;在核武器的发明过程中,量子力学的概念至关重要;迄今为止,仅万有引力无法使用量子力学来描述。

   (赵广立 整理,本文部分内容摘编自赵峥著《爱因斯坦与相对论》,上海教育出版社出版)

 

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