在19世紀(jì)末的時候,很多科學(xué)家都在研究黑體輻射問題,簡單來說,就是研究物體的溫度和輻射能量之間有怎樣的關(guān)系。經(jīng)過科學(xué)家們前赴后繼的努力,終于得到兩套公式,但問題是其中一套公式啊只對電磁波的短波有效,另一套公式呢這對長波有效。
所以這中間肯定是有問題的
在1900年的時候,普朗克已經(jīng)研究黑體輻射好幾年了,但是沒有搞出什么頭緒來。有一天就想換一個思路,先不管各種各樣的假設(shè)推導(dǎo),不管怎么樣,先用數(shù)學(xué)方法把這兩條公式拼起來再說。
結(jié)果幾天之后,普朗克還真把這兩套公式湊成了一個,也就是著名的普朗克黑體公式。
在普朗克黑體公式公布之后,大家發(fā)現(xiàn)這個公式非常管用,但問題是大家是知其然,不知其所以然,只知道這個公式好用,但是不知道它為什么好用,也并不知道這個公式隱藏著怎樣的物理意義。
又經(jīng)過了一段時間的研究,普朗克終于發(fā)現(xiàn),如果要讓這個公式成立,必須要做一個假設(shè),那就是能量在發(fā)射或者吸收的時候不是連續(xù)不斷的,而是必須分成一小份一小份的。
也就是說能量不是可以無限分割的,而是有一個最小單位,這個基本單位后來就被命名為量子。
就是這個量子的假定,最終推翻了整個經(jīng)典物理學(xué)的大廈,也徹徹底底地改變了人類對于世界的認識。
為什么這么說?
在經(jīng)典物理學(xué)看來,一切自然過程都是連續(xù)不斷的。如果氣溫從20度上升到30度,那么中間肯定是經(jīng)過了25度。如果一個化學(xué)反應(yīng)釋放出了50焦耳的能量,那么中間肯定有一個時刻,他剛好釋放出了比如30.134焦耳的能量。
但是量子的假設(shè)就不是這樣。量子論相當(dāng)于再說能量的發(fā)射和吸收,就像是我們花錢一樣,你一次最少也要花一分錢,因為沒有比一分錢更小的面值了。你不能說我買個東西花0.3分錢,不可能。
能量也是一樣,它有一個最小單位是不連續(xù)的。那么關(guān)于連續(xù)性和平滑性的假設(shè)呢是微積分的基礎(chǔ),而無論是牛頓的力學(xué),還是麥克斯韋的電磁學(xué),都是建立在微積分的基礎(chǔ)上。而量子論一誕生,直接動搖了連續(xù)性的假設(shè),相當(dāng)于經(jīng)典物理學(xué)的大廈一下被移走了地基。
那么量子論到底對不對?
是對的
舉個例子,大名鼎鼎的光電效應(yīng)??茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),如果用光來照射金屬,那么就有可能從金屬表面打擊出電子來。但很奇怪的是,光能不能打出電子跟光的強度無關(guān),只跟光的頻率有關(guān)。
比如說頻率高的紫外線就可以打擊出電子,而頻率低的紅光黃光就一個墊子也打不出來。而且無論這個紅光和黃光有多強都不行。
這個當(dāng)時科學(xué)家都不能解釋的現(xiàn)象就是光電效應(yīng),后來愛因斯坦用量子理論成功解釋了光電效應(yīng)。
頻率更高的光線,比如說紫外線,它的單個量子所蘊含的能量比較高,而頻率低的光線,單個量子蘊含的能量低,對于低頻率的光來說,量子能量不足,根本就激發(fā)不出電子,無論這個光有多強都不行。也就是說光也是以量子的形式來吸收能量的,沒有連續(xù)性也不能積累。
如果說要評選20世紀(jì)人類社會最重要的事件,那么既不是兩次世界大戰(zhàn),也不是人類登上太空,而是量子力學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展。
因為量子力學(xué)的誕生引發(fā)了一系列的技術(shù)革命,包括核能、計算機、材料學(xué)、信息技術(shù)等等領(lǐng)域,可以說完全深入到我們生活的每一個角落。那么從實用性上來說,量子力學(xué)可以說是最成功的理論。
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