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物理学史上第二朵乌云,量子论的大爆发!从根本上了解量子力学

在19世纪末的时候,很多科学家都在研究黑体辐射问题,简单来说,就是研究物体的温度和辐射能量之间有怎样的关系。经过科学家们前赴后继的努力,终于得到两套公式,但问题是其中一套公式啊只对电磁波的短波有效,另一套公式呢这对长波有效。

所以这中间肯定是有问题的

在1900年的时候,普朗克已经研究黑体辐射好几年了,但是没有搞出什么头绪来。有一天就想换一个思路,先不管各种各样的假设推导,不管怎么样,先用数学方法把这两条公式拼起来再说。

结果几天之后,普朗克还真把这两套公式凑成了一个,也就是著名的普朗克黑体公式。

在普朗克黑体公式公布之后,大家发现这个公式非常管用,但问题是大家是知其然,不知其所以然,只知道这个公式好用,但是不知道它为什么好用,也并不知道这个公式隐藏着怎样的物理意义。

又经过了一段时间的研究,普朗克终于发现,如果要让这个公式成立,必须要做一个假设,那就是能量在发射或者吸收的时候不是连续不断的,而是必须分成一小份一小份的。

也就是说能量不是可以无限分割的,而是有一个最小单位,这个基本单位后来就被命名为量子。

就是这个量子的假定,最终推翻了整个经典物理学的大厦,也彻彻底底地改变了人类对于世界的认识。

为什么这么说?

在经典物理学看来,一切自然过程都是连续不断的。如果气温从20度上升到30度,那么中间肯定是经过了25度。如果一个化学反应释放出了50焦耳的能量,那么中间肯定有一个时刻,他刚好释放出了比如30.134焦耳的能量。

但是量子的假设就不是这样。量子论相当于再说能量的发射和吸收,就像是我们花钱一样,你一次最少也要花一分钱,因为没有比一分钱更小的面值了。你不能说我买个东西花0.3分钱,不可能。

能量也是一样,它有一个最小单位是不连续的。那么关于连续性和平滑性的假设呢是微积分的基础,而无论是牛顿的力学,还是麦克斯韦的电磁学,都是建立在微积分的基础上。而量子论一诞生,直接动摇了连续性的假设,相当于经典物理学的大厦一下被移走了地基。

那么量子论到底对不对?

是对的

举个例子,大名鼎鼎的光电效应。科学家发现,如果用光来照射金属,那么就有可能从金属表面打击出电子来。但很奇怪的是,光能不能打出电子跟光的强度无关,只跟光的频率有关。

比如说频率高的紫外线就可以打击出电子,而频率低的红光黄光就一个垫子也打不出来。而且无论这个红光和黄光有多强都不行。

这个当时科学家都不能解释的现象就是光电效应,后来爱因斯坦用量子理论成功解释了光电效应。

频率更高的光线,比如说紫外线,它的单个量子所蕴含的能量比较高,而频率低的光线,单个量子蕴含的能量低,对于低频率的光来说,量子能量不足,根本就激发不出电子,无论这个光有多强都不行。也就是说光也是以量子的形式来吸收能量的,没有连续性也不能积累。

如果说要评选20世纪人类社会最重要的事件,那么既不是两次世界大战,也不是人类登上太空,而是量子力学的出现和发展。

因为量子力学的诞生引发了一系列的技术革命,包括核能、计算机、材料学、信息技术等等领域,可以说完全深入到我们生活的每一个角落。那么从实用性上来说,量子力学可以说是最成功的理论。

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