這兩個簡單卻詭異的實驗,一個化為了相對論,一個成就了量子力學

在經典力學達到鼎盛的十九世紀,牛頓開宗立派,一手創立力學,從此萬物運動皆明;麥克斯韋集天地之才,一手電磁學方程組完美得像詩歌一樣,一統電磁兩界;外加熱力學與統計力學,可以說一切運動均有了理論的支持。但故事永遠不會那麼美好,有兩個很簡單卻詭異的實驗,使得這座大廈最終迎來了狂風暴雨。

這兩個簡單卻詭異的實驗,一個化為了相對論,一個成就了量子力學

這兩個簡單卻詭異的實驗,一個化為了相對論,一個成就了量子力學

邁克爾遜-莫雷實驗

這個實驗可以說是物理學史上最副盛名的實驗之一,它由邁克爾遜和莫雷兩位製作的邁克爾遜干涉儀進行光速差的測量,正是由於這個實驗得到的與經典物理學所相悖的現象,使得它最終促成了近代科學的一大支柱——相對論。

這個實驗的原理比較簡單,裝置也並不複雜,它要證明的正是傳說中的“以太”。那個時候認為光能在真空中傳播,必然是真空中存在某些無法探測到的物質,這種物質使得光得以像水波一樣傳播。誰也沒有見過這種物質,也無法證明它,但是它卻獲得了當時物理學界的認可,明朗如牛頓,也承認了以太的存在,因為當把它引入時,所有的一切都有了解釋,無論是光還是引力。

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而邁克爾遜-莫雷實驗則是為了驗證這種傳說中的物質。實驗背景:地球以每秒30公里的速度繞太陽運動,而以太屬於絕對靜止的,那麼必然會遇到每秒30公里的“以太風”迎面吹來,而光通過以太傳播,那麼必然會受到影響。在順著以太運動方向和垂直方向,兩者傳播的光速必然存在速度差!實驗儀器:邁克爾遜干涉儀。實驗過程:略(自行百度)。實驗結果:兩者並沒有速度差!由於這個實驗裝置簡單,人們後來在不同地點、不同時間多次重複試驗,得到的結果都是一樣的:光速都是相同的!

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要不是擁有驚人數學才能的洛倫茲創造出傳說中的洛倫茲變換,強行給以太續了命,以太怕是當時就要夭折了。不過洛倫茲這個已經偏向於純數學的變換,雖然牽強附會能用於以太,但是在10年後,愛因斯坦出世,認為洛倫茲變換既然已經得出了光速不變原理,那麼就沒必要附著於以太了,因為運用狹義相對論的一些基礎,就可以完全將以太拋棄!於是近代物理學的其中一座大廈——相對論建成。

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黑體輻射實驗

這個實驗一度讓物理學家們頭疼不已,因為根據電磁學與熱力學的黑體輻射實驗,總是無法得到一個能夠滿足實驗現象的公式。理想黑體並不存在,但是一個球體開一個小孔,可以近似地認為是一個理想黑體,而根據經典物理學,能量是均勻的、連續的。但是得到的實驗結果總是呈不連續性。(具體實驗過程可百度)

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此時各路大神開始著手這個“怪胎”問題,根據經典物理學,維恩提出維恩定律,這個在低頻階段符合得不得了,但是在高頻階段就不行了。而後瑞利-金斯定律現世,可惜雖然在高頻階段於實驗數據符合得很好,但是在低頻階段完全懵逼,甚至出現紫外災難

時代是需要英雄出現的,普朗克出來了,他想破了頭腦把上訴兩個定律整合在一起,功夫不負有心人,憑藉著出色的數學才能還真的讓他湊了一個公式出來,不僅在低頻階段與實驗完全符合,高頻也是一絲不差。但是有一個問題:這個方程背後的物理含義與經典物理學完全相悖!它居然暗指能量是不連續的,而是類似粒子一樣是一份一份的!普朗克把這一份能量稱為“量子”,從此量子力學現世!物理學又一座大廈拔地而起。

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