03.24 量子科學的發展,一段耐人尋味的往事(兩團烏雲與量子力學誕生)

1900年4月27日,阿爾伯馬爾街皇家研究所舉辦了一場別開生面的的物理學報告會,會議中一個名叫開爾文的男爵(Lord Kelvin)用他具有特色的愛爾蘭口音發表了他的演說。

量子科學的發展,一段耐人尋味的往事(兩團烏雲與量子力學誕生)

開爾文男爵

會上的他指出:“動力學理論斷言,熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽,顯得黯然失色了。”這句話一針見血的指出了在當時物理學界難以解釋的兩大問題。就像是兩團遮蔽在晴朗天空的烏雲,顯得那麼格格不入。要知道,當時的物理學在人們看來已經足夠完善,而牛頓所建立起的物理學大廈更被人們認為是堅不可摧的。那時的人們正沉浸在對物質規律完全掌握的自我滿足中無法自拔。甚至有人斷言,世間的至高真理已經被人掌握,物理學已經不會有更大的發展。然而1887年邁克爾遜和莫雷所做的光在介質中傳播的實驗(被稱為第一團烏雲),以及黑體輻射實驗(被稱為第二團烏雲),似乎正預示著一場物理學界巨大的變革即將到來。

量子科學的發展,一段耐人尋味的往事(兩團烏雲與量子力學誕生)

兩朵烏雲

1887年邁克爾遜和莫雷認為任何物質的傳播需要依靠一定的介質。

量子科學的發展,一段耐人尋味的往事(兩團烏雲與量子力學誕生)

邁克爾遜

就像是我們的聲音之所以能夠被人所聽見,是因為我們的聲帶帶動周圍空氣震動,使我們能夠聽見說話聲一樣。光之所以能夠被人所看見也一定需要依靠一種介質。有人認為,這種在真空中的介質姑且可以稱之為“以太”。認為“以太”這種介質看不見摸不著,但在我們的生活中真實存在。按照邁克爾遜和莫雷的猜想,如果這個世界真的存在“以太”這種物質,那麼在假如你是一個質量為0並且騎在光上的人,當光從一個點運動到另一個點的時候,你必然會感受到迎面而來的“以太”風。就像一個人在騎摩托時的感受一樣。邁克爾遜和莫雷就是想測量這種“以太”風所造成的影響。然而最終以失敗告終。因為他們發現這種“以太”風所造成的影響接近零,那麼刨去實驗設備的偏差,就可以直截了當的認為,根本沒有“以太”存在!那麼光是怎麼傳播的?這簡直不可思議!

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“以太”的測量

早在1859年,德國物理學家基爾霍夫在總結當時實驗發現的基礎上繪製了一條匪夷所思的曲線,這條曲線是依據一種叫做‘’黑體‘’的物質所繪製的。

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基爾霍夫

所謂的黑體,其實就是一個像土罈子一樣罈子內壁可以反射光線的一種微小的“腔體”,這個腔體的口很小,這就意味著光線從小口中射入之後就開始不斷地反射,但是怎麼也逃不出去。

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黑體

這樣的話光在進入這個腔中最終會轉化為一種輻射能量,而這種輻射能量隨不同頻率的變化曲線正是基爾霍夫提出的黑體在輻射能量時所得到的曲線。

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黑體輻射能量和頻率之間的關係

為了在理論上像函數圖像一樣得到這條曲線的公式,又出現了幾位偉大的科學家分別是維恩,瑞利-金斯,馬克斯-普朗克。而這其中最為著名的,就是馬克思-普朗克,此人的出現標誌了物理學劃時代發展走向新的篇章。


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