03.24 量子科学的发展,一段耐人寻味的往事(两团乌云与量子力学诞生)

1900年4月27日,阿尔伯马尔街皇家研究所举办了一场别开生面的的物理学报告会,会议中一个名叫开尔文的男爵(Lord Kelvin)用他具有特色的爱尔兰口音发表了他的演说。

量子科学的发展,一段耐人寻味的往事(两团乌云与量子力学诞生)

开尔文男爵

会上的他指出:“动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了。”这句话一针见血的指出了在当时物理学界难以解释的两大问题。就像是两团遮蔽在晴朗天空的乌云,显得那么格格不入。要知道,当时的物理学在人们看来已经足够完善,而牛顿所建立起的物理学大厦更被人们认为是坚不可摧的。那时的人们正沉浸在对物质规律完全掌握的自我满足中无法自拔。甚至有人断言,世间的至高真理已经被人掌握,物理学已经不会有更大的发展。然而1887年迈克尔逊和莫雷所做的光在介质中传播的实验(被称为第一团乌云),以及黑体辐射实验(被称为第二团乌云),似乎正预示着一场物理学界巨大的变革即将到来。

量子科学的发展,一段耐人寻味的往事(两团乌云与量子力学诞生)

两朵乌云

1887年迈克尔逊和莫雷认为任何物质的传播需要依靠一定的介质。

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迈克尔逊

就像是我们的声音之所以能够被人所听见,是因为我们的声带带动周围空气震动,使我们能够听见说话声一样。光之所以能够被人所看见也一定需要依靠一种介质。有人认为,这种在真空中的介质姑且可以称之为“以太”。认为“以太”这种介质看不见摸不着,但在我们的生活中真实存在。按照迈克尔逊和莫雷的猜想,如果这个世界真的存在“以太”这种物质,那么在假如你是一个质量为0并且骑在光上的人,当光从一个点运动到另一个点的时候,你必然会感受到迎面而来的“以太”风。就像一个人在骑摩托时的感受一样。迈克尔逊和莫雷就是想测量这种“以太”风所造成的影响。然而最终以失败告终。因为他们发现这种“以太”风所造成的影响接近零,那么刨去实验设备的偏差,就可以直截了当的认为,根本没有“以太”存在!那么光是怎么传播的?这简直不可思议!

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“以太”的测量

早在1859年,德国物理学家基尔霍夫在总结当时实验发现的基础上绘制了一条匪夷所思的曲线,这条曲线是依据一种叫做‘’黑体‘’的物质所绘制的。

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基尔霍夫

所谓的黑体,其实就是一个像土坛子一样坛子内壁可以反射光线的一种微小的“腔体”,这个腔体的口很小,这就意味着光线从小口中射入之后就开始不断地反射,但是怎么也逃不出去。

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黑体

这样的话光在进入这个腔中最终会转化为一种辐射能量,而这种辐射能量随不同频率的变化曲线正是基尔霍夫提出的黑体在辐射能量时所得到的曲线。

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黑体辐射能量和频率之间的关系

为了在理论上像函数图像一样得到这条曲线的公式,又出现了几位伟大的科学家分别是维恩,瑞利-金斯,马克斯-普朗克。而这其中最为著名的,就是马克思-普朗克,此人的出现标志了物理学划时代发展走向新的篇章。


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