这样系统的物理学史,你肯定没有读过!

十九世纪末,经典物理学三大分支,牛顿运动力学(含光是微粒说),热力学,电磁学(含光是波动说)的基本框架都建立完毕,虽存在一些问题,但普遍认为剩下的只是修修补补的问题了。存在的问题有两个问题,一是迈克尔逊--莫雷验证以太不存在的实验(主要属于电磁学和波动学),二是黑体辐射问题(属于热力学)。

先谈黑体辐射,黑体就是只吸收辐射,不辐射的假想物体。当时有两个公式,一个在辐射低的范围内,较符合实验,一个在辐射高的范围内,较符合实验,而这两公式无法融合在一起。这是普朗克出场了,普朗克设想辐射的能量假如是一份一份的,不是连续的,这样的话,这两个公式就融合在一起了。

为什么是普朗克呢,因为普朗克早先是热力学物理家。然后研究原子时,就出现了卢瑟福模型,就是类似太阳系的模型,但是不久,就发现有漏洞,波尔根据卢瑟福原子模型和普朗克量子理论提出了电子轨道跃迁,解释了氢原子模型。波尔的电子跃迁理论就是原子中的低能轨道电子从外界获得一份能量,就瞬时(几乎不需要时间)跳跃高能轨道上,反之放出一份能量,就越回低能轨道。

注意这里已经和光速不变原理产生了矛盾。后来不确定原理出现了,这个矛盾更明显了。不确定原理最初版本是指粒子的动量和位置不能精确测量,原因是测量工具不精确造成的,后来随着不确定原理应用范围的扩大,解释也发生了改变。由原先测量系统只包括测量工具和和测量对象,概率出场,用于解释不确定性。

后来发展成测量系统包括观察者,测量工具和测量对象。并经过薛定谔的波动方程,确立了波函数。最终通过薛定谔猫假想,变了粒子你不观测就不存在,或者是同时存在于不同位置,你一观测,波函数坍塌,粒子只存在于某一确定位置的解释。

这期间形成爱因斯坦波尔那场关于因果决定轮和非决定轮的争论。注意这场争论的焦点或主战场不在物理层面,而是在哲学层面。以至于爱因斯坦提出了后面的关于量子纠缠的假想实验。期间还发现了量子的势垒现象,即量子穿过某些势垒不需要时间或超光速。

也就是说量子力学和光速不变原理从一开始各自建立时,就存在着根本矛盾,以至于二者无法融合。回过头来,在谈一下以太,以太是以牛顿的绝对时空观背景,为了解释光的波动学说提出的,那时候认为波传递需要介质,光是波,所以也需要介质,这个介质呢就是以太。以太具有没有阻力静止充满空间的特质,而且作用只是为了光的传递,对万有引力没有影响。结果迈克尔逊--莫雷的实验,验证了以太没有存在。其实笔者个人认为当时这个实验的影响并不是很大的,但随着狭义相对论的出现,才著名了起来。

当时的经典物理界中,麦克斯韦的电磁方程中,光的速度是确定的,取决于真空的介电常数和磁导率的比值,是定值。在电磁方程中,没有涉及到参照系。而牛顿力学研究各种运动时,需要参照系,尤其是速度。这两者有矛盾,同时有都各自逻辑严密,理论出色。这是个二选一的模式。洛伦兹选择了维护牛顿力学,提出了运动方向物体收缩和公式,保留以太。而爱因斯坦选择了麦克斯韦方程提出了光速不变原理,踢出以太,进而建立了狭义相对论。

值得一提的是爱因斯坦的狭义相对论一开始并不是发表在当时著名的物理杂志上的。而是发表于类似于现在发论文评职称那种杂志上的。这也造成了相对论一发表就争议不断,直至现在。假如当时投稿著名杂志,很可能就夭折了。有意味的是爱因斯坦用马赫的哲学来为自己的狭义相对论辩护,因为马赫的哲学强烈批判了牛顿的绝对时空观。但是马赫本人却不认可相对论。争论中,爱因斯坦处于劣势,最后普朗克这位热力学大牛和量子论的鼻祖又出场了,他支持狭义相对论,最终狭义相对论的地位才被确立了。

普朗克这人也很有意思,他本人提出了量子,随后又自我反悔,认为量子不好,打算收回,然后又支持爱因斯坦。而爱因斯坦发表的五篇论文中,除了相对论,还有关于布朗运动的研究和光电效应的解释,一涉及热力学一涉及量子。至于其中原因,读者自己体会吧。总之狭义相对论产生了影响。随后关于量子理论,爱因斯坦总得来说是主要支持波动说的,比如物质波。但微粒说也无可抹杀,因为量子当时是倾向于微粒说的,量子是能量包。

最后由爱因斯坦定论于波粒二象性。从笔者以上梳理的脉络看,物理研究并不是纯真无邪的,你有好理论,但未必被马上认可。这是你首先要做到的是,你得先有一个好的师承,没有好师承也行,但得有大牛在背后支持你,不然好的情况是理论晚被认可,不好的情况就淹没了。也就是人脉关系,具体可参考物质波和电子自旋,这都是爱因斯坦先认可,然后迅速的被认可。

其次我们看诺奖,量子理论发展的初期,物奖出现了好多研究量子论者,而相对论方面很少,势利范围所致。还有一个有趣的问题:以太被否定了,但是狄拉克又提出了量子虚空,真空中会随时凭空出现正负粒子对,然后又湮灭掉,即真空不空。这何尝不是另一种形式的以太。狄拉克借鉴了狭义相对论建立了狄拉克方程,从中推出了正电子。解释时涉及了量子虚空,真空存在零点能,从零点能的能量海中踢出去一个电子能量包,剩下的那个坑就是正电子。所以说,关于以太存不存在的结论,我们还是要慎重下结论的。至于光速不变原理也要慎重对待,不要轻易下结论的。


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