量子理论的历史发展(第一卷、第一分册)P196
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量子力学理论的历史与发展量子力学是20世纪物理学中最重要的一门学科,曾被喻为“现代物理学的基石”。
它的发展经历了一个漫长而又曲折的历史过程。
本文将从量子力学的起源、基本原理、实验验证、建立标准模型等方面来进行详细的讲述,以探究其历史和发展。
一、量子力学的起源与基本原理量子力学的起源始于1900年左右,当时德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时,提出了一个假设:辐射在吸收和发射时的能量不是连续的,而是由一个一个被称为“量子”的能量单位构成的。
随着后来的研究,这个假设得到了证明,被称为“普朗克能量子”。
1905年爱因斯坦发表了光电效应理论,提出光子假说,即光是由一些分散的、能量离散的粒子组成的。
这一理论的确立,在量子力学发展中也起到了至关重要的作用。
随着科学家们在研究中发现更多的证据,量子力学逐渐奠定了与经典物理截然不同的基础。
基于量子力学,许多热门领域得以诠释和解释。
其最基本的原理是能量和物质的离散化,即能量存在于基本单元中,同时它也支持了一系列前所未有的量子效应,如量子隧道效应、量子纠缠、量子力学的不确定性原理等。
二、量子力学的实验验证理论的建立离不开实验的验证。
20世纪初,随着量子力学的发展,越来越多的实验被提出来,用来验证和探究这个新兴的物理学体系。
以双缝实验为例,它是探究光子与物质之间相互作用的重要手段之一。
在双缝实验中,以光子为例,它通过两个狭缝进行干涉,最终形成了干涉条纹,这种形象的结果直接说明了粒子波粒二象性的存在。
除此之外,狄拉克提出的“反粒子”假说也成功得到验证,情况是那么普遍,以至于最基本和常见的物理机制都可以在实验验证中得到印证。
三、标准模型的建立随着量子力学的逐步发展和实验验证,标准模型逐渐建立起来。
标准模型是一个涉及量子力学、相对论和各种粒子的理论框架,旨在对基本相互作用和基本粒子的特性进行描述。
它由强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用三部分组成。
标准模型虽是一个与实验结果吻合度非常好的理论框架,但仍存在一些问题和挑战。
量子力学的历史和发展
量子力学是描述微观世界的物理学理论,它的历史和发展经历了以下几个关键时期:
1.早期量子理论:在20世纪初,物理学家们对于原子和辐射现象的研究中遇
到了一些难题,如黑体辐射、光电效应和原子谱线等。
为解决这些问题,普朗克、爱因斯坦、玻尔等科学家提出了一些基本的量子概念,如能量量子化和波粒二象性。
2.矩阵力学与波动力学的建立:1925年至1926年间,海森堡、薛定谔和狄拉
克等科学家分别独立提出了矩阵力学和波动力学两种描述量子系统的数学形式。
矩阵力学强调通过矩阵运算来计算系统的特征值和特征向量,而波动力学则将波函数引入描述量子系统的状态。
3.不确定性原理的提出:1927年,海森堡提出了著名的不确定性原理,指出在
测量一个粒子的位置和动量时,无法同时确定它们的精确值。
这一原理揭示了微观世界的本质上的不确定性和测量的局限性。
4.量子力学的统一表述:1928年至1932年间,狄拉克等科学家通过引入量子
力学的波函数和算符形式,将矩阵力学和波动力学进行了统一。
这一统一表述被称为量子力学的第二次量子化。
5.发展和应用:随着量子力学理论的发展,科学家们逐渐解决了许多问题,并
在其基础上推导出了很多重要的结论和定理,如量子力学中的态叠加、纠缠、量子力学力学量的算符表示和观测值计算等。
量子力学的应用领域也逐渐扩展,包括原子物理、分子物理、凝聚态物理、量子信息科学等。
值得注意的是,尽管量子力学已经取得了巨大的成功,并在科学和技术领域产生了广泛的影响,但它仍然是一个活跃的研究领域,仍然存在一些未解决的问题和挑战,如量子引力和量子计算等。
因此,对于量子力学的研究和发展仍然具有重要的意义。
量子力学的历史和发展量子论和相对论是现代物理学的两大基础理论。
它们是在二十世纪头30年发生的物理学革命的过程中产生和形成的,并且也是这场革命的主要标志和直接的成果,量子论的诞生成了物理学革命的第一声号角。
经过许多物理学家不分民族和国籍的国际合作,在1927年它形成了一个严密的理论体系。
它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果,而且在人类思想史上也占有极其重要的地位。
如果说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念,那么量子论则很大程度改变了人们的实践,使人类对自然界的认识又一次深化。
它对人与自然之间的关系的重要修正,影响到人类对掌握自己命运的能力的看法。
量子论的创立经历了从旧量子论到量子力学的近30年的历程。
量子力学产生以前的量子论通常称旧量子论。
它的主要内容是相继出现的普朗克量子假说、爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子理论。
热辐射研究和普朗克能量子假说十九世纪中叶,冶金工业的向前发展所要求的高温测量技术推动了热辐射的研究。
已经成为欧洲工业强国的德国有许多物理学家致力于这一课题的研究。
德国成为热辐射研究的发源地。
所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波。
所有的热物体都会发出热辐射。
凝聚态物质(固体和液体)发生的连续辐射很强地依赖它的温度。
一个物体被加热从暗到发光,从发红光到黄光、蓝光直至白光。
1859年,柏林大学教授基尔霍夫(1824—1887年)根据实验的启发,提出用黑体作为理想模型来研究热辐射。
所谓黑体是指一种能够完全吸收投射在它上面的辐射而全无反射和透射的,看上去全黑的理想物体。
1895年,维恩(1864—1928年)从理论分析得出,一个带有小孔的空腔的热辐射性能可以看作一个黑体。
实验表明这样的黑体所发射的辐射的能量密度只与它的温度和频率有关,而与它的形状及其组成的物质无关。
黑体在任何给定的温度发射出特征频率的光谱。
这光谱包括一切频率,但和频率相联系的强度却不同。
§6 量子理论的发展背景玻尔理论成功地解释了原子的稳定性及氢原子光谱的规律性。
为人们认识微观世界和建立近代量子理论打下了基础。
但玻尔理论是经典与量子的混合物,存在着许多不协调。
如它既保留了经典的确定性轨道,又假定量子化条件来限制电子的运动。
它不能解释稍微复杂的问题,正是这些困难,迎来了物理学的大革命。
1.量子力学:研究微观粒子运动的基本理论,它和相对论构成近代物理学的两大支柱。
2.线索:德布罗意→薛定谔→薛定谔波动方程海森堡→波恩,提出矩阵力学→→→→量子力学3.代表人物:玻尔、泡利、索末菲、海森堡、G·P·汤姆逊、戴维森、等一德布罗意波的提出1.德布罗意(Louis Victorde Broglie,1892~1989)法国物理学家。
1892年8月15日生于下塞纳的迪耶普。
出身贵族。
1910年获巴黎大学文学学士学位,1913年获理学硕士学位。
第一次世界大战期间,在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役。
战后一方面参与他哥哥的物理实验工作,一方面拜朗之万为师,研究与量子有关的理论物理问题,攻读博士学位。
1923年9~10月间,连续在《法国科学院通报》上发表三篇短文:《辐射─波和量子》、《光学─光量子、衍射和干涉》、《物理学─量子、气体动理论及费马原理》,在1924年通过的博士论文《量子论研究》中提出了德布罗意波(相波)理论。
1927年由美国贝尔实验室的戴维孙(C.J.Davisson)、革未(L.H.Germer)及英国的汤姆孙(G.P.Thomson)通过电子衍射实验证实,1929年获诺贝尔物理学奖,成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖金的学者。
1932年任巴黎大学物理教授,1933年被选为法国科学院院士。
1942年任该院常任秘书,1962年退休,1987年3月去世,享年95岁。
主要著作有:《波动力学导论》,《物质和光:新物理学》,《物理学中的革命》,《海森伯不确定关系和波动力学的概率诠释》等。
量子学说发展历程量子学说是20世纪物理学的重要发展之一,它从经典物理学的基础出发,通过对微观世界的观察和实验现象的解释,逐渐形成了一套独特的理论体系。
以下是量子学说的发展历程。
1. 热辐射问题:19世纪末,物理学家们在研究热辐射时发现了一个难题,即黑体辐射频谱的问题。
经典物理学无法解释黑体辐射的能量分布曲线,这一问题成为量子学说发展的起点。
2. 普朗克量子假设:1900年,德国物理学家普朗克提出了一个大胆的假设,即辐射能量具有量子化的性质。
他认为辐射能量以离散的方式传播,而不是连续的。
这样,普朗克解决了黑体辐射问题,并开启了量子理论的研究。
3. 波粒二象性:根据普朗克的量子假设,爱因斯坦在1905年提出了光的粒子性质,并解释了光电效应。
他认为光是由粒子(光子)组成的,这种观点与经典物理学中的光的波动理论形成了对比。
4. 玻尔原子模型:1913年,丹麦物理学家玻尔提出了玻尔原子模型,成功解释了氢原子光谱的奇异特性。
玻尔认为原子的电子绕核运动具有离散的能级,只有当电子跃向一个能级到另一个能级时,才能发射或吸收特定的光子能量。
5. 德布罗意波:1924年,法国物理学家德布罗意提出了物质波(德布罗意波)的概念,他认为物质具有粒子与波动的性质。
德布罗意的理论被后来的实验证实,为量子力学的发展做出了重要贡献。
6. 海森堡量子力学:1925-1926年,德国物理学家海森堡和英国物理学家狄拉克等人独立发展了矩阵力学,提出了运动量和位置的不确定性原理。
海森堡量子力学通过矩阵运算和波函数描述了微观粒子的性质,成为现代量子力学的基础。
7. 薛定谔方程:1926年,奥地利物理学家薛定谔提出了薛定谔方程,也称为波动力学。
薛定谔方程通过波函数描述了微观粒子的运动规律,成功地解释了氢原子以外的原子和分子的性质。
8. 量子力学的发展:20世纪中叶以后,量子力学得到了广泛的应用和发展。
在量子力学的框架下,德国物理学家狄拉克提出了量子电动力学,并成功地解释了电子的自旋性质。
量子理论发展史20世纪初,Planck提出了能在全波段与观测结果符合的黑体辐射能量密度随频率分布的公式,即Planck公式。
要从理论上导出Planck公式,需假定物体吸收或发射电磁辐射,只能以“量子”(quantum)的方式进行,每个“量子”的ε.由于能量不连续的概念在经典力学中是完全不容许的,所以尽管这能量为hv=个假设能堆到出与实际观测极为符合的Planck公式,在相当长的时间内量子假设并未受到重视。
Einstein在用量子假设说明光电效应问题时提出了光量子概念,他认为辐射场就是由光量子组成,采用光量子概念后光电效应中的疑难迎刃而解。
Einstein 和P.J.W.Debye进一步把能量不连续的概念应用于固体中原子的振动,成功解释了温度趋于零时固体比热容趋于零的现象。
至此,物理学家们才开始重视能量不连续的概念,并用它来解决经典物理学中的其它疑难问题。
比较突出的是原子结构与原子光谱的问题。
1896年,汤姆生提出原子结构的葡萄干面包模型,即正电荷均匀分布于原子中,电子以某种规则排列镶嵌其中。
1911年,卢瑟福根据α粒子的散射实验提出了原子的有核模型:原子的正电荷及几乎全部质量集中于原子中心很小的区域,形成原子核,电子围绕原子核旋转。
有核模型可以很好解释α粒子的大角度散射实验,但引来了两大问题:(1)原子的大小问题。
在经典物理框架中思考卢瑟福的有核模型,找不到一个合理的特征长度。
(2)原子的稳定性问题。
电子围绕原子核的加速旋转运动。
按照经典电动力学,电子将不断辐射能量而减速,轨道半径不断缩小,最后掉到原子核上,原子随之塌缩。
但现实世界表明,原子稳定地存在于自然界。
矛盾就这样尖锐地摆在面前,亟待解决。
此时,丹麦年轻的物理学家玻尔来到卢瑟福的的实验室,他深深为此矛盾吸引,在分析了这些矛盾后,玻尔深刻认识到原子世界必须背离经典电动力学。
玻尔把作用量子h(quantum of action)引进卢瑟福模型,提出原子的量子论:一是原子的具有离散能量的定态概念,一是两个定态之间的量子跃迁概念和频率条件。
量子力学的基本原理及发展历程量子力学是描述微观领域的物理学理论,它在20世纪初由多位科学家独立发展而成。
本文将深入探讨量子力学的基本原理以及其演化过程。
一、波粒二象性:最早的量子理论量子力学最重要的基础概念之一是波粒二象性。
早在19世纪末,物理学家们已经通过实验观察到了光的波动性和粒子性。
然而,直到1900年Max Planck提出了能量量子化的假设,才为这一现象提供了解释。
他假设辐射能量以离散的粒子形式存在,这些粒子被称为光子。
在此基础上,爱因斯坦于1905年提出了光电效应理论,该理论表明光子具有粒子性,能量与频率成正比。
这一发现为量子力学的发展奠定了基础,同时也引发了新的物理学革命。
二、德布罗意假设:物质的波动性1924年,法国物理学家德布罗意在他的博士论文中提出了著名的德布罗意假设。
他认为,如果光既然表现出了粒子性和波动性,那么所有物质也应该具有类似的性质。
根据德布罗意的假设,物质粒子(如电子、中子等)都具有波动性,并且其波长与动量成反比。
这一假设为描述微观粒子行为提供了新的工具和视角,成为了量子力学的又一基石。
三、海森堡的矩阵力学:量子力学的第一个数学形式1925年,德国物理学家海森堡提出了矩阵力学,这是量子力学的第一个数学形式。
矩阵力学通过运用矩阵与算符的运算进行描述,成功地解释了氢原子光谱中的谱线。
海森堡的矩阵力学不仅奠定了量子力学的基础,也为量子力学与矩阵论的结合奠定了基础。
此外,海森堡的理论还引起了许多其他科学家的兴趣,推动了量子力学的快速发展。
四、薛定谔的波动力学:量子力学的另一数学形式同年,奥地利物理学家薛定谔也提出了波动力学,这是另一个描述量子力学的数学形式。
波动力学采用了薛定谔方程,可以用波函数描述微观粒子的行为和性质,这种描述方式是以波的运动模式来预测粒子的位置和能量。
薛定谔的波动力学对于光谱学、物质波动性等领域提供了重要的解释,并成功地描述了氮分子的光谱结构。
同时,薛定谔方程的出现也使得量子力学与数学工具更加紧密地结合在一起。
量子论的初期发展1、普朗克与能量子的诞生马克斯·普朗克(Planck Marl Ernst Ludwig ,1858~1947)1858年4月18日诞生于德国的一座小城基尔,他出生于牧师、学者和法学博士的家庭;普朗克在基尔接受了初等教育,1867年全家迁到巴伐利亚的慕尼黑后,他进入了马克西米中学就读。
中学毕业后,普朗克先后在慕尼黑大学和柏林大学就读,当时的物理学大师赫姆霍兹、基尔霍夫和数学家魏尔斯特拉斯(Weierstrass Karl Theoder Wilhelm)都是他的导师。
这些大师的深邃思想,使普朗克大开眼界。
同时他还精读著名热力学家克劳修斯的著作,从而开始热衷于对“熵”的研究。
年仅21岁的普朗克就以题为《论热力学第二定律》的论文获得博士学位。
1885年,普朗克被聘为德国基尔大学“特命”副教授;1889年,他又接替了柏林大学他的导师基尔霍夫的位置。
1892年,他晋升为正教授。
赫姆霍兹评价说:他用热力学的方法得到了物理化学家们从关于原子和离子的特殊假设中得到的确切无疑的结果。
就这样,普朗克成了世界上经典热力学的权威,并一直保持了这种权威地位。
1894年,普朗克转到了当时物理学的研究热点:黑体辐射问题。
从而导致了量子论的诞生。
1、1 量子概念的诞生十九世纪未叶,黑体辐射问题成了当时物理学界研究的热点问题,1879年斯忒藩(Stefan Joseph ,1835~1893)从实验入手,1884年玻尔兹曼从热力学理论入手,得到了黑体的总辐射能(W )与绝对温度(T )的四次方程成正比的斯忒藩-玻尔兹曼定律。
1896年,维恩(Wien Wilhelm ,1864~1929)根据热力学、结合经验数据得到了维恩辐射定律;维恩辐射定律在波长较短、温度较低时才与实验结果相符,而在长波区域则系统地低于实验值。
1900年6月,英国著名物理学家瑞利根据经典物理学的基本原理推导出一个黑体辐射定律,瑞利的推导中错了一个因子,后来(1905)被年轻的英国天文学家金斯(James Hopwood Jeans ,1877~1946)纠正,所以这个公式又叫做瑞利—金斯辐射定律。
量子力学的发展简史量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。
旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。
1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。
其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。
1913年,玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。
按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,在轨道上运动时候电子既不吸收能量,也不放出能量。
原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量。
这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多困难。
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。
认为一切微观粒子均伴随着一个波,这就是所谓的德布罗意波。
德布罗意的物质波方程:E=ħω,p=h/λ,其中ħ=h/2π,可以由E=p²/2m 得到λ=√(h²/2mE)。
由于微观粒子具有波粒二象性,微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律,描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。
当粒子的大小由微观过渡到宏观时,它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。
量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。
在量子力学中,粒子的状态用波函数描述,它是坐标和时间的复函数。
为了描写微观粒子状态随时间变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程。
第七章量子理论发展史量子理论是物理学的重要分支之一,它描述了微观世界中的粒子行为,如原子、分子和基本粒子等的行为。
量子理论的发展历经了几十年的探索和研究,下面将对量子理论的发展史进行探讨。
19世纪末,物理学家们发现了一些实验结果与当时的经典物理学理论相悖。
例如,黑体辐射实验和光电效应实验,无法用经典物理的理论来解释。
为了解决这些困扰,麦克斯韦和普朗克等物理学家提出了量子理论的雏形。
1900年,普朗克提出了量子化假设,即能量不连续,而是以不可分割的量子单位出现。
这个概念首次引入了能量量子化的概念,为量子理论的发展奠定了基础。
接着,爱因斯坦利用光电效应现象解释了光的粒子性,提出了光量子的概念,并称之为光子。
这一理论奠定了量子力学的基石。
1913年,玻尔提出了玻尔模型,解释了氢原子光谱现象。
他提出了一个简单的原子模型,即电子在轨道上绕着原子核运动,在其中一可能的轨道上存在能量量子化的状态。
玻尔模型的提出,为原子结构的理解提供了一个框架,也为量子力学的发展提供了一种启示。
1925年至1926年间,根据矩阵力学和波动力学的发展,海森堡和薛定谔分别提出了量子力学的两个等价形式。
海森堡提出了矩阵力学,通过代数和矩阵运算的方法描述了粒子的行为,而薛定谔提出了波动力学,将粒子的行为转化为波函数的描述。
这两种形式都能描述量子力学体系的物理现象,它们的提出标志着量子力学的建立。
1927年,海森堡提出了不确定性原理,即无法同时精确测量粒子的位置和动量。
这个原理挑战了牛顿力学中的确定性观念,并深刻影响了科学哲学的发展。
不确定性原理的提出,标志着量子力学的成熟。
随后的几十年里,量子力学经受了严谨的数学推导和实验验证。
许多著名的物理学家,如狄拉克、费米、玻姆和海森堡等,对量子理论进行了深入的研究和发展。
他们提出了量子场论、费米-狄拉克统计和玻姆对称等重要概念,并为量子力学的应用奠定了基础,如核物理、固体物理和量子信息等领域的应用。
简述量子力学的发展历程量子力学是现代物理学的重要分支之一,它探索了微观世界的行为,并提供了一种描述粒子和波动性质的理论框架。
下面将介绍量子力学发展的历程。
量子理论的奠基者可以追溯到19世纪末的普朗克。
当时,普朗克研究黑体辐射时,发现通过将能量量子化为小包团,可以更好地解释观察到的现象。
根据普朗克的假设,能量以不连续的方式来传播,而不是连续的波动。
接下来的突破性发现是爱因斯坦的光电效应理论。
在光电效应中,当光照射到金属表面时,会释放出电子。
爱因斯坦解释了这一现象,认为光的能量以粒子形式的“光子”传播。
这个想法进一步证明了能量和物质的微观粒子性质的存在。
爱因斯坦的工作促使德国物理学家玻尔提出了原子理论的量子化概念,即电子只能处于特定的能级中,并通过辐射和吸收能量来跃迁到不同的能级。
这一解释为后来量子力学的发展奠定了基础。
1926年,奥地利物理学家薛定谔提出了著名的薛定谔方程,也被称为量子力学的基本公式。
这个方程描述了微观粒子的波函数随着时间的演化。
根据波函数的模的平方,可以计算出粒子在不同位置的出现概率。
同时,德国物理学家海森堡也提出了著名的量子力学的另一种数学形式,即矩阵力学。
他发展了矩阵和波函数之间的数学关系,可以用来计算物体的动力学性质。
同时,他提出了不确定关系原理,即无法同时准确确定粒子的位置和动量。
在20世纪30年代,量子力学取得了多个重要结果。
德国物理学家狄拉克提出了量子力学的相对论性版本,即量子场论。
狄拉克获得了著名的相对论性自旋方程,描述了粒子的自旋性质。
同时,量子电动力学的发展也让人们对微观粒子的相互作用有了更深入的理解。
在量子力学的发展过程中,还有一些其他的重要贡献,例如泡利不相容原理、玻色-爱因斯坦凝聚、激光原理等。
这些发现不仅推动了理论物理学的发展,也带来了众多实际应用,如量子计算、量子通信和量子纠错等。
总的来说,量子力学的发展历程经历了从普朗克的能量量子化概念,到爱因斯坦的光电效应和物质的粒子性质,再到玻尔的量子化假设和薛定谔的波函数方程的提出。
浅谈量子理论的发展史摘要:19世纪末,对于出现涉及分子、原子等新的物理现象与经典物理现象相悖时,经典物理学家努力用经典理论来诠释这些现象,显得顾此失彼,无能为力。
在1900到1926年间,以维恩、瑞利-金斯、爱因斯坦、薛定谔等为代表的物理学家们前仆后继,不断冲破旧的传统理论,提出了新的理论,建立了新的模型,并且很好地解决了量子理论的能量分立性概念与经典物理平滑连续概念之间的矛盾,进入了量子理论发展的快车道,最终使量子理论得以建立形成。
关键词:量子理论;普朗克;瑞利-金斯;波尔;爱因斯坦1887年卡尔斯鲁厄大学的实验室中闪出一道令人兴奋的电火花,将古老的光学囊括进新兴的电磁学中时,赫兹将电磁学的大厦完美的封顶【1】。
经典物理理论已成为金科玉律,似乎永不可动。
1900年,开尔文在演讲中说:“在已经建成的科学大厦中,后辈物理学家似乎只要做一些零零碎碎的修补工作就好了。
”但当人们站在物理学的大厦前沉湎于“晴朗天空的远方”时,“两朵小小的令人不安的乌云”被敏锐地发现,生产和技术的发展促使实验上一个又一个自然面纱被揭开。
“两朵小小的乌云”却演化为两场革命性的风暴,下面两个新理论一曰量子论,二曰相对论,云霄雨霁,云蒸霞蔚。
在霓虹中,现代物理学的大厦在这块基石上平地而起。
而说起量子论无疑给人类提供了了解描述自然新的方法。
当原子、黑体辐射、光电效应等现象从实验室中走进人们的视野时,传统的物理学理论在对它们进行诠释时,显得捉襟见肘。
20世纪初,新现象在发展良好的实验技术中接踵而至。
面对新现象和经典理论的矛盾,人们不顾于旧思想,冲破原有的藩篱,寻幽入微,建立了新的理论【2】。
量子理论分为黑体辐射以及进一步的量子假设,基尔霍夫首先发现热辐射与腔体本身的材料没有必然关系,只受温度影响,这也是黑体辐射的雏形,之后斯特潘通过实验证明了辐射压力与辐射能量之间的比值为1:3。
当热力学和光谱学的日益发展,衍生出了热辐射这一新兴学科的兴起。
量子理论的历史发展(第一卷、第一分册)P196-201几个月以后,在1909年9月21日,爱因斯坦在萨尔茨堡的第81届德国科学家大会(Natur forscherersammlung)上发表了一篇演讲,题为“Uber die Entwicklung userer Anschauungen uber das Wesen und die Konstitution der Strahlung(论我们关于辐射之本性及构造的概念的发展)”;在演讲中,在许多物理学家和数学家面前重述了导致涨落公式(79)的那些主要论点(162)【(162)出席会议的人中包括:M.玻恩、J.埃尔斯特、P.爱波斯坦、J.夫兰克ph·夫兰克、J.冯·盖特勒、A.戈克尔、O.哈恩、W.霍尔瓦希、F.哈泽内尔、D.洪德罗斯、L.霍普夫、H.凯泽尔、R.拉登堡、M.冯·劳厄、L.迈特纳、E.迈耶、G·米、M·普朗克、F·赖歇、H·鲁本斯、C·谢弗、K·谢尔、E·冯·施韦德勒、H.西登托夫、A 索末菲、J.斯塔克、W.施托伊宾和W.佛克脱.(参阅赫尔曼,1969,P.71注17).】然后他就指出了一件事实:“现在还不能表述一种数学的辐射理论,用来既描述[它的]波动结构又描述由[方程80]的]第一项推得的结构(量子结构)”(爱因斯坦,1909b,p.824).爱因斯坦也并没有这样一种统一的理论,但是他提出了下列的建议:不过在我看来比什么都自然的一种图象[就是],光的电磁场的出现是和一些奇点联系着的,就象电子理论中静电场的出现一样。
人们不能完全排除这样一种可能性:在这样一种理论中,电磁场的总能己可以看成是定域在这些奇点上的,正如在旧的超距作用理论中一样.我设想,譬如说每一个这样种奇点都被—个力场包围着、这个力场本质上具有平面波的特点,其振幅随着到奇点的距离的增大而减小.如果存在许多这样的奇点,它们之间的距离远小于一个奇点的力场的广延,则各力场将互相重在而共同形成一个波动着的力场,它和现有电磁理论意义下的波场只有很小的差别.我们当然用不着特别强调,只要这样一种图象还不能导致一种精确的理论,就不应该认为它有任何价值.我只是想用[这个例子]来说明,由于有”普朗克公式而必须指定给辐射的两种结构性质(波动结构和量子结构),不一定要被看成是彼此不相容的。
(爱因斯坦,1909b,PP824-825(163)。
【(163)爱因斯坦在他从前的论文中曾经指明上面说过的这些想法可以怎样实现;他在那里引用了——早先由普朗克和金斯观察到的——一个事实,即e2/c这个以此处e是电子的电量而c是真空中的光速】和作用量子具有相同的量纲,并可以用一个等式联系起来,二者差一个数量级为100的因子.他曾经论证说,“在我看来,从等式h=e2/c似乎就可以得出,[理论的]那种蕴涵[电的]基元量子的存在的同一修订,也必将导致辐射的的量子结构”(爱因斯坦,1909a,pp.192—193).这就是说,他认为电子和光量子这两种经典电动力学的不速之客,是具有相同的起源的.例如,光量子很有可能能够从光学小光的基本传播方程的一个包含着普适恒量e 的非线性推广方程(即()()0///1222222222=∂∂-∂∂-∂∂-∂∂z y x t c φφφφ这种类型的方程的推广,此处Φ是空问和时问中的一个振幅)中得出。
爱因斯坦在以后的几年中继续思索了这种可能的、新的电磁理论基本方程,亦1910年底,他向J .劳布报告了这种努力:“现在我有解决量子问题的伟大希望,而且不必利用光量子来作到这一点。
我对此事将有什么结果很觉好奇,但是如果作成了,人们就必须放弃目前形式下的能量原理[即能量守恒]了”(爱因斯坦致劳布,1910年11月4日).不多几天以后,他承认了他的努力的失败,并且写道:“我在解决辐射问题方面又没有成功、在那里,魔鬼对我玩弄了一个肮脏的花招”(爱因斯坦致劳布,1910年11月;两封给劳布的信都引自泽利希,1960,p .197)。
】爱因斯坦在萨尔茨堡会议上的演讲引起了人们很大的兴趣,尽管他的光量子假说并没有说服人们.正如P .爱泼斯坦后来回忆的那样:“那次会议的主席是普朗克,而且他立刻就说这是很有趣的,但他并不完全同意、而且在这次会议上表示响应的唯一的一个人就是J .斯塔克”(爱泼斯坦,AHQP 采访纪录)。
事实上,普朗克用一段关于光量子假说是否必要的广泛评论开始了对爱因斯坦的演讲的讨论.他宣称,答案是“否”,而爱因斯坦有利于这一假说的那种结论是建筑在一个隐含的假设上的:他从物质的运动推出了自由辐射的涨落,而并不知道物质和辐射之间的详细相互作用(164)【(164)普朗克说:“喏,真空中的自由电能和物质运动之间的这种相互作用似乎还了解得很少。
它主要是在光的吸收过程和发射过程中起作用的。
辐射压也基木上起源于它,至少按照色散理论来看是这样,而色散理论一般被认为是成立的,而且在这种理论中[光的]反射被归结成了吸收和再发射.现在,发射和吸收恰恰就是[理论的]暗点,我们对它们还所知甚少”。
(普朗克,见爱因斯坦文章的讨论部分,1909b ,p ·825).】。
按照当时存在的电子理论,辐射是由加速的电子发射的。
然而,同样这种电子理论却包含了许多困难——例如和电子的广延结构有关的那些困难;因此它那些结论不能认为完全可靠。
因此,普朗克说,人们应该“首先试图把量子理论的整个困难全都转移到物质和辐射能的相互作用问题中去,然后,纯粹真空中的过程目前就还可以借助于麦克斯韦方程来解释”(普朗克见爱因斯坦文章的讨论部分,1909b ,pp .825—826).普朗克在他于1910年2月间交给 Annalen der Physik 的一篇文章中更加详细地阐述了他的观点(普朗克,1910a )他在文中回顾了1900年以来所曾出现的辐射理论的主要进步,并且也说明了他自己对这种主要进步的态度.他说,有两种极端的观点可供采取.最保守的观点是由金斯采取了的,他从经典力学和经典电动力学的方程导出了经典的辐射方程.既然这一方程是和实验显然不符的,那就出现一种必要性,寻求一种修订动力学方程的方法,以便把作用量子上的存在包括在内。
普朗克写道:在这个问题上,英国物理学家J .汤姆孙和J .拉莫尔以及德国物理学家A .爱因斯坦和J .斯塔克采取了最为极端的态度。
他们倾向于这样一种观点:甚至纯粹真空中的电磁过程,甚至光波,也不是连续地传播而是以量值为hν的分立量子(光量子)而传播的,此处ν代表频率。
(普朗克,1910a,P·761)(165)。
【(165)拉莫尔(Joseph Larnor)在他于1902年为《大英百科全书》撰写的“辐射理论”条目中已经讨论了普朗克的黑体辐射理论,他在那里指出了普朗克对玻耳兹曼的熵的组合定义的应用,而且也退到了关于各个共振子不能改变辐射类型的困难(拉莫尔,1902).在他在1902年9月间在贝尔法斯特的大英协会会议上的演讲中,拉莫尔曾经试图把普朗克理论改造成一种避免使用共振子的形式(拉莫尔,1903).七年以后,拉莫尔在他的标题为“论辐射能的统计关系式和热力学关系式”的贝克(Baker)演讲中重新回到了同一问题(拉莫尔,1909).在这篇演讲中,他根据一条假设来发展了辐射理论;其假设就是:和任一黑体或空腔辐射体系相联着的,有一些“基元的能己接收点……我们可以称它们为胞格(cell):而且我们可以通过一个条件来在这些胞格的尺寸(广义的尺寸)之间建立起一个关系,其条件就是:这些胞格应该机会均等,所考虑的具有能量单元的扰动单元在传播中进人任何一个胞格的可能性应该和进入任何另一胞格的可能性相同”(拉莫尔,1909,p.86).这就是说,拉莫尔把普朗克关于有限能见小包的统计考虑换成了他所说的“胞格”的考虑——这种胞格在普通的统计力学语言中对应于体系相空间中的格子。
他总结说:普朗克的办法……本质地依赖于能量的原子式构造或分立构造的假设;而且,按照从适用于自然辐射的公式中的恒量所作出的估计,这种不可分割的能量元被证实为相当大,即使和一个气体分子的能量相比也相当大.多少有点类似的涵义也还存在于我们这种表述中,但它现在却是以这样的形式出现的:能量元和标准单位胞格的尺寸之比是一个绝对物理压,同样由关于自然辐射的观察结果来确定。
(拉莫尔,l909 PP.89—90).利用这种对普朗克方法的推广,拉莫尔曾想把辐射的经典描述和量子理论描述之间的缺口弄窄一些;这样将使人们能引入能量元对胞格尺寸(二者都趋于零)的极限微商,而不必暗中认为能见本身是在一种原子式的基础上构成的.尽管拉莫尔证明了他对辐射的胞格处理方法避免了有限能量子的那种有问题的引用,他却也强调了关于应用于在相空间中传播者的“扰动单元”上的“机会均等假设”.在有自不同波长的一个辐射的体系中,他推想其中每一个这样的单元都可能是短短的一列简单波.这样,所用扰动单元”就和爱因斯坦的光量子及J.汤姆孙的光强度的定城点(我们在第l·4节中已经讨论过它)显示了某种相似性.】然后普朗克就概略地叙述了爱因斯坦的涨落考虑;然而他论证说这种考虑也许不成立,因为,即使哈密顿的微分运动方程[对于描述辐射现象来说]的失败是无容置疑地被承认了的,人们也显然不能把统计力学——它是建筑在哈密顿方程上的——选作自洽的辐射理论的出发点。
(普朗克,1910a,P.763)颗粒处理方式的主要困难似乎有如下述:如果人们想要坚持光的电磁本性,而这是颗粒理论的代表们也要坚持的,那末颗粒理论——即使用最同情的态度来判断它——将会从一开始就显示出一些引人注目的弱点.例如。
应该怎样想象一个静电场呢?对于这个场来说,频率。
是等于本的,从而场的能量必然是由无限多个量值为零的能量子组成的。
那末,人们还能不能设想有一个确定方向的有限的场强度呢?(普朗克,1910a,pp.763-764)。
解决这个困难的唯一出路也许是引用静场和动场的不同描述,这就会意味着放弃电磁理论的成就,而这就似乎牺牲太大了。
然而普朗克却承认,在统计考虑中引用有限大小的能量小包,这确实会导致一个严重问题(166)【(166)普朗克在这里第一次表明他确实认真地对待了爱国斯坦的批评(爱因斯坦,1906c,g;1909a,b).在此以前爱因斯坦对这一情况还拿不准;例如他在给J.劳布的信中曾经谈到了这一点:普朗克在通信中也是很令人愉快的.只是他有一个缺点,即比较难以找到自己的方法来弄懂外来的思路.于是我也就可以及用他提出了一些全盘错误的愈见来反对我关于辐射的最近论文了.然而,面对我的批评,他却什么也没说;我确实希望他读读它并承认它.这个量子问题是那样无比重要和困难,从而每个人都应该很好地研究研究它。