微观物理世界的最初探索

微观物理世界的最初探索

摘要：我们知道，微观物理世界跟宏观世界是截然不同的，是一个全新的世界，在这里，一切都如此陌生，如此神奇。作为上个世纪最伟大的科学理论之一，量子力学诞生了，科学史上一个崭新的时代开始了。

关键字：微观物理

二十世纪头二十年是量子力学发展最迅猛的年代，普朗克、爱因斯坦、薛定谔、狄拉克等一大批年轻科学家领尽风骚。随着科学与技术的发展进步，人们研究的触角自然伸向了“微观粒子”的尺度。物理学家们陆续发现了一系列经典物理学无法正确解释的新实验现象，例如黑体辐射、光电效应、康普顿效应、原子的线状光谱等。科学家们不得不跳出传统的物理学框架，去寻找新的解决途径，量子力学就这样诞生了。

量子理论首先是从黑体辐射问题上突破的。普朗克在研究这个问题的过程中发现，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，即能量可以划分成n个相等的小份，每个小份叫能量子，这样才能消除经典物理学中的“紫外灾难”。普朗克并提出了普朗克方程：E = hv，其中E是辐射光波的能量，v是辐射光波的频率，h是普朗克常数。1900年12月14日，普朗克在德国物理学会宣读了一篇注定要永载史册的论文，在这篇论文中，普朗克提出了一个大胆的假设，即物质辐射的能量E 是不连续的，物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位hv的整数倍，即量子假说。普朗克将这一能量最小单位hv定义为能量子（简称“量子”）。这一天成了量子论的诞生日。但习惯于用根深蒂固的传统观念去看待周围一切事物的人们，很难再接受另一种与之相左的观念，这是人类的认识惯性。不仅普通人如此，就连最杰出的科学家也不能免俗。具有讽刺意味的是，他居然成为了量子力学的坚定反对者。普朗克不愿意接受他的理论所告诉他的事实，试图在纯粹经典物理学的基础上理解黑体辐射现象，一心一意要取消量子假说，维护经典理论，这种徒劳无益的做法持续了许多年。

1886～1887年间,赫兹无意中发现，当有紫外线照射带电的金属小球时，两

个分别带正负电荷的金属小球之间容易有电火花跳过。经多人验证，勒纳得出结论：紫外线照射到带负电的金属上之所以容易发生放电现象，是由于它会使金属表面发射电子。这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。1905年爱因斯坦用普朗克的“能量子”假设成功地解释了光电效应，并得到著名的爱因斯坦光电效应方程。麦克斯韦已经证明光是电磁场，从而说明光子具有波动的性质，爱因斯坦在解释光电效应时提出光量子的假说，认为光是一种粒子。后来，有关电子的科学实验表明电子也具有波粒二象性，这从实验上也证明德布罗意的假说是正确的。爱因斯坦关于光的波粒二象性的假说，以及随后德布罗意关于实物粒子的波粒二象性的假设，使人们意识到，一切微观粒子都具有波粒二象性。

宏观世界中波动性和粒子性是互相对立、互相排斥、互不相容的。但在微观世界中粒子同时具有波动性和粒子性，就是说同一种微观粒子，在一定的实验条件下表现出粒子性，而在另一实验条件下表现出波动性。在宏观世界中不管实验条件怎样变化，波动性和粒子性永远是相互对立相互排斥的，但在微观领域中微观粒子的波动性和粒子性之间具有必然的联系和对立面的统一。波动性和粒子性通过德布罗意关系联系起来。如在电子衍射实验中，当单个电子轰击晶体时表现出粒子性，而大量电子轰击晶体时电子在整体上表现出一种波动性。

在此基础之上，1926年薛定谔提出了描述微观粒子运动规律的非相对论性的薛定谔方程。1928年，狄拉克又提出了相对论性的狄拉克方程，它们一同构成了量子力学的基本方程。二十世纪三十年代，在众多物理学家们的共同努力下，量子力学这一关于微观世界的理论，最终建立起来，并与相对论一起，成为现代物理学的理论基础。

参考文献：

1．[苏]Bn·瑞德尼克著, 《量了力学史话》,科学出版社,1979。

2．许秀华著,《发现者的困惑——马克斯·普朗克》，《大科技》刊