发表日期:2009年9月24日 字体颜色: 字号:[ ]
量子理论

  人们常把1900年12月24日叫做“量子理论的诞辰”。在那一天的德国物理学会的例行讨论会上,德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)提出了关于“黑体辐射”的理论解释,在那种理论中包含了“能量子”的概念,引入了一个后来称为普朗克常量(又称“作用量子”)的常量h。关于“能量子”等等的物理概念,仔细讲来太复杂。简单地说那就是一些“能量的小块”。当能量从原子中被发出或被原子所吸收时,它永远是一块一块地被放出或被吸收的。这种观念和以前所有的物理观念都不一致,但由此推出的“普朗克黑体辐射公式”却得到了实验结果的“完全证实”。

  普朗克是理论家,他得出了一种和所有以往的理论都有矛盾的理论;这曾使他长期地感到不安。但是他的理论结果和实验符合得很好,所以谁也不能把这种理论随便抛弃掉,而随着事物的继续演进,人们认识到了普朗克的“量子假说”是“牛顿以来最伟大的发现”。

  普朗克为人极其正派,谨慎谦虚。他在柏林大学任教多年,培养了许多博士研究生,后来成了德国学术界最德高望重的代表,其地位相当于国家科学院的院长。他经历了两次世界大战。在第一次大战中,他的长子从军受了重伤,后即身亡。在第二次大战中,他的次子因受反希特勒的牵连而被纳粹杀害。战争给他造成了精神上和物质上的极大伤害。

  在量子理论诞生了五年以后,在1905年,当时还完全不出名的爱因斯坦先后发表了三篇论文,处理了物理学中三个不同方面的问题。

  人们说,这三篇论文分别创立了物理学中的三个分支。其中和量子理论有关的一篇论文提出了一个惊人的观点,作者称之为heunstic观点。HedristiC这个词,在简单的词典上译为“启发性的’,其实并不多么贴切。它的意思大致是,看起来似乎没有道理,用起来却能得出某些不错的结果,因此把它译作“试探性的”也许较好。爱因斯坦的观点叫做“光量子的观点”。他指出,不但在发射和吸收时,光的能量是“一块一块地”(按能量子)变化的,而且“在适当的条件下”,光在空间中传播时也可以被看成一种粒子流,这些粒子有确定的能量和动量,叫做“光量子”,现在通称“光子”。

  爱因斯坦后来表示,他平生的工作,唯有这篇论文可以称为“革命性”的。这是什么意思呢?因为光量子的概念和以往人们已经充分相信了的光学概念正好相反!经过17~19世纪的科学发展,人们得到了非常丰富、非常精确和非常肯定的实验资料,证明光是频率介于一定范围内的电磁波。它不是当年牛顿所曾设想的那种“颗粒”。现在忽然有一个毫无名气、地位的青年人出来说光不是电磁波而是粒子流(但是此“粒子”非彼“粒子”,和牛顿的设想并不相同),这不是非常“革爱因斯坦的”“光量子假说”是hedristiC的,就是说,能够很好地解释几件特殊的实验事实,因此谁也不能简单地把它扔掉。

  爱因斯坦是在德国出生的犹太人,少年时期随父母迁居瑞士,在那里上了大学,结了婚,找到了工作并取得了瑞士国籍。他成名以后回到德国在柏林担任研究教授,按规定应重入德国籍,但是他也保留了瑞士国籍。希特勒在德国上台以后,爱因斯坦在访问美国时正式宣布不再回德国,1940年宣誓入了美国籍,但仍然保留了瑞士国籍,直到逝世。

  我们知道,爱因斯坦因为创立了狭义和广义相对论而成了20世纪最著名的科学家,被许多人看成了“神圣”。一提到他的名字,人们首先理所当然地想到的就是相对论。事实上,他在早年对量子理论和统计物理学也作出了重要的贡献。除光量子的概念以外,他还把量子化的概念应用到了比热问题上,并且率先在量子理论的发展中引用了“几率”的概念。

  直到那时,量子概念的应用一直和统计的理论相联系着--苦于概念还埋藏在“统计的尘土”中。把量子概念直接应用于单个的微观体系,例如分子或原子上,则主要归功于丹麦科学家尼耳斯墩尔。

  1911年,刚在本国获得了博士学位的玻尔到英国留学一年,先到剑桥,后转往曼彻斯特。在曼彻斯特大学卢瑟福(EYllESt Rlltherfor)的科学集体中,他开始研究原子结构问题。

  在此以前,已经有人提出过关于原子结构的各种设想,即各种的“原子模型”。但是,正如后世人们所评论的那样,所有那些原子模型还都很不确定,还停留在“科学幻想”的阶段,就喜欢想象的人们可以讨论这种问题并提出五花八门的看法,但是由于根据不足,谁也无法确定不移地判断那些看法的真实程度。

  正是玻尔把原子结构问题放到了物理学的基础上,从而开拓了无比广阔的原子物理学的领域。他在曼彻斯特得到了一些初步的概念,回到丹麦首都哥本哈根以后,他在1912~1913年间第一次确立了他的原子结构及原子光谱的量子理论。他在1913年分三部分发表在英国刊物《哲学杂志》上的长篇论文,被称为“伟大的三部曲”。这是原子物理学中第一篇历史性的重要文献。

  玻尔接受了他的老师卢瑟福的有核原子模型(即承认原子的中心有一个很小的核),也接受了普朗克的能量子概念(即认为原子的能量是“一块一块地”变化的)。他自己创立了原子的“量子定态”和“量子跃迁”等概念。把这些全新的观念和已知的经典力学巧妙地“混合”起来,玻尔就破天荒第一次能够很好地解释了氢原子光谱的实验规律,并从概念上初步说明了其他原子的光谱规律,以及物质原子的另外一些性质。

  从那以后,玻尔全力进行了开拓工作,而(欧洲)其他各国的物理学家们也纷纷跟上,很快就使现代原子物理学蓬勃发展,蔚为大观,成了20世纪物理学中一个非常重要的分支。20世纪的最初25年,是量子物理学取得飞速发展的时期。这一期间的量子理论,相对于后来出现的量子力学而被称为“旧量子理论”。在这一发展过程中,玻尔一直占据了无可争议的中心地位。他的工作,被后世有识之士评为原子物理学和量子物理学中的“最大的一岁’。他所领导的哥本哈根大学理论物理学研究所,成了原子物理学的“国际首都”和各国青年物理学家心向往之的“麦加圣地”。

  普朗克、爱因斯坦和玻尔,被称为量子理论的三大宗师(三大先驱,等等)。当代理论物理学家阿布拉罕·旅斯曾经比较过他们。

  他指出:

  普朗克是一位典型的大学教授,他讲课,带博士研究生,对自己的发现(量子概念)的革命意义一直不曾充分意识到。

  爱因斯坦是一个独自工作的人。虽然他也和别人联合署名发表过论文,但他的主要工作方式是独自探索。他不太关心讲课,从来没有正式带过一个博士研究生。他立即认识了量子概念的革命性,但对这种革命性所造成的理论局势一直感到不舒服。

  玻尔是在和别人讨论中进行工作的。他需要身边有些青年人和他争论,联合作战。他也不太关心讲课,也不带研究生,但他指导了许多“博士后”或更高级的研究者。对于量子理论的革命性,他也是一下子就意识到了的,而且他心甘情愿地适应了理论局势,并对这种局势作出了哲学的概括(互补原理)。

  这种比较是十分简单的。仔细的比较将构成物理学史的重要研究课题。我们在此只作几点具体的补充。

  先看三人的生卒年份:普(1855~1947),爱(1879~1955),玻(1885~1962)。我们看到,曾比爱大24岁,比玻大30岁。按照科学进步的步伐来看,普比爱、玻早了一代,是他们的前辈。按照寿命的长短来排次序,我们得到:普(92)、玻(77)、爱(76)。

  其次看他们获诺贝尔奖的年份:普(191)、爱(192)、玻(1922),次序正好与他们的长幼次序相同。很有趣的是,爱因斯坦的获奖不是由于他的相对论而是由于他的光量子假说。


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