物农学家小传,有名的人民代表大会全

作者:金沙娱乐场    发布时间:2020-01-14 20:20    浏览:

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人的一生会犯很多错误,包括美丽的错误和丑陋的错误。“知错能改,善莫大焉”,这是古人说的话。可是当你犯下一个被证明是正确的错误,而你又花了一辈子去证明这个错误就是错误的时候,到头来你会怎么看? 普朗克就是这么一个人,他的一生最重要的成就就是他认为的最大的错误。普朗克的“错误”就是引进了量子这个概念,把连续的能量化为了一份一份的离散能量。而且他一辈子都在为纠正这个错误而努力,最终还是没能证明它是错误,因为实际上它是完全正确的。 小爱也同样犯过类似的错误,他引进了一个宇宙学常数来说明静态宇宙,而且他承认这是他一生中犯下的最大的错误。后来哈勃证实了宇宙是在不断膨胀的,开始否定了宇宙学常数的存在。可小爱毕竟是伟人,不少人开始为宇宙学常数辩护,经过几起几浮,宇宙学常数在2003年终于可以站稳脚跟了,而且被证实是非常重要的物理量,当然含义和当初小爱提出的概念差别就大了。小爱的错误在当时算是真正的错误,只不过后来引出了正确的含义。而普朗克的错误从一开始就是正确的,这位老兄却偏要证明它就纯粹是个错误,真是让人想不通。 事情的起源是黑体辐射,这个问题是19世纪末物理界的两朵乌云之一。当时开而文豪气冲天地宣布,19世纪在Newtown、Maxwell等巨匠的辛勤工作下,物理世界的大厦已经完工,剩下的就是修修补补的小工程了,你所能做的不过是把小数点后面的位数增加几个。但是……,每到但是的时候都要让大家心里咯噔一下,但是物理世界的天空还存在两朵乌云。不过开而文坚信,拨云见日也只是时间问题,不会对物理大厦有任何损伤。可偏偏这两朵乌云带来了20世纪物理界的一场猛烈的暴风雨。 黑体辐射的问题在于长波段和短波段,或者说低频段和高频段是两个截然不同的公式才能拟合,也就是说采取的是不同的近似,没有人能一起推出符合整个波段的公式。后来普朗克引进了量子,也就是一份份的能量,用统计的方法推出了符合全波段的公式,整个推导的过程,最重要的就是那一份份的能量。这在当时是不可思议的,因为大伙都相信能量是连续可变的,要是一份份的,为啥我们根本察觉不到?普朗克惶恐了,他在发表自己的结果之后就开始恐慌,此后他都在努力尝试用连续的能量分布来解决这个问题,可是他始终没有成功。 爱因斯坦没有顾及这个问题,他直接拿普朗克的思想用了,也许是因为他实在太年轻不受旧的思想束缚的缘故,小爱提出了光量子假说,顺利解释了包括光电效应在内的一系列问题。普朗克在小爱的成功面前依然对自己没有信心,一直到后来量子力学都发展起来了,他还是不肯接受量子这个概念。这是个很有趣的现象,最早提出量子的概念的人不相信量子!这和洛伦滋一样,他最早提出了他的变换,实际上是狭义相对论的雏形,可即使在他看到小爱用他的动体的电动力学推导出了他的变换之后,他还是不相信相对论,最后他的坚决反对而诞生了相对论这个有意思的名字。(其实相对论的最深刻内涵应该是“绝对”,所以称“绝对论”才是最恰当的!)学量子力学的人都把普朗克当作祖师,即使他一直在纠正他那正确的错误。 为了纪念普朗克,量子力学里面把最基本的物理学常数叫做普朗克常数,它乘以频率就是量子的能量。更推广一步的还有普朗克长度等概念,反正只要提到普朗克,必定就是微观粒子相关的东西。 普朗克因为他的错误永远被人们怀念!

要正确地理解量子力学,追溯其发展历史是非常必要的。量子力学不同于相对论和牛顿力学,它更少有被罩上个别伟人的光环。它可说成是有史以来最出色和最富激情的一代物理学家集体努力的成果。综观量子力学发展史,真可谓是群星璀璨、光彩纷呈。因此,让我们先回头看看历史。

金沙城娱乐场官网平台 1 姓名:马克斯·普朗克 国籍:德国 年代:1858-1947 职位:科学家

说到当时的‘那一代’物理学家,最令人瞩目的是他们的年龄。在这点上,量子论的发展可与近年来互联网公司的发展相提并论:都是一伙年轻人的天下!看看当年那一批争奇斗艳,光彩夺目的科学明星吧,当他们对量子力学作出重要贡献时,大多数是20-30岁的年龄。这也就是为什么在当时,量子力学被人们称为“男孩物理学”的原因。

    1900年德国科学家马克斯·普朗克提出了一个大胆的假说,在科学界一鸣惊人。这一假说认为幅射能(即光波能)不是一种连续不断的流的形式,而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。普朗克的假说与经典的光学说和电磁学说相对立,使物理学发生了一场革命,使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解。

让我们细数‘男孩’们对量子力学的贡献:

    普朗克于1858年出生在德国的基尔市。他先后就读于柏林大学和慕尼黑大学,二十一岁时在慕尼黑大学获得物理学博士学位。他一时曾在慕尼黑大学和基尔大学任教,1889年任柏林大学教授,直到1928年70岁退休为止。

爱因斯坦1905年提出光量子假说,26岁。

    和其他几位科学家一样,普朗克对黑体幅射问题也很感兴趣,黑体幅射是描述给绝对黑体加热来做电磁幅射的术语(绝对黑体是不反射任何光而完全吸收所遇见光的物体)。实验物理学家们甚至在普朗克着手研究这个问题之前就对这样的物体幅射做过认真的测量。普朗克取得的第一项成就是提出了一个用来正确描绘黑体幅射的相当复杂的代数公式。这个代数式完美地概述了实验数据,在今天理论物理学上仍常常使用。但是却有一个问题:公认的物理学定律预示存在着一个完全不同的公式。

玻尔1913年提出原子结构理论,28岁。

    普朗克对这个问题沉思默想,终于提出了一个崭新的学说:幅射能只能以普朗克称为量子这个基本单位的整倍数形式幅射出来。根据普朗克学说,一个光量子的大小取决于光的频率(即颜色)且与一个物理量成正比。普朗克把这个物理量缩写为h,现在被称为普朗克常数。普朗克假说与当时流行的物理概念完全对立,但是他却利用这一假说在理论上准确地推导了正确的黑体幅射公式。

德布罗意1923年提出德布罗意波,31岁。

    普朗克假说具有彻底的革命性。因此若不是他以顽固保守的物理学家而著称,他的假说无疑会被当作一种荒诞的思想而弃之一边。虽然这一假说听起来很离奇,但是在这种特殊情况下却推导出了正确的公式。

海森堡1925年创立矩阵力学,1927年提出测不准原理,24-26岁。

    当初大多数物理学家(包括普朗克本人在内)都认为这一假说不过是适应面很窄的一个数学假设。但是几年以后表明普朗克的概念还能应用于除黑体幅射以外的许多各种不同的物理现象。1905年爱因斯坦用这一概念解释光电效应,1913年尼尔斯·玻尔在他的原子结构学说中也使用了这一概念。1918年普朗克获得诺贝尔奖。他的学说基本正确而且在物理学理论方面具有根本重要的意义。

还有更多的年轻人:泡利25岁,狄拉克23岁,乌仑贝克25岁,古德施密特23岁,约尔当23岁……

    普朗克坚决反对纳粹分子,这使他在希特勒时代的处境十分危险。他的次子有一次参与一伙军官暗杀希特勒的密谋,但因刺杀未遂于1945年初被处以死刑。普朗克于1947年去世,终年89岁。

金沙城娱乐场官网平台,和他们比起来,36岁的薛定谔,43岁的波恩,42岁的普朗克,该算是老叔叔老爷爷了。

    量子力学的发展可能是二十世纪中最重要的科学发展,甚至比爱因斯坦的相对论还要重要。普朗克常数h在物理理论中有着重要的作用,现在被认为是两三个最基本的物理常数之一。它出现在原子结构学说、海森堡测不准原理、幅射学说和许多科学公式中。普朗克最初计算出来的常数数值比今天使用的相差百分之二。

物理学家们将量子力学的诞生之日,定为1900年12月14日,普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文的那一天。在此之前,牛顿力学加上麦克斯韦方程建造的宏伟物理大厦虽然还巍然挺立,但天空已经阴云密布,一片‘山雨欲来风满楼’的气氛弥漫其间。42岁的‘老爷爷’普朗克战战兢兢地伸出脑袋看看天,身边是潘多拉的盒子,这妖精该不该放出来呢?也许它能驱除乌云,恢复蓝天,也许它将如同石头缝里蹦出的孙猴子,挥动金箍棒,将世界擾得地覆天翻?普朗克的直觉告诉他,结论会是后者。但是,妖精总是要出来的,天意不可违啊。于是,盒子被打开,量子力学这个怪物就此诞生了。

    一般认为普朗克是量子力学之父。虽然他对此理论后来的发展没有起什么作用,但是若把他的名次排得太后是不公正的。他所做的起始突破非常重要,使人们在思想上摆脱了先前的错误概念。因此他的继承人才能创立出今天这样完美的学说。

之后的100多年,尽管量子物理学一个里程碑又一个里程碑,成果斐然,但由于它惊世骇俗、不同凡响的本质,孙悟空难跳出如来佛的掌心,量子论每前进一步似乎都举步维艰。

其实,整个物理学在争论些什么呢?说穿了也很简单。那是最古老也最困惑人的问题:“光,到底是什么?物质,又是什么?”

用现代的语言,说得再具体一些:“光和物质,到底是粒子还是波?”这个粒子说波动说纠缠不清的问题,穿越时空几百年,引发了各种学说理论,伴随着越来越精确的实验验证,也招来了一场又一场连绵不断的口水战。

在量子力学诞生之前,对此问题的争论有过一段时期的平静。那就是上文所说的‘牛顿力学加上麦克斯韦方程建造的宏伟物理大厦’辉煌鼎盛之时。当时的物理学界以为一切完满天下太平,古老的问题已经不是问题,答案犹如铁板钉钉:“光是一种电磁波,符合美妙无比的麦克斯韦方程,其余的物质粒子,则符合放之四海而皆准的牛顿力学。”。

连躲在天国中的拉普拉斯妖也俯首下望,而且沾沾自喜地向世界宣称他的决定论:“一切都在控制之中。给我宇宙现在的状态,我将可以告诉你宇宙的过去和未来!”。

然而,科学家们对世界的探索永远不会停止,探索的结果使晴朗的天空飘起了两片不起眼的小乌云:那是迈克尔逊-莫雷实验和有关黑体辐射的研究。两片小乌云使物理学界陷入困境。一切想驱散乌云的努力都适得其反。乌云日积月累,越来越大,以至于发展到了压顶之势。

再后来,第一片乌云动摇了牛顿力学,引发了爱因斯坦的相对论革命,从第二片乌云中,则诞生了本文所讨论的量子理论。

黑体辐射问题到底给经典物理造成了些什么麻烦呢?物理学是以实验为基础的,当理论解释不了实验结果的时候,麻烦就来了。所谓黑体,是指对光不反射、只吸收,但却能辐射的物体。经典理论认为光是一种电磁波,然而,由经典物理、麦克斯韦方程推导而出的‘维恩公式’和‘瑞利-金斯公式’,却与黑体辐射的实验结果不相符合,甚至导致‘当辐射的频率趋于无穷大时,辐射能量发散’的所谓‘紫外灾难’这种荒谬结论。

当年的普朗克使用了一个巧妙而新颖的思想方法:假设黑体辐射时,能量不是连续的,而是一份一份地发射出来的话,就可以导出一个新的公式,这个公式在频率较小时自动回到瑞利-金斯公式,在频率大时又自动回到维恩公式。因此,新公式在所有的频率范围,都与实验符合得很好!这就是普朗克1900年论文的主要内容。

普朗克毕竟是一个传统而保守的德国物理学家,他只是按照科学方法办事,并未奢望要掀起一场革命,连自己都不知道自己已经把‘量子’这个妖精引进了物理学,这个妖精的标签是一个著名的普适常数h,被称为普朗克常数。当他用战粟发抖的手,打开了潘多拉盒子之后,蹦出来的妖精第一棒就将他自己打晕了。因为在经典物理里,能量应该是连续的,而普朗克的新理论却假设能量只能是一份一份地被发射出来,这看上去不是不可思议吗?普朗克认为自己制造的这个‘量子妖精’破坏了物理学的完美,因此,他极力企图把它给收回到潘多拉盒子中去。普朗克曾经花费了15年的时光,试图找到一种经典物理方法,来导出同样的公式,以解决黑体辐射问题。但是这个试探却没有成功,‘量子妖精’放出来之后,便一发不可收拾,后来更是四方挥舞金箍棒,大闹天宫。

普朗克不喜欢这个妖精,也没有提出光量子的思想,直到1905年,26岁的爱因斯坦对光电效应的贡献才真正使人们看到了量子概念所闪现的光芒。

爱因斯坦比普朗克更进了一步,认为不仅仅场的能量是一份一份辐射出来的,而且光本身就是由不连续的光量子组成,每一个光量子的能量E

hν,它只与光的频率ν有关,而与强度无关。这儿的h便是普朗克常数,那个被普朗克释放到世上来的小妖精!

啊,光不就是一种电磁波吗?它能精确地被麦克斯韦方程所描述,如今怎么又变成一个一个的光量子了呢?这不就像是已经被打倒在地的阶级敌人-牛顿时代光的微粒说,又反攻倒算打回来了么?其实,岂止反攻倒算,而是已经鸟枪换大炮,装备精锐,完全改头换面而来!还好,早在爱因斯坦出生的那一年,爱因斯坦还是个7、8个月大的婴儿时,麦克斯韦就48岁英年早逝了,没有听到这个令他伤心的消息。麦克斯韦一生反对进化论,想必也接受不了‘量子论’这种古怪的妖精。不过,他对基督的虔诚胜于科学,临终时念念不忘的,不是他的电磁理论,而是他的老婆。他的临终遗言是:“我的天父,求你看顾我的妻子!”

光量子的概念好像也不符合我们的日常生活经验。‘波光粼粼’,多么富有诗意,谁能看出光是一粒一粒的呢!不过,这点倒不难理解,因为一个光量子的能量实在是太小了,比如,蓝光频率v=6.2796912×10^14,普朗克常数h=6.6×10^。因此,一个蓝光子的能量E=hv=4×10^-19焦耳。这个数值很小,使我们感觉不到一份一份光量子的存在。

1913年,28岁的波尔提出了他的量子化的原子结构理论。当时,卢瑟福将原子类比于太阳系的‘行星模型’,碰到了根本性的困难:在经典力学的框架下,这种结构将是不稳定的。为此,波尔在卢瑟福模型中引进了普朗克常数h,又是这个小妖精,又是使用这个公式E=hv。波尔认为,和行星围绕太阳旋转有所不同,原子中的电子轨道,不是连续而任意变化的,而是只能处于一个一个分立的能级中。也就是说,电子轨道是量子化的。

这个量子化的波尔原子理论,在当时取得了极大成功,成功地解释了原子稳定性,原子光谱谱线等问题,使人们再一次体会到这个量子妖精,蹦跳在微观物理世界中时产生的巨大力量。这时的量子力学,终于算是长成了一个调皮顽劣的大男孩,正在努力操练绝世武功,企图伺机大展身手咧。

但是,波尔的原子理论的基础仍然是建立在经典物理的大地上,不是彻底革命的量子理论。因此,在它诞生的那一刻,就种下了‘短命’的祸根,只迎来了10年左右的辉煌。

接着便到了1923年,31岁的德布罗意提出德布罗意波。1925年,24岁的海森堡创立矩阵力学,以及1926年,37岁的薛定谔建立薛定谔方程。

在这接踵而至的一大批‘男孩’们的努力下,‘男孩物理学’-- 量子力学,进入了它的成熟期。

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