量子的诞生——《上帝掷骰子吗?》读后感3000字

量子的诞生——《上帝掷骰子吗?》读后感3000字:

故事是从一个人开始的,这个人叫法拉第,(注意不是法拉利),这个名称只要你上初中高中物理课的时候,不是每节课都睡觉,肯定听到过。大名鼎鼎的法拉第电磁感应,建立了电磁学的基础。

而接下来有一个神人,麦克斯韦尔Maxwell(不是那个咖啡品牌),用数学公式描述了电场与磁场。

这个公式眼熟吧?漂亮吧?但是看着似曾相识,但又完全想不起来这是干嘛的,对吗?

别担心,我们都一样。我都不记得那个三角形是什么意思了…

虽然我们都不知道这公式代表了什么意思,但并不能否定这个方程式的漂亮。不但简洁,而且像古代的诗词一样,对仗工整,被评为史上最完美的公式,让人惊叹它是不是被上帝写出来的。

再接着,德国的物理学家赫兹,用实验证实了电磁波的存在,并且有了一个了不起的发现:

电磁波的速度是3x108m/s,光就是一种电磁波,从而引入了光的波动学说。

赫兹在发现了电磁波之后,他的导师推荐他去柏林大学当教授,但是赫兹觉得柏林太繁华了,花花世界不适合潜心做研究,于是就留在了卡尔斯鲁厄,柏林这个教授的位置,被另外一个人意外获得了,而这个人,将来会在物理界,掀起一场血雨腥风!

在当时,除了光的波动学说,还有一批科学家,认为光是由各种粒子组成的,称为光的微粒学说。

这一派有一位大牛,就是下面这位卷毛:

眼熟不?不认识吧?那就对了!

但你肯定听过他的名字:牛顿

牛顿在1704年出版的巨著《光学》,在之后整整100年的时间里,都被奉为金科玉律。老牛在这本书里,详尽的阐述了光的色散,从粒子的角度解释了薄膜透射,牛顿环还有衍射等光学现象。

牛顿是真的牛,看上去,好像波动说的三个人法拉第+麦克斯韦尔+赫兹的名气加起来,还没有牛顿一个人大,可是科学不是看谁的名气大,是看你的学说能不能经受各种质疑,理论能不能接受实验的考验。

光的波动学说有几个难以解释的问题:

为什么不能像声波一样,绕过障碍物?

无论声波还是水波,都需要载体,水或者空气,那光为什么不需要载体就可以在真空中传播?

可是光的微粒学说也有几个难以解释的问题:

为什么两个相交的光束,粒子不会被碰撞散开?

在点亮光之前,这些粒子藏在哪?有没有质量?

既然两派谁也无法用自己的学说完美的回答这些问题,这两派就每天吵架,争取弄死对方的学说

然而,波动学说中出了另外一个神人,托马斯*杨。这个既不是玩具店里的火车托马斯,也不是英超曼联队在场上吃了鸟屎的杨,而是一位英国物理学家。.这位老铁在1807年用了一个绝妙且异常简易的实验,让自己名扬四海。这就是物理史上著名的杨氏双缝干涉(忘记是什么的童靴,请自行百度)。总之,在背景墙上投射出的明暗相间的条纹,难倒了所有微粒说的学者,因为无论费尽多大努力,也无法解释为什么两道光叠加在一起会形成黑暗。

而波动的理论,却可以轻而易举的解释清楚:波峰和波谷相互抵消。

坚持波动学说的学者,被牛顿压制了百年之后,终于拿起了杨氏双缝干涉的这个武器,无情的打击着微粒说。

波动学说慢慢成了学术界的主流观点,可是它依然无法回避微粒学说提出的上述几个难以解释的问题,微粒学说并没有完全丧失他们的领地。

当时的物理界中有三个支柱学科

经典力学

电动力学

热力学

无论是天体物理,行星之间的引力,物体的重力,还是电场磁场的作用力,化学中的范德华力,仿佛宇宙中大大小小的物体的规律已经被人类掌握,不管它们怎么运动,都逃不出这些定律的规范。一时间,物理这门学科仿佛进入的鼎盛时期,仿佛今后的物理将再无突破,而只是将前人的定律研究的更精确而已。然而,真的是这样吗?

在前文提到的物理界的光芒万丈中,有一个问题像乌云般悬而未决,那就是黑体辐射问题:

假设一个空心球体,内壁涂满吸收辐射的涂料,外壁开一个小孔,光从小孔射入,因为光无法反射出小孔,因此可被视为黑体。

当时人们已知,物体的辐射能量与温度是有关的,例如一块在火上加热的铁,随着温度的升高,会变红,进而变黄,如果温度再升高,会变成蓝白色。

然而物体的辐射能量和温度之间,到底有什么定量的关系呢?

东普鲁士的一位农民,也是位物理学家,维恩,从粒子的角度出发,提出了一个公式,史称维恩辐射分布公式(在这就不写出来吓跑读者了,感兴趣的请自行百度)

这个公式很奇怪:

短波长范围内—–>公式符合的非常好

长波长范围内—–>公式又偏差的很大

过了一阵子,一个英国的物理学家瑞利,从电磁波的角度出发,和数学家金斯一起,提出了一个公式,成为瑞利-金斯公式

这个公式也很奇怪:

长波长范围内—–>公式符合的非常好

短波长范围内—–>公式又偏差的很大

这就hin尴尬了…

从粒子的角度看,得出了维恩公式,而这个公式只在短波长范围有效;

从波动的角度看,得出了瑞利-金斯公式,而这个公式只在长波长范围有效

同一个现象,怎么能用两个公式来描述呢?况且这两个公式的来源是完全相矛盾的。

如果当时的物理界抱怨他们有一种想死的冲动,我相信我们是可以理解的

天将降大任的时候,总是会有伟人出现的,这次来的,是一个照耀了整个20世纪物理史的德国人,马克思*普朗克

普朗克为了修正维恩公式在长波长范围内的不足,在维恩公式的基础上,普朗克硬凑了一个公式,结果让所有人都惊呆了。

这个新的公式在短波长时,退化为原始的维恩公式,而在长波长时,也能完美的匹配实验数据!

在每一个波段里,实验数据和公式的计算值都十分精确的符合,普朗克黑体辐射公式大获全胜!

在这个物理界为之欢庆的时刻,普朗克的内心是崩溃的,头脑是懵逼的。

为什么?

因为他知其然不知其所以然,你忘了吗,普朗克是偶然间侥幸硬凑出来这个公式的。

当别的物理学家问他公式是怎么推导出来的时候,他应该怎么说呢?硬凑的?

这还在物理界怎么混…?

这还在科学界怎么混…?

经过了对黑体辐射问题6年的探索研究,加上这个无法解释,又异常成功的公式,普朗克已经意识到,一个精确符合实验数据的公式,虽然是侥幸,但是其背后,必然存在这一个尚不为人知的物理规律,必定有某种普适的原则来支撑着这个公式。

可是任凭普朗克左思右想,怎么也无法找到这个公式的理论解释。最终,普朗克做了一个非常大胆也危险的决定:

他决定跳出所有已知的物理常识,跳出这个框,放弃从已知的经典物理角度去解释这个公式。

这个决定,不但成为了普朗克的人生分水岭,也成为了整个物理学的分水岭。

这朵黑色的乌云终于覆盖了整个天空,潘多拉的魔盒终于被打开,经典物理的大厦,即将面临狂风暴雨的侵袭

经过几个星期的紧张工作,普朗克终于看见了黎明的曙光,一个意想不到的景象出现在普朗克的面前,而这个意想不到的景象,是什么呢?

原来普朗克发现,公式的成立,必须有一个假设:假设能量在发射和吸收的时候,不是连续不断的,而是分成一份一份的!

这个假设,现在看起来,好像稀松平常,但是在1900年的这个假设,却推翻了自牛顿以来,长达200年的经典物理世界!

在相当多的情况下,我们都认为,量变是以连续的形式存在的:比如温度从0升高到10度,肯定能找到一个时刻,温度处于3.356度;小汽车从A点经过直线到达B点,你肯定能找到一个时刻,小汽车正处于这条直线上的某一点。

所以我们也一直认为,能量的吸收和释放也是连续的,比如释放100焦耳的能量,人们总会认为能量在某一时刻,等于50焦耳,等于30.333333焦耳,等于11.99999999焦耳。

这种理念是如此直接地植入我们的认知中,显得如此天经地义,同时,连续性,平滑性的假设是微积分的基础,牛顿莱布尼茨的微积分,麦克斯韦尔的方程,均是建立在这样的假设基础上,而普朗克的假设,完全与之背道而驰。

普朗克的公式要求,能量必须只有有限个可能态,它不能是无限连续的,必须有一个最小的单位。就像货币一样,如果最小的货币单位是1分钱,你无论何时,何种状态下,都不存在只支付了0.5分钱的情况。

1900年12月14日,记住这个伟大的日期,普朗克在德国物理学会上,终于向世界打开了潘多拉的魔盒,释放出了这个最小的单位“量子”。

任何能量的传输,都必须以量子为单位,可以是任意整数个量子,但是不能传输1.5个量子。而这个最小单位是多少呢?普朗克给出的公式非常简单:

E是单个量子的能量,v是频率,而那个h就是神秘的普朗克常量。

而普朗克常量h,引力常数G和光速C,并称整个宇宙中最重要的三个常数!

1900年12月14日,量子问世!作者:顺琪自然

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