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量子理論

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中文名稱: 量子論

別稱: 量子力學

提出者: 普朗克

提出時間: 1900年

適用領域範圍: 黑體輻射

量子理論,19世紀末20世紀初,物理學處於新舊交替的時期。生產的發展和技術的提高,導致了物理實驗上一系列重大發現,使當時的經典物理理論大廈越發牢固,欣欣向榮,而唯一不協調的只是物理學天空上小小的"兩朵烏雲"。但是正是這兩朵烏雲卻揭開了物理學革命的序幕:一朵烏雲下降生了量子論,緊接着從另一朵烏雲下降生了相對論。量子論和相對論的誕生,使整個物理學面貌為之一新。[1]

量子論是現代物理學的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關於自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質世界的基本規律,為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等。

量子理論的發展與建立

該文回顧了從量子理論提出到量子力學建立的一段歷史,詳細敘述了在量子理論發展過程中每一種新的思想提出的曲折經過。

馬克思有句名言:"歷史上有驚人的相似之處。"正處於新的世紀之交的20世紀的物理學碩果纍纍,但也遇到兩大困惑--夸克禁閉和對稱性破缺,這預示着物理學正面臨新的挑戰。重溫百年前量子論建立與發展的那段歷史,也許會使我們受到新的啟迪。

歷史的孕育

在19世紀末,經典物理學理論已經發展到相當完備的階段,幾個主要部門--力學,熱力學和分子運動論,電磁學以及光學,都已經建立了完整的理論體系,在應用上也取得了巨大成果,其主要標誌是:物體的機械運動在其速度遠小於光速的情況下,嚴格遵守牛頓力學的規律;電磁現象總結為麥克斯韋方程組;光現象有光的波動理論,最後也歸結為麥克斯韋方程組;熱現象有熱力學和統計物理的理論。

在當時看來,物理學的發展似乎已達到了巔峰,於是,多數物理學家認為物理學的重要定律均已找到,偉大的發現不會再有了,理論已相當完善了,以後的工作無非是在提高實驗精度和理論細節上作些補充和修正,使常數測得更精確而已。英國著名物理學家開爾文在一篇瞻望20世紀物理學的文章中,就曾談到:"在已經基本建成的科學大廈中,後輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。"

然而,正當物理學界沉浸在滿足的歡樂之中的時候,從實驗上陸續出現了一系列重大發現,如固體比熱、黑體輻射、光電效應、原子結構……

這些新現象都涉及物質內部的微觀過程,用已經建立起來的經典理論進行解釋顯得無能為力。特別是關於黑體輻射的實驗規律,運用經典理論得出的瑞利-金斯公式,雖然在低頻部分與實驗結果符合得比較好,但是隨着頻率的增加,輻射能量單調地增加,在高頻部分趨於無限大,即在紫色一端發散。這一情況被埃倫菲斯特稱為"紫外災難"。對邁克爾遜-莫雷實驗所得出的"零結果"更是令人費解,實驗結果表明,根本不存在"以太漂移"。這引起了物理學家的震驚,反映出經典物理學面臨着嚴峻的挑戰。

這兩件事被當時物理學界的權威稱為"在物理學晴朗的天空的遠處還有兩朵小小的,令人不安的烏雲"。然而就是這兩朵小小的烏雲,給物理學帶來了一場深刻的革命。

參考來源