【文字版】终究还是粒子(第2期)Particle
“普朗克叩开量子理论大门,文字爱因斯坦借光电效应奠基” 十九世纪的版终时候,当时的究还数学已经非常先进了,比如像是粒第微积分、统计学,文字还有广义相对论用到的版终那种,和传统的究还欧式平面几何完全不同的非欧几何等等。在这些给力的粒第数学工具的帮助下,当时的文字经典物理学可以说已经非常成熟了。无论是版终牛顿的经典力学,还是究还麦克斯韦的电动力学,包括热力学,粒第这些都已经被物理学家们研究地相当透彻了。文字 1875年,版终当时正在读大学年仅17岁的究还普朗克,他的导师就曾奉劝他:别学物理了,学点别的吧。用当时流行的话说就是:现在物理学大厦已经基本建成,以后的物理学家们只需要做一些修修补补的工作就行了。类似把一些数值的小数点后多加几位,仅此而已。虽然这些话现在我们听起来像个段子,但作为当时的物理学家们,他们确实是有这个底气的。因为当时几乎所有的实验现象和结果,都有合适理论来解释,而且理论还能和实验结果完美吻合。那时的物理学家们对大自然已经不再是单纯的好奇,而有了一种“世间万物尽在掌握”的感觉。 不过就在一切都看起来非常完美的同时,热力学之父开尔文男爵也提出了一些担忧,也就是所谓的物理学晴朗天空远处的那两朵小小的“乌云”。在1900年的一篇演讲中,开尔文描述了这两朵乌云: 第一朵,是关于光速以及旧的以太观,这朵乌云不久就会被爱因斯坦用狭义相对论而驱散。 而另外一朵,是关于比热问题的能量均分理论,它将引导普朗克正式敲开量子理论的大门。 你可能会有疑问:第二朵不应该是紫外灾难吗?其实在当时演讲稿的原文中,并没有提及黑体辐射和紫外灾难。不过黑体辐射和比热问题有一定关系,而且后来在这方面先有了一定突破,所以才被大家当做第二朵乌云。 图:开尔文男爵 01 — 黑体辐射 那具体什么是黑体辐射和紫外灾难呢?首先黑体辐射是一种现象,紫外灾难指的是对于该现象,依靠当时已有的理论,无法给出合适的解释,所以才被称为“灾难”。 “黑体”可以简单看做就是一个没有外部光源照射的物体,它发出光都是由自身热量导致的热辐射。辐射波长的范围除了可见光波段外,同时也包含了红外线、紫外线这些不可见波段。而且辐射光谱完全由温度决定,就像一块儿烧红的烙铁,发红光代表温度不是太高,如果发蓝光,则说明温度比较高。其实通常高温时因为包含了各个波段的光,所以实际看起来一般会发白。另外关于波长和辐射强度的具体关系,实验物理学家早已非常精确的绘制出了对应的曲线。 这时候物理学的方向,主要还是由实验物理学家来主导。也就是先发现某个现象,然后理论物理学家再来通过一顿推导,从理论上给出合理的解释。对于黑体辐射的曲线,理论物理学家起初也是信心十足:毕竟当时的热力学、统计物理都已经非常发达了,黑体的辐射无非就是电子振动产生的电磁波,想着怎么着也能给算出来。 但是后来理论物理学家们纷纷在这里栽了跟头,物理学竟然在这里失效了!倒也不是说理论完全没法给出解释,只是每个理论都只能解释其中一部分现象。比如常用的瑞利-金斯公式,它在低温情况下还基本符合,但随着温度升高,曲线将变得越来越陡峭。在靠近紫外线部分时,黑体发出的能量竟然是无穷大,这显然是不可能的。所以这个问题就被称为“紫外灾难”。 图:紫外灾难 当时的大部分研究黑体问题的物理学家,都在尝试用经典理论来推导,包括当时已经42岁的普朗克。他在反复研究无果的情况下,决定尝试换个思路:能不能先不管物理推导,直接在数学上凑一个公式出来。随后,他还真就硬生生凑出来了一个公式。由于这个公式完全没有推导过程,所以普朗克随便先找了个期刊发表出来,然后再考虑怎么从物理角度解释这个公式。 好在普朗克本身就是搞热力学和统计力学的,经过几个月研究后他发现:只需要满足一个物理假设,就可以推导出该公式。那就是:假设光波的能量不是连续的,而是一份一份的。具体每份的能量,由光的频率决定。也就是E=hν,其中h是普朗克常数,ν是光的频率。然后整体光的总能量,则是这每一份能量的整数倍。然后根据热力学,虽然高频率的光一份的能量比较大,但是它出现的概率相对较低。所以整体的辐射就没那么多,因此不存在能量无穷大的问题。 图:普朗克公式 虽然普朗克的这个解释确实避免了紫外灾难,但是引入的这个“一份一份能量”的说法,实在有点太颠覆了。能量这种东西怎么可能是不连续的?所以这个“普朗克公式”发表后,并没有引起重视,大家只是把他当做一种非主流的解释,听听就算了,完了还是继续在经典理论中去寻找答案。像之前说的那个“瑞利-金斯公式”,它其实是在“普朗克公式”发表5年后才正式提出的,可见当时大家对普朗克的量子解释多不当回事。毕竟对于这“一份一份的能量”,它在物理上究竟意味着什么,普朗克自己也想不明白。 第一个将天机说破的,还要说是我佛爱因斯坦。在著名的“爱因斯坦奇迹年”1905年,包括最有名的狭义相对论在内,这一年里爱因斯坦一共发了六篇论文,其中一篇是关于光电效应。也正是凭借这篇论文,爱因斯坦拿到了他一生中唯一的一个诺贝尔奖。不过那都是后话了,在这篇文章刚发表时,其实它并没有引起多大反响。 02 — 光电效应 先解释下什么是光电效应? 它指的是这样一个实验:当把一束光照在金属板上时,金属板有时候会向外发射电子。用经典理论来解释的话,就是电磁波携带的能量转化成了电子的动能,所以电子跑了出去。但这里面有个反常的现象:就是当你用红色光去照时,不管光线有多强,电子都很难跑出来;但是当换成绿色光时,电子就很轻松地跑了出来;而如果换成蓝色光的话,电子不光能跑出来,而且跑得还很快。按照麦克斯韦的理论,电磁波的能量只跟强度有关,和频率没关系。那么只要电子从光波中攒够能量后,就应该能跑出来才对呀。 图:光电效应 对于这个现象,爱因斯坦是这么解释的:假设按照普朗克量子化的思路,因为光是一份一份的,频率越高的光 一份光(也就是一个光子)它携带的能量就会越多,这样它打到电子上,才有可能把它打飞;如果频率太低的话,那么每一份能量就很低,所以无法把电子打飞。 虽然爱因斯坦对光电效应的现象给出了合理的解释,但是这意味着光被重新定义成了粒子,而不是连续的波。要知道,当时整个物理学界都认为:光是一种波,不是粒子!这没什么可争辩的。杨氏双缝实验早就给出了铁证,另外麦克斯韦方程组也解释了几乎所有电磁现象,所以很难让人去相信光不是波,毕竟“既是粒子又是波”这种“波粒二象性”的观念当时还没有。所以爱因斯坦的这篇论文当时也没有受到太多关注,甚至要不是审稿人恰好是普朗克,这篇文章没准儿被退回去也说不定。 图:爱因斯坦年轻时 虽然大家都不关心光电效应的这个解释,不过也可以理解,毕竟爱因斯坦当时还只是个专利局的小职员。但两年后,爱因斯坦把量子思想应用到了固体比热领域,也就是当时开尔文男爵所说的第二朵乌云。这次他的理论引起了一个热力学大佬的注意,也就是提出热力学第三定律的能斯特。能斯特意识到了量子理论的重要性,随后在他的推动下,第一届索尔维会议的主题就是“辐射和量子”,爱因斯坦也应邀参加,报告题目正是“比热问题”。 图:第一届索尔维会议(右二:爱因斯坦) 经过这次会议,量子理论才算是真正被大家重视起来。但是这里面主要还是些年轻人,而对于那些老一辈的物理学家们,他们很多人仍然不接受量子理论的说法。甚至包括普朗克自己,他始终都无法接受“光量子”的概念。此后多年,他仍然在尝试用经典理论解决黑体辐射问题,但是始终没有成功。 如果说当时的普朗克,只是轻轻地将量子理论的大门敲开了一个小缝,然后看了一眼便走开了;那么爱因斯坦则是将这扇门彻底推开,让新一代的年轻人们走了进去。那在量子理论大门之后,究竟隐藏着哪些未知的东西,下期我们接着一同探索。 To Be Continued 俗说量子 by Linvo
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