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粒子可以變成波，波也可以變成粒子，波會“坍縮”，而上帝真的會擲骰子。 上期咱們已經(jīng)了解了，在宇宙這樣宏大的尺度上，愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論體現(xiàn)出了人類智力的最高成就。直到今天，科學家和工程師還在利用它們解決各種問題，這些問題有的深奧，有的普通，涉及到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妗?/p> 狹義相對論和廣義相對論之所以被認為是可信的，是因為現(xiàn)在可以通過對合并的黑洞、幾十億光年外的超新星這些遠離日常生活經(jīng)驗的事物進行科學觀察和測量?？墒?，這些理論也許過于宏大，反而使得我們有些忽視了對質(zhì)量本質(zhì)的理解，而對于物質(zhì)思考的重點，還需要回到物質(zhì)本身上來。 我們再把目光集中到古希臘原子論者的探索精神上來，更加仔細地觀察宇宙基本組分的小尺度結(jié)構(gòu)，雖然我們只能看到其中大約4.9%的普通物質(zhì)。但是還是要提醒一下各位，做好心理準備，因為最終得出的結(jié)論將會是顛覆性的。 咱們正式開始接下來的探索之旅。 永動機為什么造不出來 自從牛頓時代以來，物質(zhì)由原子構(gòu)成的觀點在科學界已經(jīng)有了一定的基礎，但在19世紀末20世紀初，仍然有許多物理學家固執(zhí)己見，并不認可原子的存在，主要是因為在那個年代并沒有證據(jù)能夠證明原子的存在。 德國物理學家馬克斯·普朗克就是其中之一，普朗克是經(jīng)典熱力學的大師，而這門學科是由他的勁敵、奧地利物理學家路德維?！げ柶澛茝V開的。 路德維希·玻爾茲曼 玻爾茲曼認為，如果物質(zhì)確實由原子構(gòu)成，那么像熱能和熵（衡量物理系統(tǒng)無序程度的量）這樣的熱力學量，就是對數(shù)以億計的單個原子或分子的性質(zhì)和行為進行統(tǒng)計平均的結(jié)果。 日常生活中，水的溫度代表了所有分子的隨機運動和動能的統(tǒng)計平均值。給水加熱就是增加了它們運動的速度，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是水溫上升。但是，這種統(tǒng)計方法處理的是可能性而不是確定性。一些熱力學變量會確定無疑地遵循某些定律，其中最為著名的就是熱力學第二定律。 在一個不受外界影響的封閉系統(tǒng)內(nèi)，無論發(fā)生何種自發(fā)變化，該系統(tǒng)內(nèi)部的熵總會增加，混亂將統(tǒng)治一切，這是整個宇宙都無法逃脫的命運。這也是永動機不可能做出來的原因。 普朗克是沒有辦法接受這種說法的，他要找到一種方法來證明玻爾茲曼提出的這種統(tǒng)計的方法是錯誤的。 1897年，普朗克選擇了所謂“黑體”輻射的性質(zhì)作為論述的基礎。任意物體被加熱到高溫時都會發(fā)光，溫度越高發(fā)出的光的強度也就越大，并使其輻射光的頻率升高，也就是波長會變短。在一個物體溫度逐漸升高的過程中，它首先會發(fā)出紅光，然后會依次變成橘黃色、亮黃色，最終變成明亮的白色。 理論物理學家采用了一種基于“黑體”概念的模型，將物體發(fā)光的理論進行簡化。所謂“黑體”就是一種完全不會反射光的物體，其發(fā)出輻射的強度完全取決于其包含的能量。 1893年，奧地利物理學家威廉·維恩提出了維恩公式，很多人就開始做實驗來驗證這個公式。普朗克認為維恩的推導過程不大令人信服，假設太多，似乎是湊出來的，只能算是“半經(jīng)驗公式”。普朗克花了幾年時間才把這個問題搞定，從電磁學理論入手，推導出了維恩公式。他不知道的是，后來一個愣小子自己在家里面也悶頭推算了一遍，跟他的結(jié)果一樣，這個愣小子就是愛因斯坦。 維恩公式是有局限性的，物體溫度在800K~1400K左右，數(shù)據(jù)跟維恩公式符合得很不錯，但是低溫部分對不上，物理上叫作“系統(tǒng)性偏差”。這個時候，英國這邊的瑞利爵士看到維恩公式的偏差，他自己也寫出了一個公式。低頻部分跟實驗符合得很不錯，高頻部分即便不做實驗都知道問題很大，因為他的公式在頻率很高的時候會出現(xiàn)被零除，結(jié)果無限大，這個叫“發(fā)散”，物理學家都不愿意看到這個結(jié)果。瑞利公式在高頻段出現(xiàn)的這種發(fā)散被稱為“紫外災難”。 普朗克在這兩個公式的基礎上湊出了一個公式，通過實驗驗證，與實際吻合的還不錯，這就是輻射定律，這一定律中出現(xiàn)了兩個基本物理常數(shù)，一個與溫度有關，被稱為玻爾茲曼常數(shù)，另一個與輻射頻率有關，被稱為普朗克常數(shù)。 他們說要有光子 定律很完美，但實際上只是一條根據(jù)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的數(shù)學公式而已，普朗克需要做的是為它找到深層的理論詮釋。他采用的方法與玻爾茲曼略有不同，但他也發(fā)現(xiàn)，黑體輻射的發(fā)射和吸收能量的過程就像它們是由離散的“原子”組成的一樣，是一份份的，他將其稱為“能量子”。 隨著普朗克研究的深入，他逐漸接受了原子論的觀點。1900年12月14日，普朗克在德國物理學會每兩周一次的例會上提出了他對于輻射定律的全新推導。就是這一天標志著量子革命的開始。 愛因斯坦對普朗克的推導結(jié)果態(tài)度非常謹慎，他認為湊公式是一種投機取巧的做法，實際上并不盡如人意。到1905年時，關于原子和分子存在的證據(jù)越來越多，物質(zhì)由微粒構(gòu)成的觀點也占據(jù)了主導地位，而這也是愛因斯坦在關于布朗運動的論文中所提出的觀點。 在愛因斯坦發(fā)表的另一篇論文中提出，普朗克公式的物理意義應當是電磁輻射中本身就包含“能量子”，這就是愛因斯坦著名的“光量子假說”。 可是，還有太多的實驗證據(jù)可以證明光的波動特性，比如光的衍射和干涉，而且它們只能用波動模型來解釋。愛因斯坦由此假設，這兩種截然不同，相互矛盾的描述，最終可能會在一種混合理論中得到調(diào)和。他相信，所謂波的行為，實際上是許多單個的光量子在時間上的平均值，是一種統(tǒng)計學特性。 1915年，美國物理學家羅伯特·密立根在實驗中證實了光電效應，愛因斯坦也因此獲得1921年的諾貝爾物理學獎?！肮饬孔印钡母拍罱K于被人們接受，美國化學家吉爾伯特·劉易斯在1926年將其命名為光子。
原子是物質(zhì)的盡頭嗎 除此之外，關于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)還有1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了帶負電荷的電子，這意味著原子其實具有某種內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 1909年，盧瑟福又揭開了更多的秘密，他在曼徹斯特與助手漢斯·蓋革和歐內(nèi)斯特·馬斯登一起，證明了原子的大部分質(zhì)量都集中在一個很小的中心核上，較輕的電子繞著這個中心旋轉(zhuǎn)，就像行星環(huán)繞著太陽一樣。原子的內(nèi)部基本上是空的，盧瑟福的行星模型成為了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化圖像。 與太陽和行星不同的是，電子和原子核都帶有電荷。從麥克斯韋的理論和無數(shù)的實驗中可以得知，這種模型的原子本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，它們會在極短的時間之內(nèi)坍塌。 1913年，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾對電子的軌道產(chǎn)生了興趣，他想知道，有沒有可能電子圍繞中心質(zhì)子的公轉(zhuǎn)軌道也像地球軌道一樣是固定的，只是這樣的軌道不止一個，而是有好幾個，其能量都不相同。 這種情況下，電子在吸收光以后，就會離開一個軌道，轉(zhuǎn)移到另一個能量更高、離原子核更遠的軌道上；相反，當電子回到能量較低的內(nèi)層軌道上時，它會發(fā)出光，其頻率由兩個軌道之間的能量差決定。 這是將量子原理塞進經(jīng)典概念中的又一個例子，但不管怎樣這都是具有重大意義的一步。用于表征電子軌道的整數(shù)被稱為量子數(shù)，而在不同軌道之間發(fā)生的轉(zhuǎn)移或“轉(zhuǎn)變”則被稱為量子躍遷。玻爾為了把量子條件強行添加進來才引進了量子數(shù)，但是他并沒有解釋量子數(shù)從何而來。直到十年后，這個問題才真正有了答案。 1923年，法國物理學家路易·德布羅意公爵將兩個偉大的方程式結(jié)合到了一起。一個來自狹義相對論，另一個來自普朗克的輻射定律和愛因斯坦的光量子假說。既然它們都是光子能量的表達式，那么將它們結(jié)合到一起又有什么不可以呢？ 德布羅意關系的等式左邊是波長這個波的特性，右邊則是動量這個粒子的特性。這就表明，從某種奇怪的意義上說，光子既是波又是粒子。這本身已經(jīng)是一個相當了不起的結(jié)論了，但是德布羅意的進一步推導更加令人驚嘆。 路易·德布羅意 這是一個更加反直覺的觀點，有質(zhì)量的物體都會具有波的性質(zhì)，是不是不符合我們的日常經(jīng)驗。我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|的物體相對粒子來說質(zhì)量較大，動量也很大，而普朗克常數(shù)的值非常非常小，根據(jù)德布羅意關系計算一個高速移動中的網(wǎng)球的波長，就會得到一個極小的數(shù)值，這么短的波長正常人是很難感覺到的。 德布羅意發(fā)現(xiàn)，也許可以建立這樣一個模型，一個“電子波”被限制在圍繞原子核的圓形軌道上，就可以很自然地推導出之前由玻爾引入的量子數(shù)。而且他還推斷，玻爾所提出的穩(wěn)定的電子軌道可能代表駐波，就是一種既不前進也不后退的波。這樣，要使圓形軌道中產(chǎn)生駐波，電子的波長就必須和軌道周長關聯(lián)在一起。 現(xiàn)在原子的存在不僅已經(jīng)被接受了，并且我們還發(fā)現(xiàn)原子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中有一個位于中心的原子核以及圍繞其運行的電子，但是原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)實在相當令人費解。原子已經(jīng)可以繼續(xù)分割下去，那么科學家們什么時候才能發(fā)現(xiàn)不能再分割的物質(zhì)？粒子也可以是波，這又意味著什么呢？ 這些問題咱們下期再說。 相關文章鏈接 “科學大嘮嗑”是悅讀讀書會新增添的一個欄目，每周更新一次，作者是書友們所熟悉的“牧羊人”張喆老師。他曾組織過我們讀書會開展天文線下活動，也是《時間簡史》、《上帝擲骰子嗎？》的領讀者。對于天文愛好者，此欄目是一個相當大的福利。對天文還未有過了解的書友們，這也是一次增長天文知識的機會。期待張老師下一次更新！ |
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