△一个新的起点——量子论的创立 

量子论是在探求解释“黑体辐射”中的“紫外灾难”的基础上产生的。当许多物理学家致力于寻找辐射强度与温度的关系,而又得不出圆满的答案苦苦探寻时,普朗克别具一格,把注意力放到寻找辐射强度与熵的关系上。

普朗克量子假说

马克斯·普朗克是德国的理论物理学家。他19岁考入古典皇家马克西米连大学预科学校,不久就绽露了数学的才能。他对音乐与文学有着浓厚的兴趣。大学毕业后,他就开始研究物理学,1877年获得物理学博士学位,1880年又获得慕尼黑大学授予的特别奖状。1894年,他成了柏林物理学界最著名的物理学家。当时一份文件指出:“普朗克现在在数学物理学当中也许享有最高的科学威望,并作为一个教师博得了赞扬。”

普朗克一生在科学上提出了许多创见,但贡献最大的还是1900年提出的量子假说。为了解决在黑体辐射中维恩公式和瑞利公式不能解决的问题,普朗克使用内插法把维恩公式和瑞利公式联系起来。1900年10月19日在《维恩辐射定律的改进》一文中,公布了著名的普朗克公式。同年12月24日普朗克在德国物理学会上,宣读《关于正常光谱的能量分布定律的理论》,大胆提出量子假说:辐射是不连续的,而象物质一样,只能按个别的单元或原子来处理。这些单元的吸收和发射,服从在物理学与物理化学的其它分支中早已广泛使用了概率原理。辐射出的能量,其单元大小并不一样,而与其振荡频率成正比。所以只有拥有大量可用的能量时,振子才能拥有和发射出高频率的紫外线;因为振子拥有这样的单元的机会很少,所以其发射的机会和发射的总能量也都很小。只有某段频率适中的范围内,单元的大小适中,机会也好,于是发出的单元数目可以相当大,而其总能量便到达其最高值。当时,普朗克公式受到学术界的欢迎,但意义重大的量子假说却被冷遇。普朗克在寻找他的公式的物理意义,采用玻尔兹曼的连续能量分立的形式,“孤注一掷”地提出量子假说。因为思想深处受着经典理论的束缚,所以把自己的创举只作为“纯形式上的假设”。几经反复,直到1915年他才认清了量子论的重大意义。量子论的新主张使经典物理学的许多问题迎刃而解。在量子论的指引下,微观物理学取得重大成就,成了20世纪物理学的主流。

爱因斯坦的光量子论

当量子假说刚提出而被冷遇的时候,德国青年物理学家爱因斯坦以卓越的洞察力看到了它的重大意义。他从普朗克量子假说得到启发:现有物理学认为物体是由一个一个的不连续的原子组成的,为什么光却是连续的呢?1905年,爱因斯坦发表了《光的发射与转化中所得到的启示》的重要论文。在这篇文章中,他明确提出了光的量子概念。他认为,光是由一粒粒大量运动着的“光子”组成的粒子流,光在发射与吸收的瞬间,既不是弗雷内尔的稳定以太波,也不是麦克斯韦和赫兹的连续电磁波。它好象一团团的微量的能量组成的流;这类能量的细团几乎可以看成光的原子,虽然与牛顿的微粒不同类,而却与之相当。爱因斯坦的光量子假说,正确揭示了光的波粒二象性的本性。他成功地解释了光电效应的实验规律,从而解决了经典物理学在新实验面前的一大难题。爱因斯坦的光量子假说提出之后,引起了物理学家们的重视。

1923年,美国物理学家康普顿在实验中,发现X射线中的光子就呈现出粒子性质。它无可辩驳地证明了光子的存在,对光量子理论作了有力的证明。这一发现被称为“康普顿”效应。数百年来人们对光的本性的探索,至此有了正确的结论,从而结束了光的“波动论”与“微粒说”旷日持久的争论。光的波粒二象性在宏观世界里极不明显,通常不可能被直接觉察。因而是很难理解的。但是在微观世界里,连续的波和不连续的粒子之间的对交流关系是很明显的。一般说来,物质的波长愈长,能量愈小,波动性就愈显著。反之,波长愈短,能量愈大,粒子性就愈显著。爱因斯坦光量子说的提出,在光学乃至整个物理学思想的发展中是具有革命性质的一次飞跃,它不仅克服了解释光电效应的困难,结束了光的本性的长期争论,而且直接推动了量子力学的产生与发展。

玻尔的原子结构量子化轨道理论

1913年,丹麦物理学家玻尔提出了量子假说,假说中首次提出定态概念和跃迁概念。他认为在特定轨道绕核作圆周运动时,不吸收也不辐射能量,这些状态称为定态,定态原子只可能具有一定的分值能量,而不能有连续的能量。这是一种全新的思想,但玻尔的质点、轨道等,仍沿用经典力学的概念,所以玻尔理论仍是经典理论和量子论的混合物,不能计算光谱的亮度和光子数目。

德布罗依物质波

德布罗依生于法国和厄普的一个贵族世家,早年就读于索邦大学和巴黎大学,学习历史和法学,曾获得历史学学士学位。在玻尔理论遇到困难时,于1924年提出的描述微观粒子波动性的物质波动论,为建立量子论迈出了重大的一步。由于这一理论,使他于1929年荣获诺贝尔物理学奖。当爱因斯坦发表光量子论得到密立根、康普顿的实验证实后,深刻地影响着德布罗依。德布罗依研究了光的微粒说与波动说的历史,注意到哈密顿曾讲过几何光学与经典力学的相似性,他想:几何光学不能解释光的干涉和衍射,经典力学也不能解释微观粒子的运动。有必要创立一种具有波动特征的新力学,它与旧力学的关系,因此如同波动光学与几何光学的关系一样。”1923年,31岁的德布罗依向法国科学院递交了三份摘要,提出了物质波的假设。德布罗依的物质波轰动了当时整个学术界,经典物理学的卫道士们对此惊讶不解,其他大多数学者也持怀疑态度。因为,按照经典物理学的观念,粒子和波的形态是完全不同的两种物质形态;粒子性属于实物而波动性属于光和场。他们无法理解这两种性质辩证统一正是自然界一切物质的普遍性质。1924年4月在第四届东尔维国际物理学会议上,法国物理学家朗之万向爱因斯坦谈了德布罗依的研究,引起了爱因斯坦的注意,认为德布罗依的实物粒子也具有波粒二象性的理论,表明了自然界的对称性,“揭开了巨大面纱的一角。”爱因斯坦十分赞赏德布罗依的工作,他说:“德布罗依的工作给我留下了深刻的印象,一幅巨大帷幕的一角卷起来了。”事实上,德布罗依的工作,不仅给爱因斯坦留下了深刻的印象,而且给薛定谔以极大的启发。德布罗依的发现在两个对立的,看起来好像是互相排斥的波与微粒之间架起了一座桥梁,他是继爱因斯坦之后又进一步揭开了物质微粒波粒二象性,使量子理论的研究实现了一次重大突破,直接促进量子力学的诞生