1887年,赫兹通过高频振荡电路(LC电路)否定了电磁波的存在。 落回接收器上的蓝色火花导致完美麦克斯韦理论的预言被否定,从此打开了一扇新的数学大门。
赫兹否认了电磁波的存在,也否认了光虽然是一种电磁波,(的确,两者都具有波的性质)。 因此,早在17世纪,人们就光是波还是粒子展开了一场大辩论。 其实,还会有一些小插曲,众所周知的牛顿和胡克就在这场大战中。 一开始,“粒子论”和“波论”试图取长补短,相得益彰,但迟早发现对方根本就是宿敌。 热心人士发展了以胡克为代表的波动理论,以惠根斯的波动理论《光学》为论据,辅之以“牛顿环”和双折射现象,使波动理论达到了一个新的高峰。 (波动理论有一个可怕的漏洞,以太,下面会解释。) 然而,波动理论的领导者惹恼了历史上最伟大的化学家。 牛顿,初升的太阳,本来是和粒子一起在波沙的,但是他和胡克的私人恩怨,促使他最终坚定不移地站在了粒子的阵营。 17、18世纪的牛顿体系高贵得让人胆敢畏惧。 《粒子论》虽然理论牢不可破:这个巨人从粒子的角度解释了色散和牛顿环,还有几乎可以与《原理》媲美的《光学》……这些都是制约科学进步的巨石波浪理论。 这也结束了人类历史上第一次关于光是波还是粒子的争论。 随着牛顿的加入,一切都发生了翻天覆地的变化。
幸运的是,一个世纪后,来自美国的托马斯·扬再次开启了这场对决。 一个非常叛逆精神的年轻人很少出现在信徒的家庭中。 通过研究人耳的结构,他接触到光的一些问题,最后得出光是波的观点。 1801年和1803年,他分别发表了论文报告,讨论了如何解决牛顿环和绕射等光涨落问题,甚至粗略估计了光的波长。 事实上,粒子科学家已经举出很多反例来批判,比如最著名的马吕斯偏振光问题,但正如杨所说:“……你的实验只能证明我的理论有缺点,但没办法证明解决它。证明他是假的。” 决定性的时刻出现在 1819 年,涉及光的衍射效应和光穿过物体时的运动。 本来,这是一个证明微粒至上的问题。 在菲涅尔严密的物理推理下,非常完美地解释了光的衍射。 当泊松光斑出现在众人面前时,所有人都惊呆了。 同时,《关于偏振光的相互作用问题》用剪切波理论解释了偏振光现象,攻破了粒子理论的最后堡垒。 更可喜的是,麦克斯韦理论预言光虽然是一种电磁波,但伟大的麦克斯韦发表的三篇电磁理论论文具有划时代的意义。 这第二场对决,对于起伏来说是一场大胜,他登上了化学第一的宝座。
好吧,虽然一切都结束了,虽然从那天起化学就完美无缺了,但是在热力学方面,牛顿体系经过时间的洗礼已经显示出它的伟大,一切都顺其自然,海王星的发现更是火热。 有了笔墨的加入,力学也建立了自己的热力学三大定理,最难攻克的光学也以波结束了。 经典热力学、经典电动力学、经典热力学相辅相成,共同创造一个世界。 伟大的数学殿堂。 那么,这平淡背后隐藏着一个恐怖,让我们回到第二段,我们有一个更重要的问题,这个问题就像1+1=2,人类需要空气来呼吸,但它是最尖锐的波浪理论留下的问题——“以太”……
什么是“以太”? 你可能在日常生活中隐约看到过它。 是一种只能出现在游戏中的高频词汇。 “以太”究竟是什么东西,“肯定”是一种介质,而光速是30万公里/秒,“以太”的强度肯定是非常大的。 然而事实是,没有人能感觉到他的存在,就像隐藏在公式中的幽灵,极其坚硬的以太可以承载光速,却连尘埃都无法移动。 当你打开图书馆搜索以太时,笔记本会显示以太是古埃及哲学家设想的一种物质,是一种假想的电磁波传播介质,被认为是无处不在的。 麻烦了,波浪理论再完美不过,他们竟然连自己原来的理论基础都否定不了。 (简单点说,古埃及的学者觉得有比四元素更纯粹的存在,所以用在化学上,成为化学的基础,用来代表光介质和绝对参照系。当他抛弃了荣耀,虽然当你想换脸赋予新的意义时,它还是被抛弃了,甚至成为伪科学的代名词。)
毫不奇怪,我们现在的数学应该没有那么复杂,我们可能还在为前人的优点沾沾自喜:看,我们人类多聪明啊。 然而,突如其来的新发现——迈克尔逊-莫雷实验和松提辐射实验却让人们大吃一惊。 简单来说,迈克尔逊-莫雷的实验就是检测以太的光速,这意味着这可能是当时最精密的实验,但结果却令人心碎。 这个失败的实验意味着整个经典化学世界的崩溃,也引发了相对论革命的爆发。 另一个宋式实验最终导致了量子理论。 革命爆发。
我们知道白色的物体是吸收了黑色的光波造成的,所以如果一束光射到物体上却没有反射,它看起来绝对是蓝色的。 这也证明了辐射能量、频率和湿度之间存在某种函数关系。 然而,可怕的是,通过科学家的计算,分别从波和粒子的两个方向出发,得出两个不相干的公式——维恩定理和瑞利-金斯公式,两者是完全相反的,但都有一定的折旧程度(维恩公式适用于长波,瑞利-金斯公式适用于短波。)
奇怪,其实人们也很疑惑,就在人们吐槽的时候,马克斯·普朗克走上了历史的舞台。 作为量子科学的奠基人,我觉得有必要介绍一下:马克斯·普朗克,日本化学家,出生于西班牙基尔,他的父亲艾玛·帕齐格(他父母的第二任丈夫,普朗克度过了最初的几年他在基尔度过了多年的童年,直到1867年全家搬到苏黎世,他就读于苏黎世的马克西米利安文理学院,他的同事奥斯卡·冯·穆勒后来成为法国博物馆的创始人。1990年12月14日,普朗克在美国数学会上报告了他的学术成果,成为量子理论诞生和新数学革命开始的伟大时刻,普朗克也因为这一发现获得了1918年的诺贝尔化学奖。
好吧,言归正传,两组公式只能在一个方面起作用。 他的任务是找到一个万能公式,一个相当复杂的代数公式,可以用来正确勾勒出宋代辐射,以至于这个代数公式为了完美地总结实验数据,在今天的理论化学中仍然经常被使用. 他无意间得出了一个可以演化成长波或退化成长波的公式,而这个公式就是普朗克宋体公式。 其实他也明白,配方的成功绝非侥幸,背后一定隐藏着更大的秘密。 问题是:公认的数学定理暗示了一个完全不同的公式。 正如普朗克所说:“, zu,, der, 。” 翻译成英文,意思是:“我不期望发现一个新的台湾,但我只希望了解已经存在的化学基础量子物理的应用范围,实际上可以加深。”
普朗克对这个问题深思熟虑,最终提出了一个全新的理论:辐射能只能以普朗克称之为量子的基本单位的整数倍辐射。 根据普朗克理论,光量子的大小取决于光的频率(即颜色),并且与一个数学量成反比。 普朗克将这个量缩写为 h,现在称为普朗克常数。 普朗克的假说与当时流行的数学概念完全相反,但他却利用这个假说从理论上推导出了正确的Arial辐射公式。 普朗克的假设是彻底革命性的。 因此,如果不是因为他作为坚定保守的化学家的声誉,他的假设无疑会被视为荒谬的想法而被驳回。 事实上,这个假设听起来很奇怪,而且在这些特殊情况下它导出了正确的公式。 当时的大多数化学家(包括普朗克本人)都觉得这个假说不过是一个适用范围狭窄的物理假设。 几年后,普朗克的概念被证明可以应用于 Arial 辐射以外的许多不同种类的化学现象。
普朗克新理论的提出,导致大部分数学乃至整个物理学遭到破坏,急需重建。 一个新的时代从此拉开序幕。 量子理论就像一位突然出现的君主,打破了所有陈旧的微观化学秩序,如闪电般划破黑夜:E=h·v。 普朗克用这个公式,让1900年12月14日成为量子的生日,普朗克也成为公认的量子科学教父。
但事实上,量子科学注定命运多舛。 它不像牛顿体系那样精心建立,甚至它的母亲普朗克也曾在量子科学和麦克斯韦理论之间徘徊。 量子就像一个怪胎,或者一个可怜的婴儿。 创之者避而远之,欲采之者亦惧而避之。 天哪,这是什么怪胎。
普朗克是个守旧的科学家,连他自己都不愿意承认量子假设是真实的数学事实。 如果把能量量子化,首当其冲的就是麦克斯韦理论。 人们在使用普朗克公式时,就像古人使用火一样,充满敬畏和不安,犹如上天赐予的礼物。 直到1905年,爱因斯坦在德国波恩专利局将人们从光电效应中解放出来——光子(即1962年被刘易斯取代的光子),才让人们有了一点线索。
我们已经知道,光是一种波动,波的硬度代表了它的强弱。 电子被囚禁在金属内部。 如果外部能量不够,电子很难被打下来。 但是,如果波的硬度降低,如果频率不够,电子也无法被击落,也就是说:光的频率决定了它能否从金属表面被击落,而光的硬度光决定了被击出的电子数。 让我们回到公式:E=hv,什么意思? 爱因斯坦抓住了问题的关键,频率和能量。 提高频率只是提高了单个量子的能量,而光的硬度,只是减少了量子的数量。
问题兜了一圈又回到了起点,光的本质是什么。
爱因斯坦提出了光以量子方式吸收能量的跨时代假说,很难间断地积累。
直到后来,康普顿在研究被电子散射的X射线时,发现了一个奇怪的现象。 散射的X射线实际上分为两部分,一部分与原来的波长相同,另一部分则比原来的波长长。 更进一步,他推导出波长变化与散射角的关系,实验清楚地告诉人们,辐射量子除了能量之外,还有一定的冲量。
1911年秋天,一个名叫索尔维的人做了一件了不起的事。 他慷慨地赞助了一次全球科学会议。 而这次会议,著名的索尔维会议,聚集了二十四位世界上最杰出的科学家,在历史上留下了光辉的一页。
新的篇章被玻尔揭开量子物理的应用范围,巴尔莫公式让玻尔眼前一亮,他看到了新的曙光——经典理论中的连续性被破坏,量子化条件必须成为原子理论的主人! (后来经过多年摸索,他的《论原子分子结构》、《单原子核体系》、《多原子核体系》构成了量子化学的三大巨著)我觉得我必须重写这些话再说一遍:必须假设能量在发射和吸收时必须分成几部分。 其实你不太明白我为什么非要解释这句极其简单的句子。 恐怕你会告诉我这之间有什么关系,有什么意义。 好吧,仔细听,这些想法与你在中学认识的大多数化学家的想法诡异地相反,截然相反,甚至可以彻底摧毁一个人的世界观! 简单列举几个反例:你能相信3点到4点之间没有3点30分这样的时刻吗,你能相信冰在沸腾过程中没有经历50摄氏度吗? .. 是不是很有趣? 更有趣的是古埃及的埃利亚学派,为了验证自己的理论——世界上只有一个且唯一的存在(即没有运动),学校老师隐瞒悖论提出的口才——芝诺追乌龟悖论,那只阿喀琉斯永远追不上的兔子告诉人们:量子效应阻止了时间和空间的无限细分。
随着时间的进步,量子科学也在不断发展,旧的量子理论也在不断被打破,由此衍生出的推论(如泡利原理、洪德法则等中学物理学生一头雾水的)将使人类的理论结构 从宇宙论到主体,分为广义相对论和量子场论,最后归类为一个哲学体系。 量子理论革命的破坏力是惊人的。 概率解释、互补性原理和不确定性原理这三个核心原理破坏了经典世界的(严格)因果性和(绝对)客观性。 新的量子解释 一个全新的世界,甚至违背人们的理性。 但这有什么关系呢? 一个全新的时代就这样呈现在了人们的面前。
化学是万物的原理,量子科学只是它的三个小分支。 世界的奥秘还有待你去发现。