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量子理论创造者普朗克:保守与革命的矛盾体

更新时间:2024-10-06 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

第三章量子的兴起XTD物理好资源网(原物理ok网)

量子理论的创始人马克斯·普朗克是一个充满矛盾的人。一方面,他是一个非常保守的人。这可能是因为他的父亲是基尔大学的法学教授,而且他的家族有着悠久而杰出的正直和公共服务传统。他的祖父和曾祖父是神学教授,他的一个叔叔是法官。他工作一丝不苟,行为严谨,是一个得力的建制派成员。因此,从外表上看,这个温和的人永远不可能成为推动历史前进的最伟大的革命者。另一方面,他确实为人类打开了量子世界的大门,粉碎了人类几个世纪以来所信仰的几乎所有概念。是的,这正是他所取得的成就。XTD物理好资源网(原物理ok网)

1900 年,领先的物理学家相信艾萨克·牛顿和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的工作充分解释了我们周围的世界。牛顿定律描述了宇宙的运动,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现了光定律和电磁学定律。从巨型行星在太空中的运动,到炮弹,再到闪电,一切似乎都可以用牛顿和麦克斯韦的理论来解释。据说美国专利局甚至正在考虑关闭,因为所有能发明的东西似乎都已经被发明了。XTD物理好资源网(原物理ok网)

根据牛顿的理论,宇宙是一个时钟。它以精确且预定的方式遵循牛顿运动三定律。这种被称为牛顿决定论的理论体系已经流行了几个世纪。 (现在,我们将这个领域称为经典物理学,以区别于量子物理学。)XTD物理好资源网(原物理ok网)

然而,牛顿决定论有其固有的问题,总有一些细节问题是它无法解决的。人类正是在长期努力解决这些问题的过程中,逐渐动摇了看似复杂的牛顿决定论。XTD物理好资源网(原物理ok网)

古代工匠知道,如果将粘土在炉子中加热到足够高的温度,随着温度的变化,它会发出不同颜色的光。这些热物质首先会变成红色,然后变成黄色,最后变成蓝白色。每当我们点燃火柴时,我们都会看到这种现象。火焰顶部量子霸权的物理学家,火焰呈红色;中心的火焰是黄色的;如果条件合适,火焰底部呈蓝白色。XTD物理好资源网(原物理ok网)

物理学家试图推导出物体受热时的这一众所周知的特性,但惨遭失败。他们当然知道热现象只不过是原子的运动。物体的温度越高,其原子运动的速度就越快。他们还知道原子带有电荷。根据詹姆斯·克拉克·麦克斯韦定律,如果带电原子移动得足够快,它将产生电磁辐射(例如无线电或光)。热物体的颜色反映了辐射的频率。XTD物理好资源网(原物理ok网)

因此,利用牛顿原子理论和麦克斯韦光理论,可以计算出热物体发出的光。所以当我们探索这个层面时,所有的理论仍然适用。XTD物理好资源网(原物理ok网)

然而,在进一步进行实际计算时,这两个理论体系都面临着巨大的困难。人们发现,根据这两种理论的定律,高频条件下发射的能量应该是无穷大,这在现实中根本不可能发生。这被称为“瑞利牛仔裤灾难”。这一现象向物理学家揭示了牛顿力学存在巨大的漏洞。XTD物理好资源网(原物理ok网)

有一天,普朗克试图在物理课上推导“瑞利-詹斯灾难”,但使用了一种奇怪而新颖的方法。他厌倦了推断这场灾难的传统方法,因此他提出了一个不同的假设,更纯粹是出于教学原因。他假设原子发射的能量只能在称为量子的更小的离散能量包中找到。这个假设实际上比传统的假设更具颠覆性,因为牛顿方程强调能量是连续的而不是离散的能量包作为单位。然而,当普朗克采取不同的方法并假设能量以一定大小的包的形式存在时,他反而准确地找到了一条正确反映光产生中温度和能量之间关系的曲线。XTD物理好资源网(原物理ok网)

这是一个前所未有的发现。XTD物理好资源网(原物理ok网)

量子霸权的物理学家XTD物理好资源网(原物理ok网)

量子理论的诞生XTD物理好资源网(原物理ok网)

这一发现是最终创造量子计算机的漫长旅程的第一步。XTD物理好资源网(原物理ok网)

普朗克的革命性发现颠覆了牛顿力学的完整性,预示着新物理学的出现。人类原有基于牛顿力学理论体系对宇宙的认识势必被彻底改写。XTD物理好资源网(原物理ok网)

然而,普朗克是一个彻底的保守派。他非常仔细地用外交术语解释了自己的学术发现网校头条,并进一步提出,如果以这种离散的能量包作为假设基础来开展相关研究,那么人类可以更准确地描述实际存在的能量变化所遵循的曲线。自然。XTD物理好资源网(原物理ok网)

为了便于计算,普朗克为这一发现引入了一个代表能量量子大小的数字。他称之为h(普朗克常数,6.62...×10-34焦耳秒),这是一个非常小的数字。在这个世界上,人类根本无法直接观测到量子效应,因为h太小了。但如果你能以某种方式改变h,那么人类就可以继续从量子世界转变到我们熟悉的日常世界。就像可调收音机的螺丝控制一样,我们可以将普朗克常数调整到最低值,一直到 h=0。在这种情况下,量子世界就转化为我们所熟悉的牛顿力学起作用的常识世界,那里不存在量子效应。但另一方面,如果将普朗克常数调整到最高水平,那么我们就会拥有一个总是基于量子效应的奇怪的亚原子世界。正如物理学家后来发现的那样,这个世界与物理学的学术领域相似。 “暮光之城。”XTD物理好资源网(原物理ok网)

当然我们也可以将其应用到计算机领域。如果我们将 h 设置为零,那么我们得到的是经典图灵机。而如果我们让h变大,那么量子效应就开始出现,所以我们可以沿着这个路径逐渐把经典图灵机变成量子计算机。XTD物理好资源网(原物理ok网)

尽管普朗克的量子理论得到了几乎无可争议的实验数据的支持,并且可以说开辟了物理学的一个全新分支量子霸权的物理学家,但他多年来一直受到经典牛顿思想的顽固追随者的追捕。普朗克在描述这场反对风暴时写道:“新兴的科学真理可能无法通过说服那些坚持旧理论的对手并希望他们看到理性之光而获胜,而只能通过等待。相信旧理论的反对者最终都死了,熟悉这个真理的新一代成长起来。”XTD物理好资源网(原物理ok网)

事实上,无论旧理论的信徒多么强烈地反对量子理论,他们都无法扭转越来越多的证据开始支持量子理论的趋势。量子理论无疑是正确的。XTD物理好资源网(原物理ok网)

例如,当光照射在金属上时,它可以击出电子并产生小电流,从而产生“光电效应”。这种效应就是太阳能电池板能够吸收太阳光的光能并将其转化为电能的原因。 (太阳能技术已广泛应用于多种类型的电器中,例如使用太阳能电池代替传统电池的太阳能计算器,以及将被拍摄物体发出的光转换为电信号的现代数码相机。)XTD物理好资源网(原物理ok网)

为这种效应提供最终解释的物理学家身无分文,默默无闻,在瑞士伯尔尼一家不起眼的专利办公室里辛苦工作。作为一名学生,他错过了太多的课程,以至于他的教授在推荐信中没有对他说任何好话,导致他毕业后申请的每一个教职都被拒绝。事实上,他经常失业,打零工来维持生计,比如当家教、推销员等。他甚至给父母写了一封自欺欺人的信,信中他说如果他不做可能会更好。从一开始就诞生在这个世界上。最终,他成为专利局的一名初级职员。相信大多数读者听完之后都会认为他是一个彻头彻尾的失败者。XTD物理好资源网(原物理ok网)

解释光电效应的物理学家是著名的阿尔伯特·爱因斯坦,他的解释是基于普朗克的理论。继普朗克之后,爱因斯坦声称光能可以以离散能量(后来称为光子)的形式出现,可以将电子从金属中“击出”。XTD物理好资源网(原物理ok网)

于是,一个新的物理原理开始出现。爱因斯坦提出了一个叫做“二元性”的概念,即光能具有双重特性。光既可以像光学中的粒子(称为光子)一样发挥作用,也可以像波一样发挥作用。没有人知道为什么,但光确实呈现出双重可能的形式。XTD物理好资源网(原物理ok网)

1924年,年轻的研究生路易斯·德布罗意在普朗克和爱因斯坦已有的研究基础上成功实现了下一次飞跃。如果光既可以作为粒子又可以作为波存在,那么为什么其他物质不能呢?这样想来,电子是否也具有波粒二象性呢?XTD物理好资源网(原物理ok网)

这种认识颇具颠覆性,因为当时人类对物质构成的认识还停留在原子层面,这是德谟克利特在两千多年前提出的。但最终,一个有点聪明的实验推翻了这个长期以来的信念。XTD物理好资源网(原物理ok网)

当你把一块石头扔进池塘里时,水面就会产生涟漪。涟漪逐渐扩大,然后相互碰撞,在池塘表面形成了网状的干涉图案。这种可以用肉眼观察到的现象解释了波的本质,但一般认为物质是由点状粒子组成的,不涉及波状干涉图案。XTD物理好资源网(原物理ok网)

现在从两张平行的纸开始。在第一张纸上切两个小缝,然后用光束穿过缝。由于光的波状性质,第二张纸上会出现明显的明带和暗带图案。当波穿过两个狭缝时,它们在第二张纸上相互干涉,相互放大并相互抵消,从而形成“光带”的干涉图案。这是众所周知的。XTD物理好资源网(原物理ok网)

现在让我们尝试修改这个实验并使用电子束代替光束。当只有一束电子穿过第一张纸上的两条狭缝时,人们往往想当然地认为另一张纸上应该有两条不同的明亮狭缝。这是因为电子被认为是点状粒子。它可以选择通过第一个狭缝,也可以选择通过第二个狭缝。它不能同时通过第一张纸上的两个狭缝。XTD物理好资源网(原物理ok网)

事实上,当用电子束重复实验时,研究人员发现了一种类似于光效应的波状图案。电子的运动就像波一样,而不仅仅是点状粒子。原子长期以来一直被认为是物质的基本单位。但在这个实验中,就像光一样,它们会经历一些内部分解,形成波。这些实验表明原子可以表现得像波或粒子。XTD物理好资源网(原物理ok网)

有一天,奥地利物理学家埃尔文·薛定谔正在与一位同事讨论物质“波”的本质。他的同事问道,如果物质确实可以像波浪一样移动,那么该运动应该遵循什么方程?XTD物理好资源网(原物理ok网)

薛定谔对这个问题非常感兴趣。物理学家对波非常熟悉,因为它们对于研究光的光学特性很有用,并且通常有助于以海浪或音乐声波的形式进行分析。于是薛定谔开始尝试寻找电子的波动方程。当时,我们并不知道这个方程会彻底改变我们对宇宙的理解。从某种意义上说,整个宇宙及其所有化学元素,包括你和我,都是薛定谔波动方程的解。XTD物理好资源网(原物理ok网)

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