《上帝擲骰子嗎:量子物理史話》讀書筆記Ⅰ

雖然這是一本講述量子物理的書,但是你一定會被它優美的文筆、恰當的比喻及磅礴的氣勢所征服。作者把一本物理書寫成了一部長篇小說,讓讀者在細細流淌的敘述中體會物理學家們一場又一場的協作與爭鋒。

文章從赫茲的一個驗證電磁波存在的實驗開始,通過計算電磁波的前進速度,發現這個數值正好等于光速,從而驗證了光是一種電磁波。也許我們也曾思考過光到底是什么?為何它看得見卻摸不著,它存在卻沒有質量。物理學家們通過一個又一個實驗提出了光的微粒說和波動說兩種對立的假設。光的直線傳播、反射、折射都可以用微粒說很好的解釋,而光的衍射實驗、雙縫干涉實驗、泊松亮斑甚至光的偏振現象卻只能用波動說來解釋。光的波動說和微粒說之間展開了一場曠日持久的大戰。光到底是波還是粒子,這是文章的一條主線,貫穿于本書的始終。

在這個無休止的爭論中,人們對黑體模型的熱輻射問題產生了興趣。熱輻射即物體加熱時產生的輻射能量,比如把一個鐵塊加熱,它會變成紅色,并產生出熱量。普朗克在研究黑體的時候偶然發現了一個普適公式,要解釋這個公式,必須假定能量在發射和吸收的時候,不是連續不斷的,而是被分成一份一份的。這個一份就是能量的最小單位,即量子。那么這個不是連續的如何理解呢,就好比溫度從1升到2,卻沒有經過1和2中間的1.5,也就是說溫度是從1直接跳到2,不是從1到1.01、1.02、1.03......這個連續狀態變化到2。也可以說1和2之間不是可劃分成無限個數值的,而是不可劃分的。量子論從此誕生了。

在量子論誕生之后,光電效應的一系列實驗在各個實驗室被做出。光電效應即用光來照射某種特定金屬的表面能夠打擊出電子。電子可以理解為被某種能量束縛在金屬內部的,如果電子吸收的能量是連續的,可積累的,那么增加光的強度,應該可以打擊出電子來。但是實驗的結論卻是再強的紅光(頻率比較低)都不能打擊出一個電子來,而頻率高的光線比如紫外線卻可以打出能量較高的電子。也就是說對于低頻率的光,增加光的強度也不能打擊出哪怕一個電子。這是為什么呢?這是否說明電子吸收的能量是不連續,不可積累的呢?

愛因斯坦通過普朗克的量子論,假設能量在發射和吸收的時候是不連續的,是被分成一份一份的,推導出光是量子化的,即光是由光子組成的。

那么根據普朗克公式E=h*v(E代表單個量子的能量,h是普朗克常數,v是頻率),可以看出單個量子的能量E和頻率v成正比。也就是說頻率越大,單個量子的能量越大。這個理論正好可以解釋高頻率的光能夠打擊出高能量的電子,而低頻率的光由于單個光子的能量小于電子的能量,而一個電子也打擊不出來。當增加低頻光的強度時,頂多是增加了光子的數量,一個電子只能吸收一個光子,因此即便增加光的強度也無法打擊出一個電子。

光電效應很好的說明了光的粒子性,但無法解釋光的衍射和干涉現象。因此正如書中所說:“光子一陷入干涉的沼澤,便顯得笨拙而無法自拔;光波一進入光電的叢林,也變得迷茫而不知所措”。至此,光的微粒說和波動說陷入了僵局。

未完待續。

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