学渣讲量子——量子的大门被敲开-世纪之声

学渣讲量子——量子的大门被敲开

学渣讲量子——量子的大门被敲开

量子诞生的时代背景

量子力学诞生之前,牛顿还是神一样的存在。在牛顿的光辉下所有非电磁都可以用力F=ma和第一、第三定律来解决,一切变化都是连续的。而量子力学的诞生的最主要原因是出现了四个问题,黑体辐射、光电效应、原子的线状光谱、原子的稳定结构,牛顿力学解决不了。用老的办法解决不了新的问题,那新的理论自然应运而生。

黑体辐射

黑体辐射是一个实验,简单说一下原理。如果有一个东西它能把传播给它的电磁辐射全吃了,一点都不反射,然后只拉出来热辐射,那么这个东西就叫绝对黑体,绝对个黑体只存在于理想状态,主要是为了搞清楚能量。

科学家维恩制造了一个非常近似于绝对黑体的东西,然后给这个东西电磁波吃,观察拉出的热辐射,然后记录成一个一个小点,把这些小点连在一起就得到了一个能量、温度与电磁波频率相关的曲线。

各路大佬解方程

曲线有了,接下来把方程解出来,就能搞清楚电磁辐射和能量的关系。怎么解?小时候,大家画曲线写x,y方程没少做吧?直线方程、曲线方程…….

下面动图出现的名字的大佬都是解的比较成功的。可以看到,维恩已经很接近了,最后的那一点让普朗克补充上了。

普朗克的公式两个字”完美“。

德国物理学家,量子力学的创始人:马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克。普朗克能推导出黑体辐射曲线的公式,并非其本意。其中经历了各种离奇曲折,这里不赘述了。他于1900年10月发表了第一次敲开“量子力学”大门的论文——《论维恩光谱方程的完善》,但是当时他自己并不知道这个意味着什么,只是算出来公式,并没有完全搞清楚原理。

从图中可以看到维恩的公式曲线,他的公式已经非常接近黑体辐射曲线了,普朗克的公式是在维恩的基础上加以修改。普朗克这次的论文也是第一次提出了完美的黑体辐射公式。他在发表这个论文时,自己是懵逼的,还特别在最后补上一句:你们看看就算了,我随便算出来的,别当真。为什么会这样?因为这个事颠覆了大家的认知。违背了科学家们一直遵循的、神圣不可侵犯的传统经典牛顿力学——变换是连续的。

历史何其相似,这里多说一句,当年洛伦兹在发表出洛伦兹变换,明明已经证实了牛顿力学所基于的“以太”并不存在,却要说:这只是数学的一种计算方法,是数学技巧,当不得真,以太还是存在的,牛顿还是我们心中的大佬。

没过几个月,1900年底,德国的物理讨论会上,普朗克做了个正式的报告《论正常光谱中的能量分布》。作报告时,他阐述了为了从理论上得出完美的辐射公式,而不是只是从数学公式入手,必须做出一个假设:能量的变化不是连续地、而是一份一份的增加,一份一份减少,而能量是有最小值的,每一份就是能量的最小值,这个最小数值就叫能量子,从此量子诞生了。

公式

下面普朗克公式推导这里不说,太复杂涉及的物理知识太多了。

维恩的公式

普朗克定律

最终的普朗克公式:

我们通过普朗克公式可以得到下面:

重点:普朗克的量子假说 —— 能量的最小数值是ε=hv

电磁辐射的能量是:

其中ε为能量、v是辐射频率是ν,h为一个常数,当时普朗克把它叫做基本作用量子,后来被命名为普朗克常数,n只能为整数(1、2、3……n)

因为n不能等于0.5,也不能等于0.25,也就是不能来半份,不能来四分之一份,由此能量是一份一份的理论就出来了。

插播:爱因斯坦的光量子假说——E=hv

是不是发现和上面那个假说有点像,历史又相似了,这位晚上不爱写作业的同学抄完洛伦兹变换弄出了狭义相对论,又来抄普朗克的,得出了光电效应。

量子力学的大门被踢烂了

普朗克这个结论等于是抛弃了牛顿同学——变换是连续的理论,这是一个新的理论框架,慢慢反应过来的科学家们都看明白了一个“事实”,凡是变化都存在着一个最小的单位。于是科学家门通过普朗克的结论,又得出了宇宙中最小的间隔时间——普朗克时间,10^-43秒。宇宙空间中最小的可测尺度——普朗克尺度1.6×10^(-35)米。这更说明:这个世界的变化不是连续的,有个很好的词叫跃迁,很形象的形容了这种变化的方式。

举个例子说明一下:

如果说牛顿的传统经典力学是在走斜坡,那量子力学就像是在走台阶。牛顿力学物理量变化时,就像是从斜坡上慢慢的连续的滚下去的,而那量子力学里的变化是一个台阶一个台阶往下跳

牛顿搞定了传统经典力学、爱因斯坦搞定了时空、麦克斯韦搞定了电和磁。而量子现在谁都没有完全搞明白,如果谁能搞定量子力学,那这个人的贡献将不亚于牛顿。

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