量子力學篇 【量子力學篇-01期】經典物理學的終結，量子力學的開端

物理學發展至今 應該很少有人還沒聽說過量子力學 但每次一提到量子力學 很多人腦海裡蹦出的關鍵詞就是 不確定、意識、玄乎、詭異 甚至是恐怖 出現這樣的情況其實也並不奇怪 畢竟現在網絡上很多文章和視頻 在介紹量子力學時 都喜歡突出它的這些特性 老百姓看得多了 自然就會感覺量子力學越來越玄乎 甚至有人直接稱其為 量子玄學、量子佛學 同時 市面上也充斥著各式各樣 打著量子力學旗號的產品 例如量子波動速度 量子斜墊、量子吊墜等 可謂是離譜媽媽給離譜開門 離譜到家了 但是 量子力學作為人類歷史上最重要的一門學科 它不應該受到如此待遇 如果非要評選出二十世紀 人類社會最重要的一個事件 那麼 既不會是兩次世界大戰 也不會是人類登上了太空 而是量子力學的出現和發展 憑什麼這麼說呢? 有句話叫做 欲試不決量子力學 遇到難題解釋不了怎麼辦? 不要慌 管它是啥 拿量子力學來解釋 就完事了 事實上 除去玩笑的成分 這句話還真沒毛病 從太陽的核聚變 到生命的起源 如今自然界的任何現象 如果我們追根溯源刨根問底 一定都會匯聚到兩個理論上 一個是研究大尺度的廣義相對論 而另外一個就是量子力學 原來 欲試不決 真的可以量子力學 量子力學研究的 是我們這個世界最本源的祕密 並且 從實用性的角度 量子力學也可以說是最成功的理論 從原子彈 到半導體 計算機芯片 再到你手上正拿著的手機 以及移動硬盤 互聯網 核磁共振技術 激光技術等等 通通都離不開量子力學 量子力學作為這個世界的底層邏輯 幾乎全方位覆蓋了所有的現代科技 然而有個很奇怪的現象 就是 雖然物理學家們在用起量子力學時 非常的得心應手 但至今為止 卻依然沒人知道它的背後 究竟還隱藏著什麼更深層次的原理 因為它實在是太違反常識了 什麼是常識 常識就是 當你不抬頭看月亮時 你知道月亮肯定就在哪 常識就是 當你回家忘帶鑰匙時 你不可能直接穿牆走進去 常識就是 當你在公司搬磚時 你不可能同時也能躺在家裡打遊戲 常識就是 你想吃什麼東西 你得自己去買 它不可能憑空出現在你面前 常識就是 當你考試沒考好時 你不可能回到過去 但是 我要告訴你的是 所有上面這一切違反常識的事 在微觀世界裡 都只是常規操作 在燒腦 反直覺 和毀三觀方面 如果量子力學稱第二 那絕對沒人敢稱第一 即使是相對論與其相比也不值一提 愛因斯坦說 我思考量子力學的時間 百倍於廣義相對論 但依然不明白 量子力學奠基人之一波爾說 如果誰不為量子力學感到困惑 他就還沒理解它 天才物理學家費曼則說得更加直接 世上沒人能真正理解量子力學 而我想說的是 正是因為量子力學是如此的神祕而又怪異 才使得它更加的迷人 所以 我打算以一個完整的系列視頻 為大家揭開量子力學神祕的面紗 消除大家對量子力學的諸多誤解 同時 也為量子力學證明 在此之前 可能有的小朋友還是會擔心 既然量子力學這麼難 那聽不懂怎麼辦 沒有關係 事實上 你並不需要非凡的智力 就能理解量子力學裡的各種實驗 不到萬不得已 我不會使用超過中學水平的數學知識 我將從基本的概念說起 用物理直覺說話 為大家還原那場史詩般壯麗的革命 而你要做的 就是帶上足夠的思考和耐心 我們將和20世紀最偉大的物理天才們同行 去親身體驗這趟奇妙的旅程 19世紀末 當時的經典物理學已經發展到了巔峯 牛頓力學體系在經歷了幾個世紀的考驗後 依然屹立不倒 從天上的星星 到地上的石頭 統統都遵照著牛頓定下的規則在運動 在電磁學方面 英國物理學家邁克斯韋 發表了三篇關於電磁理論的論文 提出光也是一種電磁波 後人從他的理論中 總結出了名垂千古的邁克斯韋方程組 這一成就也絕不在牛頓之下 另外在熱力學方面 熱力學三大定律也已經基本確定 更厲害的是 經典力學 經典電動力學 經典熱力學 這三大體系非常的和諧統一 成為了經典物理學的三大支柱 牢不可破 所以那個時候人們都認為 物理學差不多已經到頭了 大自然中所有的 所有的現象都在遵循著 經典物理學的規律運行 1900年元旦當天 熱力學之父 開爾文男爵威廉·湯姆森 發表了一個著名的演講 他說 在已經基本建成的物理學大廈中 後輩物理學家們 只需要做一些零碎的修補工作就行了 但是 在晴朗的物理學大廈上空 還漂浮著兩朵小小的烏雲 這兩朵烏雲 說的就是當時物理學界 尚未解決的兩個難題 一個是光速為什麼在各個方向上都不變 而另一個 則是關於黑體輻射 當時的物理學家們 萬萬沒想到 就是這兩朵小小的烏雲 後來分別導致了相對論 和量子論革命的爆發 整個輝煌燦爛的經典物理學大廈 就在這兩次革命中轟然倒塌 光速不變 在我們前面相對論已經講過了 那這個黑體輻射 所謂黑體 並不一定是黑乎乎的物體 黑體是一種不反光的理想物體 但它自己可以發光 比如 太陽作為一顆氣態恆星 它幾乎不反射別的光 我們可以認為它近似為黑體 除此之外 燈泡絲 黑暗中的物體等等 都可以近似為黑體 而所謂黑體輻射 其實說的也就是熱輻射 科學家在研究黑體輻射時發現 任何黑體的發光曲線 只與它的溫度有關 以輻射能量密度對波長做圖 隨便給定一個溫度值 實驗物理學家都能畫出對應的輻射譜線 而一個物體的溫度 無非就是一堆分子的熱運動 於是物理學家們斷定 既然實驗結果這麼有規律 那必然就對應著一套標準的數學公式 1894年 德國物理學家威廉·維恩 從經典熱力學的角度出發 先是推導出了一套公式 該公式與實驗結果雖然在短波區相符 但在長波區卻相差甚遠 後來 英國物理學家瑞利·勳爵 從經典電磁波理論的角度 又推導出了一套公式 這個公式在長波區與實驗數據基本吻合 但在短波區卻嚴重偏離了實驗結果 並且根據該公式可以明顯看出 隨著波長減小 輻射強度將會趨於無窮大 這顯然不可能 畢竟太陽的輻射也都沒到無窮大 由於短波區也及紫外區 所以當時的這個現象就被稱為紫外災難 經典物理學在這裡失效了 接下來 量子力學史上最最重要的人物之一 普朗克即將登場 普朗克出生於德國的一個書香門第 他這個人多才多藝 文學 音樂 自然科學 樣樣精通 最關鍵的是 年輕的普朗克長得還非常帥 不過這都是他研究量子力學之前的樣子 這是他研究量子力學之後的樣子 大家感受一下 1875年普朗克上大學的時候 他的大學導師曾勸他不要搞物理了 因為物理學已經到頭 沒啥留給他研究的空間了 而年輕的普朗克顯然並沒有把老師的話放在心上 他研究物理只是單純的感興趣而已 等到1900年 此時的普朗克已經在黑體輻射上花費了6年的光陰 但依然沒什麼頭緒 終於在一個陽光明媚的下午 他突然想換個思路 先不去管什麼物理假設和理論推導 看看能不能單純用數學的方法 先湊一個可以用的公式出來再說 於是 利用數學上的內插法 普朗克開始玩弄起他手裡的這兩個公式 結果幾天之後 普朗克還真湊出來了一個公式 它看上去非常符合要求 這就是著名的普朗克黑體公式 10月19日 普朗克在柏林物理學會上 將這個新鮮出爐的公式公之於眾 結果大家發現 這個公式在各個波段都與實驗結果精確相符 但問題是 普朗克本人也不知道這個公式背後 究竟隱藏著怎樣的物理意義 又經過了幾個禮拜的研究之後 普朗克終於發現 在處理商和概率的關係時 如果要使他的新方程成立 就必須做一個大膽的假設 那就是 能量在發射和吸收時 不能是連續不斷的 而是必須分成一小份一小份 也就是說 能量並不是可以無限分割的 而是存在著一個最小單位 就好比我們花錢 你一次最少也得花一分錢 因為沒有比這個更小的面值了 你不能說買的東西 花了0.5分錢 同年的12月14日 這一天幾乎所有人都在忙著準備歡度聖誕節 而普朗克在德國物理學會上 當眾宣讀了他的那篇名垂青史的 《黑體光譜中的能量分佈》的論文 在這篇論文裡 普朗克將那個一份一份的能量 命名為能量子 但隨後很快 他在另一篇論文裡 就將其修改為了量子 英語就是Quantum 同學們請記住 1900年12月14日這個日子 這一天就是量子的誕辰 回顧經典物理學 無論是牛頓的力學 還是麥克思維的電磁學 都是建立在微積分的基礎之上 而微積分的基本要求 就是連續性以及平滑性 量子論的誕生 可以說是直接將經典物理學大廈的地基連根拔起 這是經典物理學的終結 也是量子力學的開端 後來 普朗克憑藉著這個量子假設 和普朗克黑體公式 拿到了1918年的諾貝爾物理學獎 看到這裡 大家一定以為 普朗克是一名新科學的思想擁護者 但事實遠非如此 作為老一派的物理學家 普朗克的思想還是相對保守的 如果量子化是對的 那經典麥克思維理論便首當其衝 在他看來 這個量子化的假設太過於離經叛道 它不可能是一個物理真實 它純粹是一個為了方便而引入的假設而已 在接下來的十幾年裡 普朗克本人一直都無法接受這個量子假設 他從一個革命的創始者 最終走到了時代的反面 未能在這場轟轟烈烈的革命中 貢獻更多力量 這無疑是非常遺憾的 其實 普朗克的保守也是可以理解的 在當時的年代背景下 量子論實在是太過於驚人 太過於革命 普朗克曾經有一句名言 一個新科學的勝利 不是其反對者都被說服和覺悟 而是因為其反對者都已經死去 然後熟悉這一真理的新一代人長大了 1900年的普朗克已經42歲 就在那一年 一個名叫阿爾伯特·愛因斯坦的21歲的青年 剛從蘇黎世聯邦工業大學畢業 正在為找不到工作而發愁 15歲的尼爾·斯波爾 正在哥本哈根的中學讀書 並在數學和科學方面展露出了非凡的天賦 13歲的阿爾文·薛定諤 正在維也納的一所高級中學裡上學 他熱愛古文、戲劇和歷史 每次考試也都是班上第一 18歲的馬克·斯波恩順利考入佈雷斯勞大學 他瘋狂地喜歡上了天文 並夢想著將來成為一名天文學家 8歲的路易斯·德布羅伊 正在他那顯赫的貴族家庭裡 接受著良好的幼年教育 再等12個月 維爾茲堡的一位希臘哲學教師 即將生下他的寶貝兒子小海森堡 緊接著再等8個月 未來的英國天才物理學家 保羅·迪拉克也即將來到人間 至此,英雄均已就位 好戲也即將開場