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量子究竟怎么来的?居然是被玩弄出来的

日期:2019-11-18 09:24:18
[摘要] 跟一切伟大的发现一样,量子出世之前几乎毫无征兆。普朗克要解决的问题,就是两朵乌云之一的黑体辐射问题。而普朗克想要解决的,就是做出一套上下合适的衣服来。现在普朗克说,能量发射不是无限连续的,必须分成有限

量子是如何产生的?德国马克斯·普朗克学会了一种中国速读技术,这是一个巧合,这种技术成本很高,但却物有所值。他在短时间内浏览了一组书籍,最终成名并开始感恩。他把这种来自东方的神圣技术命名为他自己发现的纪念品:量子波动速度阅读——相信这一点的亲属不必往下看,每个人都生活在不同的平行宇宙中。

量子诞生于1900年。用最简单的话来说,量子的意义是把牛顿的经典物理学抛在脑后,带领人类进入微观物理学时代。没有量子概念的诞生,相对论和原子弹就不一定存在。

像所有伟大的发现一样,量子几乎毫无预警地诞生了。1900年4月27日,北京的义和团和八国联军互相厮打。在伦敦皇家研究所,伟大的科学家凯文在讲话。

“动力学理论断言热和光都是运动模式。但是现在这个理论的美丽和清晰被两个乌云所掩盖,这两个乌云似乎被掩盖了……”

两个乌云指的是经典物理学中两个未解决的问题。一个是迈克尔·莫雷在验证光的“以太”方面的实验失败,人们一直认为光是通过以太传播的。另一个是黑体辐射研究的困境。

虽然这个问题暂时还没有解决,但包括开尔文在内的所有人都认为太阳驱散乌云只是时间问题。没人能想象两个小乌云会很快完全遮住太阳,然后带来风暴和灾难,把他们毕生从事的经典物理建筑变成一堆矿渣。

自伟大的牛顿创立以来,经典物理学在法拉第·麦克斯韦的许多大师们不断努力之后,于19世纪末建造了一座纪念碑。因此,当大学教授菲利普·祖利(Philip Zuli)听说他的学生普朗克想要做理论物理研究时,他不禁真诚地劝说他:物理系统非常成熟和完整,前人几乎已经竭尽全力,不要在这个没有缺口可填补的领域浪费时间。

马克斯·普朗克出生于1858年。他的曾祖父和祖父都是神学教授,他的父亲是法学教授。他起初对文学和音乐非常感兴趣,并表现出非凡的天赋——但当他在高中时,他被物理学中的能量转换和守恒定律所吸引。当时,老师说工人们把砖头扛到屋顶上,工人们的能量储存在高处的势能中。一旦砖块落下,能量再次释放出来……没有人认为搬动砖块会将普朗克从文科转移到科学。

面对老师的好意,不听老人话的普朗克谦虚地说:我选择物理纯粹是因为我对它感兴趣,觉得有趣。我没想到会有什么了不起的成就,这足以解决现存的角落问题。

普朗克要解决的问题是两个乌云之一的黑体辐射问题。当时,已经获得了两套公式,每套公式都适用于其自身的范围。如果我们从粒子的角度来推导,我们可以得到一个适用于短波的维恩公式。如果从电磁波的角度出发,我们可以得到一个适用于长波的瑞利-詹金斯公式。

问题是这两个公式就像两套衣服。一套衣服是合适的,但是腿太长了。另一套裤子合适,但上衣太小了。它们不是衣服,是吗?每个人都有自己的衣服穿。说他们没事?我甚至不能穿它。

普朗克想要解决的是做一套上下合身的衣服。到1900年,他已经做了六年没有结果。就像上一年级的孩子现在上初中一样,他仍然在原地踏步,无所事事。

裁缝普朗克努力工作了六年,但没能以通常的方式塑造衣服。最后,有一天,他的审美疲劳达到了极限,他决定不去担心任何设计原则或它们是否合适。首先,霸王硬上弓,做了一套简单粗糙的衣服出来。

所以他开始用数学插值来玩现有的两个公式。拼凑了几天之后,我真的偶然想到了一个公式。不管它是否有效,它看起来真的是一样的——只要看看它,因为没有多少人能真正理解普朗克黑体辐射公式。

他在德国物理学会的会议上公开了这个公式,说当有条件做实验的父母感到无聊时,他们不妨试试这个公式——反正他们不需要钱。那天晚上,物理学家鲁本斯做了这个实验,第二天普朗克惊呆了:他喵了一声,这个公式真的有用吗?这就像在你家门口钻酱油,然后得到油。

普朗克开始仔细观察这个公式。他知道,在这个错误的背后,一定有一条铁律来控制它。他越深入研究它的物理意义,就越发现一些他不相信的东西:有可能做出一个合理的解释,但这个解释意味着在他从小就学到的所有物理知识上画一个十字。从牛顿开始的经典物理学将以这个解释结束。

这个解释是:必须假设能量不是连续反射和吸收的,而是被分成几部分。

连续性就像一辆车,从a点到b点,如果你一直往前走,你必须通过直线上的c点。从物理上讲,连续性就像辐射释放的能量是100焦耳,所以从开始到结束必须有一个时刻,释放的能量是70焦耳,或者90焦耳,或者3.14159...焦耳。连续性和平滑性的假设是微积分的基础,也是经典物理学的基础。

现在普朗克说能量发射不是无限和连续的,必须分成有限的部分和最小的单位。就像最低现金单位是1美分一样,一个人不可能支付1.007元,因为最低现金单位只有0.01元。虽然理论上在1元到1.01元之间有无限的数字;然而,在实际的能量传输中,必须有一个最小单位。小数点不能出现在两个单位之间的测量数字中。

1900年12月14日,普朗克宣读了一篇题为“黑体光谱中的能量分布”的论文,并将这个最小单位称为“能量”。不久,他写了一篇新论文,名为《简单原理的量子》。

普朗克还给出了一个公式:e=hv。其中e是单个量子的能量,ν是频率,h是神秘的量子常数,以其发现者普朗克常数命名。h大约等于6.626×10-27 erg秒,即6.626×10-34焦耳秒。

量子诞生时,无知的人们正快乐地为圣诞节做准备。它像幽灵一样溜出普朗克方程,准备摧毁现有的物理宫殿。

量子一出现,它就会不可阻挡地发光,人们会阻止杀死佛陀。佛陀会阻止杀死佛陀。物理学家将以闪电般的速度被洗脑,从而创造来之不易的成就。这通常是卖家用“量子波动速度读数”来洗脑的观点。

事实上,量子诞生的时候,有无数的问题。最大的怀疑者不是别人,正是普朗克本人。即使这被证明是合理的,普朗克自己也不能相信量子偏差的程度。他甚至认为量子不是物理现实,而是纯粹为了方便而引入的假设。十多年来,他不断告诉同事们,引用所谓的普朗克参数时要小心,除非不得已,否则不要相信。

后世开玩笑说普朗克是一个童话故事中的渔夫。他用自己的手把魔鬼从密封的瓶子里放了出来,甚至在他被吓得半死后试图把魔鬼放回去,但什么都没发生。

然而,已经晚了。1905年3月18日,瑞士专利局的一名小职员爱因斯坦(Einstein)从普朗克的量子假说出发,写了一篇关于光电效应的论文,成为量子理论的基石。三个月后,他写了《运动物体的电动力学》(On Electronics of moved Objects),这解决了开尔文的“光醚乌云”,后来被称为“狭义相对论”。三个月后,他提出了一个质量能量方程:e = MC。

1911年,在比利时布鲁塞尔,包括普朗克、爱因斯坦、玛丽·居里和卢瑟福在内的24位世界顶级物理学家在和平友好的气氛中会面,讨论量子理论和其他话题。在第一次为期五天的索尔维会议上,世界上最聪明的头脑没有在量子研究上取得任何突破。因为没有人能确定量子的出现会把物理学和人类带到哪里。

普通人只会欢呼,大多数物理学家模糊地感觉到,不仅量子带来了福利,而且量子可能带来邪恶——尽管当时没有人说出来。

只有这种危言耸听的问题在新世纪终于得到了完美的解决。目前,不仅有量子涨落速度读数,还有量子共振信息水、量子能量袜、量子空气净化器、量子挂件...甚至量子内裤和量子鞋垫。最重要的是量子篮子,因为没有什么是它装不下的。经过一百多年的诞生,可爱的量子终于开始做出巨大的努力来造福富人和穷人。

参考文献:曹天元,《上帝滚动骰子:量子物理的历史记述》

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