新世纪的物理学

再说 20 世纪的初期，物理学界发生了两场史无前例的革命，一场革命是我们下章将要讲到的爱因斯坦相对论，另一场同样伟大、同样重要的革命是建立了量子力学。

这两场革命的对象都是以牛顿为代表的经典物理学。

当时，牛顿力学已发展到登峰造极的地步，被现为“完美无缺的理论” 和科学真理的顶峰。有不少科学家根据牛顿力学原理，成功地研究了刚体、流体、弹性体的运动规律，创立了力学的一些新分支，如刚体力学、流体力学、弹性力学等。

天文学家则运用牛顿力学的原理，正确地计算了哈雷彗星的回归时间， 并发现了海王星⋯⋯科学界的许多人都带着满足的神情和雨后的笑容，躺在牛顿所栽种的这棵大树下，一边乘凉，一边手里做着自己的活儿。

而德国柏林大学物理学教授马克斯·普朗克却没有躺在牛顿所早已安排好了的睡床上，做着天上掉下个金元宝之类的美梦。

因为他非常明显地看到，在牛顿的经典物理学上空，有两朵真实的乌云， 这是他不能不目睹的一个活生生的事实，一朵是光速不变和以太被否定，另一朵就是在研究黑体辐射过程中所产生的“紫外灾难”。

于是，普朗克首先举起了背叛牛顿的革命大旗。

他认真地研究了维恩所建立起来的黑体辐射能量按波长分布的公式，发现它只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。

当时，英国物理学家瑞利（1842~1919）和物理学家金斯（1877~1946） 从经典物理学的概念出发，认为能量是一种连续变化的物理量，建立在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。

但是，普朗克通过大量的实验，证明了瑞利—金斯公式的荒谬性。因为从瑞利—金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是绝对不可能的。

1895 年前后，普朗克教授开始研究黑体辐射问题。他多么希望能够把握维恩公式和瑞利—金斯公式有机地结合起来，从而驱散“紫外灾难”这朵不祥的乌云。

1900 年，在新世纪的温暖浩荡的春风中，普朗克终于在茫茫的黑暗中找到了一线光明，他根据当时的精确翔实的实验资料，找到了能够制服“紫外灾难”的一把金钥匙，这就是著名的量子论。

这是一个与经典物理学的连续性观念根本不同的假设，这是对牛顿力学的彻底的背叛。

普朗克为我们描述道：辐射能并不是像连续不断的水流那样从一个整体的孔射出来的，而是像机关枪里射出的子弹那样一束一束地发射出来（现在知道是作为一个个量子而发射出来的）。

物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定数值的整数位跳跃式地变化。

正如物质由一个个原子组成，能量也是由一份份“能量原子”构成，普朗克教授把每一份能量叫“能量子”，简称“量子”。

他还进一步提出，量子是和频率成正比的，量子等于频率乘上一个常数， 这个常数就叫普朗克常数。

普朗克同黑体辐射理论苦苦地搏斗了六年之久，所付出的汗水、泪水和心血是常人所无法想象的，真所谓：都云作者痴，谁解其中味？！

普朗克量子理论的提出，成功地解决了“紫外灾难问题”，驱散了物理学上空的乌云，成为经典物理学和现代物理学的分界线，人类从此大步跨入原子时代，普朗克也因为这项卓越的工作，而荣获 1918 年诺贝尔物理学奖。

普朗克于 1858 年 4 月 18 日出生于德国基尔的一个书香门第之家。父亲是基尔大学的法学教授，良好的家风和纯正的学术空气，使普朗克从小就培养出了一种百折不挠的性格和诚实、自信、力求上进的品质。

在上中学的时候，普朗克幸运地遇到了一位优秀的物理老师，这位老师采用了启发式的教学方式，由浅入深，循序渐进地把学生们引入了神奇而美丽的物理学殿堂，使他对物理学产生了浓厚的兴趣。

中学毕业以后，他又先后就读于慕尼黑大学和柏林大学，从师于名家亥姆霍兹和基尔霍夫，学术上进步很快，21 岁的时候，就获得了物理学博士学位，后来，又应聘担任柏林大学理论物理研究所所长。

普朗克一生信仰上帝，始终认为上帝是无所不在，无所不能的，神的力量和自然规律的力量是相同的。

普朗克在物理学界享有崇高的威望，但是他并没有因此而趾高气扬，坚决反对有人把他称为“帝国的科学首相”。

他像许多优秀的科学家那样，对纳粹政权迫害犹太人和发动法西斯式的侵略战争进行坚决的斗争，他甚至去找“杀人魔王”希特勒，试图利用自己的影响，阻止他对别国的践踏，却被这位“元首”下了逐客令。

普朗克的世界观比较保守，性格比较内向，在柏林战争的那些腥风血雨的日子里，死神睁着一双充血的眼睛随时都在瞪视着他。

他的家被炸弹夷为平地，他的堪称无价之宝的手稿、藏书以及日记被罪恶的战火烧成灰烬，然而他却无力回天，只能成天唉声叹气，为整个人类的命运而叹息，也为人类的文明而叹息。

后来，在一位友人的帮助下，他来到了比较安全的哥廷根，这才离死神稍微远了一步，在这里，他发表了著名的反对原子弹使用的演讲稿。

二次大战结束以后，为了表彰普朗克的量子力学给人类所带来的巨大收获，人们准备在他 90 大寿的时候，为他隆重庆祝一番，他却在几个月前的

1947 年 10 月 4 日，离开了这个“令他欢乐令他忧”的世界，终年 89 岁。普朗克虽然永远地离开了我们，但是他的精神将永远和天地同在。 是的，只要科学存在，普朗克这个光辉灿烂的名字也将永远存在。

普朗克竖起了量子论这面鲜艳的旗帜之后，率先来到这面旗帜下面的， 便是爱因斯坦，爱因斯坦接过量子概念，并且在普朗克的基础上，作了进一步的发挥和发展，赋予了量子力学更为强大的生命力。

按照普朗克的观点，物质只能一份一份地吸收或者放出能量，在物质外面，能量会像水波一样传播。爱因斯坦则认为，如果能量只能以一定的单元或量子而被吸收，则吸收的速率必随单元的大小而改变，因而必随振荡的频率与温度而改变。

爱因斯坦应用量子概念取得的最重要成就是解释了光电效应，发展了光的微粒说。

爱因斯坦认为，光是由具有粒子性的光子组成的，按照量子论，光子的能量应当等于光频率乘上普朗克常数。光的强度只表明光粒子的多少，并不表明光粒子的能量高低。

某种频率的光能够引起金属发射电子，是因为光子能量超过了引起电子发射所需要的能量。如果光子能量不够，就是光子再多也没有用。这样，爱因斯坦就解释了光电效应为什么和光的强度无关而和频率有关。

由于爱因斯坦给光子赋予了量子概念和实验证据（光电效应），光子成为量子论大旗下面的一员虎将。

在爱因斯坦后面，丹麦年轻的物理学家玻耳也投奔到了量子论的大旗下面。

玻尔是一位名闻遐迩的理论物理学家，近代量子物理学的创始人之一。他曾经和其他的科学家一起，制造出了世界上第一颗原子弹。

因为他把经典力学同量子理论结合在一起，描述了电子的轨道运动，从而引起了原子理论的革命。他因之而获得 1922 年诺贝尔物理学奖，这一辉煌

的成就使他成为 20 世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的最伟大的物理学家之一。

玻尔于 1885 年 10 月 7 日生于哥本哈根，父亲是一位著名的生理学家， 还在玻尔上中学的时候，父亲就尽力启发他对物理学的兴趣，母亲出生在教育界很有名望的家庭。玻尔在有利于发展他才华的环境中逐渐长大成人。

玻尔在大学读书期间，就用振动射流方法对表面张力进行了实验和理论上的研究，并荣获了金质奖章。

后来，他又先后在英国剑桥大学卡文迪许实验室、曼彻斯特卢瑟福实验室从事实验工作，同时进行自己的理论研究。

1913 年，28 岁的玻尔对卢瑟福关于原子结构的模型，作了修改和重大的发展。

玻尔认为，当电子围绕带正电的核在轨道上旋转时（假设电子轨道是圆形的），电子并不发光，只有当电子从一个轨道跳跃到另一个轨道时才发光。这样辐射出的能量就是一个量子。

按照普朗克的理论，能量是光振动数与普朗克常数之乘积，用它就可以计算与轨道跃迁对应的振动数。

玻尔认为，电子可能处在原子核外几种稳定的轨道当中之一，每种轨道相当于一定的能级；当电子运动状态改变的时候，它从一个轨道跃迁到另一个轨道；这个能级的变化就反映在吸收或辐射一定能量的光或热。

关于原子结构的这种模型，就是著名的卢瑟福—玻尔模型，简称玻尔模型。

按照这个模型，X 射线和原子核外内层电子能级的变化有关；可见光、红外光和紫外光起源于外层电子能级的变化；放射现象和原子核的变化有关。

到了本世纪 30 年代中期，核物理学成了热门。世界各地的著名科学家几乎都把特别的爱和关注投入到这项事业中去了，使得核物理学获得了飞速的发展。

1936 年，玻尔提出了核反应“液滴模型”，并于 1938~1939 年间，赴美国同爱因斯坦进行合作，又完成了解释原子核裂变现象和裂变碎片具有放射性的实验。

不久，他又揭示了铀的复杂现象，指出：只有质量数为 235 的这种稀有

同位素才能由慢中子引起裂变；而质量数为 238 的半度同位素则不能。这种差别仅仅是由两种同位素含的中子数不同。

这一重大发现，直接提出了解释放出巨大核能的链式反应的可能性，这为人类研制原子弹提供了理论上的依据。

当时，德国纳粹分子为了实现其霸占世界的狼子野心，开始秘密研制原子弹。为了使希特勒的阴谋破产，用战争消灭战争，罗斯福总统接受了爱因斯坦关于生产原子弹的建议，玻尔以顾问的身份，参与了整个制造原子弹的工作过程。

后来，当他通过各种渠道了解到希特勒无力制造这种杀伤性武器后，并同罗斯福进行了一次长时间的倾心交谈，且达成共识，在任何情形之下，都绝对禁止使用原子弹。

然而，1945 年 8 月 6 日，在罗斯福去世不久，杜鲁门政府下令，在日本广岛上空扔下了一枚原子弹，使众多无辜百姓在瞬间便魂归西天，给人类带来了巨大的灾难。

1945 年 8 月底，玻尔得知这一消息后不久，便愤然离开美国，回到自

己的祖国丹麦。1962 年 11 月 8 日，玻尔在哥本哈根病逝。

量子论只是量子力学革命中的序幕。在这出序幕中，量子概念把经典物理学中能量是连续的这个概念打破了，它在光电效应、原子结构等方面显示了非凡的生命力。

1925 年前后，量子力学发展到了顶峰状态。

法国科学家德布罗意大胆地指出，并不是所有的物质性质都可以用“是由微粒组成的”这一理论来解释。他认为，除了无数可以用这一理论解释的

现象以外，还存在另外一些现象，它们只有假定物质就其本性来说是一种波动，才能加以解释。

德布罗意通过实验研究了电子束被晶体表面反射或穿过薄晶体时发生的现象，用这些实验方法得到的实验结果充分证实了他自己的理论，证明了物质具有波动性这个事实。

因此，不是存在两个世界（一个光和波的世界和另一个物质和微粒的世界），而是只有一个单一的宇宙，它的某些特性可以用波动理论来说明，另一些特征则可以用微粒理论来加以说明。

德布罗意的真知灼见引起了苏黎世大学的青年物理学家薛定谔的注意。受德布罗意波粒二重性思想的启发，薛定谔觉得，对于电子的运动来说

应当能够找到一个波动方程，就像波动方程决定着光的传播那样，这个方程决定着这些波。人们可以通过解这个波动方程去挑选适合于原子内部运动的振荡。

薛定谔还成功地确定了一系列作不同运动的电子的波动方程，只有当系统的能量取普朗克常数所决定的分立值时，这些方程才有确定的解。

在玻尔理论中，电子轨道的这些分立能量值是假设的，但在薛定谔量子力学的波动力学体系，也就是薛定谔方程中，它们完全是可以证实的。

德国物理学家海森堡发表著名的量子力学比薛定谔理论早一些。

根据海森堡的理论，人们必须从一些可直接观察的物理量出发，去寻找把这些物理量联系起来的规律。而首先要考虑物理量应该是原子和分子光谱中谱线的频率和强度。

然而，海森堡把这样一个光谱的所有振动的组合看作是一个系统。为了对这个系统作数学处理，他建立了一些计算符号和规则。

原子和分子的不同种类的运动构成了海森堡量子力学中的不同系统。海森堡量子力学使原子光谱的分类成为可能。经过艰难曲折的路程，海森堡和德国物理学家玻恩、约尔丹等共同创立了量子力学的矩阵力学体系。

狄拉克从最普遍的条件出发，建立了波动力学，提出了满足相对论条件的要求。

以前，电子的自旋是为了解释实验事实而作为一个假设引入理论的。现在，从问题的普遍阐述出发，自旋是作为狄拉克普遍理论的一个结果而出现的。

狄拉克还成功地把波动方程分成两个方程，得出了两组解，其中的一组解表明有大小和电荷与负电子相等的正电子存在，实验发现正电子的存在已极好地证明了狄拉克的理论。

如果说普朗克所创立的量子力学是高高飘扬在物理学天空中的一面鲜艳的旗帜，那么德布罗意和薛定谔、海森堡和狄拉克又以自己的努力使这面旗帜举得更高，在 20 世纪的人类的头顶上更鲜艳。

在这面旗帜的指引下，“量子力学”那扇沉重的大门被缓缓地打开了， 科学进入了原子时代，人类认识又一次产生了重大的飞跃。