对人类思想产生巨大影响的科学发现（八） ——量子论：人类思想上回讲到

上回讲到，普朗克提出的“能量子”概念并不被大多数物理学家所接受，特别是老一辈物理学家，但却受到年青一代物理学家的欢迎。爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡等年青物理学家，应用“量子”思想成功地解释了一个又一个与经典物理学相矛盾的实验事实，创建了现代科学发展的基石之一——量子论。

正当物理家们极力反对能量子假设，

试图把物理学重新拉回到

传统经典物理学框架内的时候，

年青的爱因斯坦

却应用能量子概念成功地解释了

当时物理学的一个难题

——光电效应。

（用经典物理学理论无法解释光电效应的性质）

爱因斯坦因光电效应的研究成果

获得1

921

年诺贝尔物理学奖。

在应用能量子概念解决光电效应的过程中，

爱因斯坦提出了一个石破天惊的思想：

光的波粒二象性。

即认为，

光既是一种粒子同时也是一种波。

这是一个让人目瞪口呆的结论。

因为在这之前，大家都认为，

物体如果是粒子，就不可能是波。

反过来也一样，

物体如果是波，就不可能是粒子。

现在倒好了，

光把粒子的性质和波动的性质

统一为一体，

光即是粒子（光子）同时也是波（光波）！

科学家在研究氢原子辐射光的时候，

发现氢原子辐射光的频率不是连续的，

是分立的，

在可见光区域只有四种频率的光。

巴耳末通过研究氢原子光谱，

得到了一个氢原子光谱规律的经验公式

——巴耳末公式。

如何从理论上解释巴耳末公式？

其中，最重要的问题是，

为什么氢原子的光谱不是连续的光谱带，

而是不连续、分立的光谱线？

丹麦物理学家玻尔

再一次应用能量子概念，

在卢瑟福原子太阳系行星模型的基础上，

提出了原子定态跃迁模型，

从理论上解释了巴耳末公式

及其它原子的光谱。

原子定态跃迁模型是这样的。

原子只能处于一系列不连续的能量状态中，

这些状态是固定能量值的状态，

所以称这些状态为定态。

原子的不同能量状态对应着

电子的不同半径的运行轨道，

所以，原子定态性质决定了

原子中的电子只能在

不同能量值状态所对应的

一些分立的轨道上运动。

也就是说，电子运动轨道的半径大小

不能

取零到无穷大任意一个

值，

只能取不连续的一些固定值。

原子定态跃迁模型还认为，

电子在一轨道上绕原子核旋转运动时

不向外辐射能量，

电子从一个轨道跃迁到另一轨道时，

会辐射或吸收一定频率的光子，

光子的能量

由这两个定态的能量差决定。

成功地说明了

为什么氢原子及其它原子的光谱

是一些分立的光谱线的客观事实。

接着，

年青的博士生德布罗意出场了。

在爱因斯坦

光的波粒二象性思想的启发下，

德布罗意把光和物质进行类比，

认为，光有波粒二象性，

物质也有波粒二象性。

即认为，物质有粒子的性质，

同时也有波动的性质，

从而提出物质波的概念。

物质波概念指出，

我们日常看到的各种物质，

既有粒子的性质又有波动性质。

所以，物质不仅可以用

在各种力作用下运动的理论来解释，

而且还可以用波动传播的理论来解释。

例如人体，在日常生活中，

人体是摸得着、看得见的实体粒子，

但德布罗意认为，

人体还有波动的性质。

也就是说，每个人对应着一定的波长。

当然，人体的波长很长，

现在用仪器还无法测量出来。

既然物质是一种波，

那么，描写物质波的波动方程是什么？

（描写物质波的数学方程称为波动方程）

1926年，

奥地利数学物理学家薛定谔

发表了关于物质波传播的普遍理论

——薛定谔波动方程。

这一理论描绘出

原子中电子运动的新图景：

对于一定能量的电子，

电子绕原子核运转的轨道

并不是一种轮廓清晰的圆，

而是“概率密度”的“云”。

这片“云”可以伸展分布

在从零到无穷远的空间中，

在云密度最大之处

最有可能发现电子，

在云密度小的地方

发现电子的可能性小，

甚至在距离原子核一公里之外

也有可能发现电子。

当然，发现这个电子的概率很小很小，

十亿年中也出现不了一次。

但不管怎样，

总是有这种可能性。

这个图景告诉我们，

对于电子的运动，

我们不能说，

在空间的某一点上找到电子。

我们只能指出，

电子处在某一空间位置上的

概率（可能性）是多大。

这只是一种可能性，

并不意味着就一定出现在那里。

这就表明了某种不确定性的存在。

海森堡进一步发展这一思想，

研究提出海森堡测不准原理，

也称为海森堡不确定性原理。

海森堡测不准原理指出，

不可能同时以无限的精确性

测量、预言或知道

一个粒子的位置和动量（速度）。

也就是说，

如果你想准确测量粒子的位置，

那么，粒子动量（速度）的测量便变得不准确；

反之，如果你想准确测量粒子的动量（速度），

那么，粒子位置的测量便变得不准确。

这一原理摧毁了人类历史上

认为是真理的必然决定论。

必然决定论认为，

如果宇宙中所有大大小小物体的

位置和速度一旦知道，

如果作用在物体上各种力都知道，

那么，在将来的任何时候，

所有物体的位置和速度

都能得到精确计算和预言。

一切未来的事件

都是唯一的、确定的，

一切将来的结果

都来自于早期的原因。

而海森堡测不准原理却指出，

认识事物未来的状况

并不是如此简单、唯一和确定。

同时以足够的精确性测量、计算

物体未来的位置和速度，

在原则上是不可能。

总之，量子论指出，

我们在预测事物

未来发展变化的状态时，

我们不可能准确地、唯一地

预测出事物未来状态如何，

而只能预测出事物的

未来可能以几种状态存在，

每种状态出现的概率（可能性）多大。

例如，一个在读大学生，

大学毕业后，他将成为什么样的人？

考上研究生？

成为公务员？

还是成为一名中学老师？

或者是到企业工作？

甚至找不到工作待业在家？

……

这些都是可能的状态。

根据他现在的状况，

现在我们只能说，

他大学毕业后成为什么样的人

其概率（可能性）有多大，

而没办法确定地说，

他毕业后一定是什么样的人。

如考上研究生概率6

，

成为公务员1

，

找不到工作待业在家0

.01%

……

量子论的思想丰富而深刻，

对人类思想的影响

不只是否定了因果关系的

必然决定论，

取而代之以概率决定论。

在其它很多方面，

也对人类思想产生巨大的影响。

如上述的原子定态模型、

物质的波粒二象性、

薛定谔波动方程所描绘的电子云等，

还有量子隧穿效应、塞曼效应、

核自旋、量子纠缠、受激辐射等等性质，

展现出与我们传统观念完全不一样的世界图景，

这样的世界图景是真实的。

简要地说，

量子论使人类

对微观世界的基本认识

取得了革命性的进步，

成为20世纪最深刻、

最有成就的科学理论之一。

量子论与相对论一起

构成现代物理学的基础，

弥补了经典力学

在认识宇观世界、宏观世界

和微观世界方面的不足，

推动着科学技术向前飞速发展。

量子论的新思想开阔了人们的视野，

改变了人们认识世界的角度、方法和方式。

这么奇妙的量子论，有用吗？

量子论不仅有用，

而且就在你的身边！

有了量子论，

才有晶体管、集成电路的发明，

才有手机、电脑……

有了量子论，

才有激光技术的发明，

才有激光焊接、激光切割、激光制导、

激光唱片、激光矫视、激光武器......

有了量子论，

才有核磁共振技术的发明，

核磁共振技术在化学、生物学、材料、

勘探等领域都有非常广泛的应用，

大家最熟悉的核磁共振成像

就是核磁共振技术在医学上的应用。

碳纳米管、石墨烯、超导材料、

拓扑绝缘体材料、电子陶瓷、质谱仪、

同步辐射、原子钟、量子密码、量子通讯……

都是量子论应用的成果。

可以说，

没有量子论就没有我们多姿多彩的现代生活。

参考文献：

、郭奕玲．物理学史．北京：清华大学出版社，

1999

．

、【苏】瑞德尼克著，黄宏荃、彭灏译．量子力学史话．北京：科学出版社，

1979

．

《对人类思想产生巨大影响的科学发现》的其它短文请点击阅读：

◆

对人类思想产生巨大影响的科学发现（一）

——

序言

◆

对人类思想产生巨大影响的科学发现（二）——日心说：地球并不处于宇宙的中心（一）

◆

对人类思想产生巨大影响的科学发现（二）—— 日心说：地球并不处于宇宙的中心（二）

◆

对人类思想产生巨大影响的科学发现（三）—— 牛顿力学：天地合一，机械唯物主义的诞生（一）

◆

对人类思想产生巨大影响的科学发现（三）—— 牛顿力学：天地合一，机械唯物主义的诞生（二）

◆对人类思想产生巨大影响的科学发现（四）—地质渐变论：地球是变化着的地球

◆对人类思想产生巨大影响的科学发现（五） ——生物进化论：人类不是上帝的宠儿（一）

◆

对人类思想产生巨大影响的科学发现（五） ——生物进化论：人类不是上帝的宠儿（二）

◆对人类思想产生巨大影响的科学发现（六）-——细菌：疾病的元凶

◆对人类思想产生巨大影响的科学发现（七）——电子与放射性的发现：原子不是最小粒子

◆

对人类思想产生巨大影响的科学发现（八） ——量子论：人类思想的一场革命（二）

图片来源：兰毅辉闽南师范大学教授 / 闽江科学传播学者

文字来源：兰毅辉闽南师范大学教授 / 闽江科学传播学者

?您的点赞，是小编辛勤运营的最大动力！