03.02 量子論的奠基人是誰?

愛笑的潔寶


這個名單會有些長,不象愛神單槍匹馬就創造了相對論,偌大天空只有他一個太陽閃耀,量子的星空卻是星光燦爛,令人目不暇接。

還是先回到上個世紀之初。

十九世紀的最後一天,歐洲最睿智的大腦歡聚一堂,並由其中最負盛名的開爾文爵士發表了新年致辭,爵士回顧了十九世紀物理學的成就,指出物理學大廈已經建成,剩下的只是一些修飾工作,但是,爵士還是謹慎地指出了當時物理學的兩朵烏雲,一是邁克爾遜——莫雷實驗,一是普朗克的黑體輻射,爵士的謹慎使得他在這場花樣打臉大賽中保留了些許尊嚴,因為這兩朵烏雲帶來了漫天風暴,徹底顛覆了經典力學。

其中一朵烏雲引爆了相對論,另一朵烏雲就是引發了量子論,不過相對於愛神那種爆炸式的影響,量子論卻更象一個連鎖反應,因為其提出者是溫爾文雅的學術古柏普朗克。

插一句題外話,物理學家大多是英俊少年,就算現在一直蓬頭垢面的愛神,年輕時也是帥哥一枚,如果他們組一個組合,絕對是地球第一天團,這還沒有算他們的才華,僅僅按他們的顏值來算,不過他們中最酷的還是絕世美少年普朗克。

絕世美少年普朗克

普朗克出身世家,其曾祖父和祖父都是神學教授,神學在當時可謂是顯學,一代天驕牛爵爺就是神學大師,父親和叔叔是法學教授,叔叔還是德國民法典的創立人之一。

少年普朗克頗有音樂天賦,擅長鋼琴、管風琴和大提琴,而且還會作曲,愛神雖然也雅好小提琴,但也只是票友水平,是萬不能和貴公子相比的,而且還擁有絕世美顏,放在今天,這就是國民老公啊,無論從哪方面看,這都是一個完全可以靠臉吃飯的範例,可是他偏要靠才華。

即便靠才華,他也沒有選擇家學淵源的神學和法學,而是物理。

在著手黑體輻射之前,對,對黑體輻射的研究就是量子論的開端,普朗克已經是聲明卓著,他計算出了玻爾茲曼常數,玻爾茲曼是熱力學第二定律熵公式的提出者,關於玻爾茲曼的一生可謂是波瀾壯闊,關於他的故事這裡就不再詳說了,有興趣的話可以移步我的頭條號,那裡有一篇文章《孤獨的旅人:玻爾茲曼》,另外還可以看我的回答《有哪些物理定律理論原理的詮釋震撼了你的三觀》《進化論和熱力學第二定律矛盾嗎》《學到熱力學第二定律有種“悲從中來”的感覺,如何排解?》這些都有偉大的玻爾茲曼的故事。

普朗克把常數命名為了玻爾茲曼常數可以彰顯他的偉大,還記得當年爵爺和萊布尼茨的微積分發現權之爭嗎?

還是返回來繼續說黑體輻射,

在現實世界中,任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的本領,光與熱都是一種電磁波,這已經是一種共識。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的,也就是具有一定的譜分佈。這種譜分佈與物體本身的特性及其溫度有關,所以就被稱為熱輻射。

為了研究不依賴於物質具體物性的熱輻射規律,物理學家們定義了一種理想物體——黑體(black body),以此作為熱輻射研究的標準物體。黑體就是物理學家們眼中的完美世界,黑體就是在任何條件下,對任何波長的外來輻射完全吸收而無任何反射的物體,即吸收比為1的物體。理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射,並將這些輻射轉化為熱輻射,其光譜特徵僅與該黑體的溫度有關,與黑體的材質無關。

當時對於黑體輻射的表達式是維恩近似,由威廉.維恩在1896年提出,從名字就可以看出來,維恩也有點心虛,只把他的成果稱作了近似,因為維恩近似僅僅適用於高頻區。

普朗克將維恩近似加以改良,並將玻爾茲曼熵公式重新解釋,在1900年提出了物理學上最簡潔也是最偉大的公式之一——普朗克公式。

E=hv,其中,h為普朗克常量,v為頻率

普朗克曲線

普朗克公式是經典物理學與現代物理學的分野,第一次表達出來量子的觀念,經此一役,物理學才化蛹為蝶,可以翩翩飛舞於宇宙之中。

但是普朗克為人謙遜,不象愛神那麼張狂,他只是提出了電磁波的量化表達式,可沒有提出電磁波的量子化概念。

那麼量子化概念要誰提出呢?當然是愛因斯坦,你沒有看錯,就是愛因斯坦,他雖然後半輩子專業懟量子學派,但是他確實是量子論的奠基人,意不意外?驚不驚喜?

這都是愛因斯坦,意不意外?驚不驚喜?

1905年,是物理學奇蹟年,也是愛因斯坦年,這一年愛神取得的成就只有當初爵爺的鄉下隱居歲月可以相比。

這一年,愛神發表了五篇論文,都是開天闢地的論文,都是諾貝爾獎級別的論文,其中就有大家最熟悉的《論動體的電動力學》,就是我們俗稱的狹義相對論,還有一篇就是關於光電效應的,愛神因此獲得了一生唯一的一次諾貝爾獎。

想一下我們生活中的光電開關吧,在我們遮擋那一束光的時候一定要心懷敬畏,因為那是我們最接近這些大神的時刻。

光電效應最早由赫茲提出,最完美的解釋本來可以由普朗克提出,不過普朗克天生謹慎,就是普朗克常數他也認為是一個普通常數,擔心會引起軒然大波,這個事情只好交y由愛神來幹,反正愛神也不害怕吵架,他這一輩子就靠吵架活了,三天沒人吵架就覺得不舒服。

1905年,愛神發表論文《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點》,對於光電效應給出了一種解釋。他將光束描述為一群離散的量子,現稱為光子,而不是連續性波動。頻率為v的光子擁有的能量為E;其中,因子是普朗克常數。

是不是很熟悉,對了,這就是普朗克公式啊,愛神認為,組成光束的每一個量子所擁有的能量等於頻率乘以普朗克常數。假若光子的頻率大於某極限頻率,則這光子擁有足夠能量來使得一個電子逃逸,造成光電效應。

愛神解釋了為什麼光電子的能量只與頻率有關,而與輻照度無關。而且愛神的解釋還復活了牛爵爺的光的微粒說,在惠更斯的帶領下,經過托馬斯楊的雙縫實驗,還有泊松亮斑實驗(泊松就是個豬隊友),爵爺的光的微粒說節節敗退,波動說佔據了上風,可是愛神的解釋讓古老的微粒說又煥發了活力。

誰說愛神是魔鬼派來專業懟爵爺的,在大義面前,兩人配合的還是很默契的。

而且,愛神的解釋還直接啟發了後來的波粒二象性,所以愛神是當之無愧的量子論的奠基人。

愛神的興趣主要是相對論,普朗克也對創建新理論興趣不大,還得請人來才能創建量子論。

下面有請丹麥足球守門員玻爾出場。

帥哥玻爾

你沒有看錯,我也沒有寫錯,玻爾大神確實是哥本哈根大學足球隊的守門員,而且丹麥足球也確實獲得過奧運會銀牌,而且當時國家隊中也確實有一位玻爾,不過那是他弟弟,他本人為什麼沒有參加奧運會呢?

因為他守門的時候喜歡在門框上寫數學公式,這就有點心不在焉了,人家在拼命踢球,你在算數學題,讓人家踢了空門咋辦?

不說足球了,說起來就心塞,還是說量子論。

當時盧瑟福已經提出了原子模型,就是行星模型,這可以可以解釋α粒子散射,但是不能解釋原子的穩定性和原子光譜的特徵。

原子行星模型

在這個模型裡,電子像太陽系的行星圍繞太陽轉一樣圍繞著原子核旋轉。但是根據經典電磁理論,這樣的電子會發射出電磁輻射,損失能量,以至瞬間坍縮到原子核裡。這是不穩定性。

而且電磁輻射會發出光,按理說光譜會是連續的,可實際上氫原子會散射出多條光譜線,並不是連續的,而且毫無規律,令人們大惑不解

這個時候,還沒有輪到玻爾出場,瑞士數學教師巴爾末出場了,巴爾末號稱給他任意一些數字他都能找到其規律,這哥們如果活到現在,絕對能上《最強大腦》,於是有人就把雜亂無章的氫原子光譜線給了他,看他怎麼吹牛破產,沒想到,他還真研究出來了,這就是巴爾末系。

公式太難寫了,還是上圖片吧

巴爾末公式說明這些看似毫無規律的光譜線還是有規律可循的,這個公式中的B叫做裡德伯(Rydberg)常數,這個常數是和普朗克常數由關係的,這個關係後來由玻爾推導出來。

終於輪到玻爾出場了。

為了這麼複雜的光譜,玻爾被折磨得生不如死,不死不活,亦死亦活,沒錯,就跟薛定諤那隻貓一樣,可是1913年2月,他的朋友來訪,給他說起了巴爾末系,波爾頓時猶如醍醐灌頂,豁然開朗,玻爾稱之為“二月轉變”。

玻爾就此提出了玻爾原子模型,大意是:電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動,離核愈遠能量愈高;可能的軌道由電子的角動量必須是 h/2π的整數倍決定;當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量,只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發射或吸收能量,而且發射或吸收的輻射是單頻的,輻射的頻率和能量之間關係由 E=hv給出。

至此,量子論已經創建完畢,量子論的奠基人就是普朗克、愛因斯坦和玻爾。

但是玻爾的原子模型存在著缺陷,就是隻能應用於氫原子,對於多原子的物質並不適用,這該腫麼辦呢?

那就是量子力學的問題了,就該諸位星星登場了,泡利、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克、波恩、費米、康普頓紛紛你方唱罷我登場,一時間星光璀璨,愛神也開創了“一人敵一門”奇蹟。

既然題主只問量子論,那就不再多說了。

再說幾件關於玻爾的軼事,他弟弟曾獲得奧運會銀牌,這剛才已經說過了,而且還是數學家,玻爾的兒子也是一位物理學家,也獲得了諾貝爾獎,憑著這一點,玻爾超過了愛神,報了當年的一箭之仇。

在二戰期間,由於丹麥被德國佔領,逃離丹麥時,飛機飛得很高,玻爾竟然因為沒有戴氧氣面罩暈了過去,一種說法是玻爾專注思考,忘了戴面罩,就跟他在足球場上一樣,還有一種說法是玻爾臉太大了,戴不上面罩,這得多大的臉啊。

玻爾把家徽定為太極圖,因為他對量子力學提出的解釋就是互補原理。

我們可以腦洞一下這三位大神在討論完問題之後的場景。

玻爾:老愛,別叨叨了,要不咱倆玩會兒足球,愛神呵呵一笑,拿出小提琴,說:咱們還是比比音樂造詣吧,普朗克聽到了,敲了敲鋼琴說,小愛,你說什麼呢?愛神表示,我什麼也沒說。

挺好玩,是吧?要想了解這些大神的故事,這一篇回答是不夠的,厚顏無恥地做個宣傳,麻煩大家關注一下我的頭條號,那裡的文章說的細緻一些。


閒時亂翻書


跟相對論幾乎是愛因斯坦單槍匹馬所創立不同,量子理論的創立者,或者按所提問題的說法——奠基者,卻是一大群。這些人當中,有些是直接的貢獻者,有些是間接的。本文結合量子論的創立歷史過程,認為主要的奠基者大約有14個人。根據其歷史發展過程,量子理論的建立過程大概可以分為三個階段,即:初步引入量子概念階段;用量子化來解釋一些實驗事實、建立初步理論及提出基本原理階段;最後是全面建立並完成量子力學理論的階段。

1927年在布魯塞爾召開的第五屆索爾維會議合影。其中沒有包括索末菲、約爾丹、烏倫貝克和古茲密特。

第一階段涉及兩位人物,一是普朗克,二是愛因斯坦。先是普朗克在1900年,發現如若不將能量在物質內部的傳遞看做連續譜,或者說,能量的交換是一份一份傳遞的話,則長久以來存在於黑體輻射公式中的所謂“紫外災難”就可迎刃而解。普朗克把這樣的一份能量稱為一個“能量子”,並給出了能量子的表達式及所謂“普朗克常數”。但這個概念並沒有獲得多數人的贊同,這時候,愛因斯坦登場了。他在1905年解釋光電效應時,提出光的能量傳遞也是量子化的,其份額就是“光量子”,或簡稱“光子”。 這種解釋,一方面說明了電子為什麼會從金屬表面逸出,另一方面也復活了牛頓曾經主張的光“微粒”說。

索末菲

第二階段的主要人物包括玻爾、索末菲、德布羅意、康普頓、泡利、烏倫貝克和古茲密特。玻爾在1913到1922年間提出自己的原子模型,解釋氫原子特徵光譜的特異性,亦即原子核外電子軌道的選擇性,同時提出了量子躍遷概念,並最後解釋各種原子電子軌道的分佈。索末菲在1919年修正了玻爾的理論,提出所謂“精細結構常數”。德布羅意則在1922年提出量子性和波動的關聯性概念,即物質波。康普頓是在1923到1924年通過X光散射實驗進一步證明了光的粒子性。泡利1924年提出“不相容原理”,烏倫貝克和古茲密特1925年建議了電子自旋假設。這階段一方面是量子化概念開始深入人心,另方面是建立了一些新的概念和基本原理,比如波粒二象性、量子態的不相容原理和電子自旋。量子理論的最後形式——量子力學已經是呼之欲出。

烏倫貝克、克拉默斯、古茲密特

第三階段,亦即量子力學創立階段的主要人物是海森堡、約爾丹、玻恩、薛定諤和狄拉克。1925年,海森堡在約爾丹和玻恩的協助下創立了“矩陣力學”,此後不久,又改稱“量子力學”。1926年,薛定諤創立“波動力學”並提出“波動方程”以及“波函數”,之後不久他又證明波動力學與矩陣力學在數學上的等價性。之後,1927年,海森堡提出“測不準原理”,統一的量子力學就此基本大功告成。這個理論還有個bug,即未與相對論聯繫起來,這個最後的本壘打,由狄拉克在1928年完成。其後,就是關於量子理論的統計性解釋和完備性問題了,但這些應該都屬於對量子理論大廈的最後裝修而已。

約爾丹

綜上所述,量子論的基本奠基者包括:德國人普朗克、愛因斯坦、海森堡、玻恩、約爾丹和索末菲;丹麥人玻爾;奧地利人薛定諤和泡利;荷蘭人烏倫貝克和古茲密特;法國人德布羅意;英國人狄拉克;美國人康普頓等14人(有些資料認為奠基者還包括勞厄、希爾伯特、費米、諾依曼、維恩、費曼和玻色等人。見仁見智吧)。其中愛因斯坦、泡利、烏倫貝克和古茲密特等後來都移居美國。

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