這樣系統的物理學史,你肯定沒有讀過!

十九世紀末,經典物理學三大分支,牛頓運動力學(含光是微粒說),熱力學,電磁學(含光是波動說)的基本框架都建立完畢,雖存在一些問題,但普遍認為剩下的只是修修補補的問題了。存在的問題有兩個問題,一是邁克爾遜--莫雷驗證以太不存在的實驗(主要屬於電磁學和波動學),二是黑體輻射問題(屬於熱力學)。

先談黑體輻射,黑體就是隻吸收輻射,不輻射的假想物體。當時有兩個公式,一個在輻射低的範圍內,較符合實驗,一個在輻射高的範圍內,較符合實驗,而這兩公式無法融合在一起。這是普朗克出場了,普朗克設想輻射的能量假如是一份一份的,不是連續的,這樣的話,這兩個公式就融合在一起了。

為什麼是普朗克呢,因為普朗克早先是熱力學物理家。然後研究原子時,就出現了盧瑟福模型,就是類似太陽系的模型,但是不久,就發現有漏洞,波爾根據盧瑟福原子模型和普朗克量子理論提出了電子軌道躍遷,解釋了氫原子模型。波爾的電子躍遷理論就是原子中的低能軌道電子從外界獲得一份能量,就瞬時(幾乎不需要時間)跳躍高能軌道上,反之放出一份能量,就越回低能軌道。

注意這裡已經和光速不變原理產生了矛盾。後來不確定原理出現了,這個矛盾更明顯了。不確定原理最初版本是指粒子的動量和位置不能精確測量,原因是測量工具不精確造成的,後來隨著不確定原理應用範圍的擴大,解釋也發生了改變。由原先測量系統只包括測量工具和和測量對象,概率出場,用於解釋不確定性。

後來發展成測量系統包括觀察者,測量工具和測量對象。並經過薛定諤的波動方程,確立了波函數。最終通過薛定諤貓假想,變了粒子你不觀測就不存在,或者是同時存在於不同位置,你一觀測,波函數坍塌,粒子只存在於某一確定位置的解釋。

這期間形成愛因斯坦波爾那場關於因果決定輪和非決定輪的爭論。注意這場爭論的焦點或主戰場不在物理層面,而是在哲學層面。以至於愛因斯坦提出了後面的關於量子糾纏的假想實驗。期間還發現了量子的勢壘現象,即量子穿過某些勢壘不需要時間或超光速。

也就是說量子力學和光速不變原理從一開始各自建立時,就存在著根本矛盾,以至於二者無法融合。回過頭來,在談一下以太,以太是以牛頓的絕對時空觀背景,為了解釋光的波動學說提出的,那時候認為波傳遞需要介質,光是波,所以也需要介質,這個介質呢就是以太。以太具有沒有阻力靜止充滿空間的特質,而且作用只是為了光的傳遞,對萬有引力沒有影響。結果邁克爾遜--莫雷的實驗,驗證了以太沒有存在。其實筆者個人認為當時這個實驗的影響並不是很大的,但隨著狹義相對論的出現,才著名了起來。

當時的經典物理界中,麥克斯韋的電磁方程中,光的速度是確定的,取決於真空的介電常數和磁導率的比值,是定值。在電磁方程中,沒有涉及到參照系。而牛頓力學研究各種運動時,需要參照系,尤其是速度。這兩者有矛盾,同時有都各自邏輯嚴密,理論出色。這是個二選一的模式。洛倫茲選擇了維護牛頓力學,提出了運動方向物體收縮和公式,保留以太。而愛因斯坦選擇了麥克斯韋方程提出了光速不變原理,踢出以太,進而建立了狹義相對論。

值得一提的是愛因斯坦的狹義相對論一開始並不是發表在當時著名的物理雜誌上的。而是發表於類似於現在發論文評職稱那種雜誌上的。這也造成了相對論一發表就爭議不斷,直至現在。假如當時投稿著名雜誌,很可能就夭折了。有意味的是愛因斯坦用馬赫的哲學來為自己的狹義相對論辯護,因為馬赫的哲學強烈批判了牛頓的絕對時空觀。但是馬赫本人卻不認可相對論。爭論中,愛因斯坦處於劣勢,最後普朗克這位熱力學大牛和量子論的鼻祖又出場了,他支持狹義相對論,最終狹義相對論的地位才被確立了。

普朗克這人也很有意思,他本人提出了量子,隨後又自我反悔,認為量子不好,打算收回,然後又支持愛因斯坦。而愛因斯坦發表的五篇論文中,除了相對論,還有關於布朗運動的研究和光電效應的解釋,一涉及熱力學一涉及量子。至於其中原因,讀者自己體會吧。總之狹義相對論產生了影響。隨後關於量子理論,愛因斯坦總得來說是主要支持波動說的,比如物質波。但微粒說也無可抹殺,因為量子當時是傾向於微粒說的,量子是能量包。

最後由愛因斯坦定論于波粒二象性。從筆者以上梳理的脈絡看,物理研究並不是純真無邪的,你有好理論,但未必被馬上認可。這是你首先要做到的是,你得先有一個好的師承,沒有好師承也行,但得有大牛在背後支持你,不然好的情況是理論晚被認可,不好的情況就淹沒了。也就是人脈關係,具體可參考物質波和電子自旋,這都是愛因斯坦先認可,然後迅速的被認可。

其次我們看諾獎,量子理論發展的初期,物獎出現了好多研究量子論者,而相對論方面很少,勢利範圍所致。還有一個有趣的問題:以太被否定了,但是狄拉克又提出了量子虛空,真空中會隨時憑空出現正負粒子對,然後又湮滅掉,即真空不空。這何嘗不是另一種形式的以太。狄拉克借鑑了狹義相對論建立了狄拉克方程,從中推出了正電子。解釋時涉及了量子虛空,真空存在零點能,從零點能的能量海中踢出去一個電子能量包,剩下的那個坑就是正電子。所以說,關於以太存不存在的結論,我們還是要慎重下結論的。至於光速不變原理也要慎重對待,不要輕易下結論的。


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