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我會做好幾集量子力學的文章,從起源然後,前期中期後期最後到近代,我會講這些物理學家,途中遇到那些困難,又做了哪些實驗,到底怎麼解決這些棘手的問題。
當時的經典物理學界有4大未解之謎有:
1氫原子光譜 2光電效應 3黑體輻射 4原子的穩定性
我會為大家依照時間軸一一講解這些問題,然後我的youtube影片,每個星期都會更新,如果你有興趣的話,一定要訂閱這個頻道,訂閱時記得按讚,開啟旁邊的小鈴鐺
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我們故事開始吧!
威廉·湯姆森,第一代開耳文男爵(William Thomson, 1st Baron
Kelvin,1824年6月26日-1907年12月17日),即克耳文勳爵(Lord Kelvin),後面我就稱他為開爾文勳爵,在北愛爾蘭出生的英國數學物理學家、工程師,也是熱力學溫標(絕對溫標)的發明人,被稱為熱力學之父,那為什麼要介紹他呢?
開爾文是19世紀英國傑出的理論物理和實驗物理學家,他開創了熱力學溫標並提出了熱力學定律,是當時物理界的權威。而開爾文勳爵被後人津津樂道的另一件事就是預言了近代物理的兩大發現:相對論和量子力學。
19世紀的最後一天,歐洲著名的科學家歡聚一堂。在聚會上,開爾文勳爵發表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說,物理大廈已經落成,然而,物理學美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏雲籠罩了,第一朵烏雲出現在光的波動理論上,也就是邁克耳遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾;第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼Maxwell-Boltzman理論上,也就是熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中,得出與實驗不等的結果,其中尤以黑體輻射理論出現的「紫外災難」最為突出。
當時,物理學的發展已經相當完美,一切物理現象都能從相應的理論中得到滿意的回答。牛頓力學以及分析力學已成為解決力學問題的有效的工具。麥克斯韋的電磁場統一理論可以用來解釋各種電磁以及波動光學的基本問題。
然而很巧不巧的是,開爾文提到的兩朵烏雲預言了近代科學的兩大發現:相對論和量子力學。
第一朵烏雲
過去人們認為,波的傳播需要介質,那麼光在真空中傳播的介質是什麼?人們認為是「以太」。牛頓在發現了萬有引力之後,卻碰上了難題:在宇宙真空中,引力由什麼介質傳播呢?
古希臘的學者亞里士多德認為下界為火、水、土、氣四元素組成;上界由第五元素,「以太」組成。後來隨著化學的發展,亞里士多德的五元素說逐步退出科學的殿堂。牛頓發現萬有引力後,為了解釋萬有引力在真空中的傳播,牛頓復活了亞里士多德的「以太」說,認為「以太」是宇宙真空中引力的傳播介質。後來,物理學家又發展了「以太」說,認為「以太」也是光波的傳播介質。但是,肯定了「以太」的存在,新的問題又產生了:地球以每秒30公里的速度繞太陽運動,就必須會遇到每秒30公里的「以太風」迎面吹來,同時,它也必定會對光的傳播產生影響。
為了觀測「以太風」是否存在,1887年,邁克耳遜與莫雷合作,在克利夫蘭進行了一個著名的實驗:「邁克耳遜-莫雷實驗」,即「以太漂移」實驗。「以太風」速度為0時,兩束光應同時到達,因而相位相同;若「以太風」速度不為零,即裝置相對以太運動,則兩列光波相位不同。簡單說既然已太是介質,利用實驗裝置造成光速有快有慢,利用這個快慢差可以計算出乙太這個傳播介質,例如光在水中的速率約為空氣中速率的3∕4。
實驗結果證明,不論地球運動的方向,同光的射向一致或相反,測出的光速都相同,在地球同設想的「以太」之間沒有相對運動。也就是假如地球是這樣運動,
你測後面追趕上來的光,照理會比前面的光快一點才對,但是這些科學家發現,
前面的光跟後面的光,測出的光速都相同,不管你怎麼測光速都相同,這就是歷史上很有名的光速不變。這就有點尷尬了,本來想測出光速的快慢差來算出乙太介質。結果卻發現光速不變。
邁克耳遜一莫雷實驗使科學家物理學家處於左右為難的處境。他們或者須放棄電磁及光的許多現象的以太理論。如果他們不敢放棄以太,那麼他們必須放棄比「以太學」更古老的哥白尼的地動說。經典物理學在這個著名實驗面前,真是一籌莫展。
這個時候偉大的愛因斯坦出現了,他果斷地拋棄了以太說並建立了相對論,成功地兼容了牛頓力學和電磁學。標誌著近代物理學的誕生。我們後面還會提到愛因斯坦跟他的相對論
下集我要講,赫茲證明電磁波意外發現光電效應 | 氫原子光譜和神人巴耳末。
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