物理世界奇遇记8：量子台球（中）

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1、物理世界奇遇记8：量子台球（中）物理世界奇遇记8：量子台球（中）物理世界奇遇记8：量子台球（中）物理世界奇遇记8：量子台球（中）物理世界奇遇记8：量子台球（中）　　　　在前两次演讲中，我曾努力对你们说明，由于发现一切物理速度都有一个上限，以及对直线这个概念进行了分析，我们完全改造了19世纪的时空观念。　　　　但是，对物理学基础进行批判分析所得到的进展，并没有停止在这个阶段上，接着又有了一些更加令人惊奇的发现和结论。我这里所指的是物理学中那门被称为量子论的分支学科，它同时间和空间自身的性质关系不大，但同物体在时间和空间中的相互作用和运动却有密切的关系。　　　　古典物理学总是认为，不需要任何证明

2、就可以肯定地说，通过改变实验的条件，可以把任何两个物理客体之间的相互作用降低到要多小有多小，在必要时甚至可以把它降低到实际上等于零。譬如说，在研究某些过程所产生的热时，人们要担心放进温度计会把一部分热量带走，从而使所要观察的过程不能正常进行，但是，实验工作者们总是确信，采用比较小的温度计或非常精致的温差电偶，就能够把这种干扰降低到所要求的精确度极限以下。　　　　过去人们确信，从原理上说，任何一种物理过程都可以用任意高的精确度进行观察，观察本身并不会对所观察的过程产生干扰。这种信念是那么根深蒂固，因此，人们从来没有想到需要把这样一种提法明确地加以说明，并且总是把所有有关的问题都当作纯技术性的困

3、难来处理。但是，20世纪开始以来所积累的许多新的实验事实，却不断促使物理学家作出结论说，真实的情况确实要复杂得多，并且，在自然界中存在着一个确定的互相作用下限，这个下限是永远不能超越的。就我们日常生活中所熟悉的各种过程而论，这个天然的精确度极限小到可以忽略不计，但是，当我们所要处理的是在原子或分子这类极微小的力学系统中发生的过程时，这个极限便变得非常重要了。　　　　1900年，德国物理学家普朗克在从理论上研究物体与辐射之间的平衡条件时，得出了一个令人惊讶的结论说，这种平衡是根本不可能达到的，除非我们假设物质与辐射之间的相互作用并不像我们通常设想的那样连续，而是通过一系列不连续的‘冲击’来实现

4、的，在每一次这样的基本相互作用中，都有一定量的能量从物质转移给辐射或从辐射转移给物质。为了达到所要求的平衡，并且使理论同实验事实相一致，必须在每次冲击所转移的能量与那个导致能量转移的过程的频率之间，引入一个简单的数学比例关系式。　　　　这样一来，普朗克不得不作出结论说，在用符号h代表这个比例常数时，每次冲击所转移的最小能量可由下式算出：E=hν　　　　式中ν是辐射的频率。常数h的数量值等于×10-34焦·秒，它通常被称为普朗克常数或量子常数。量子常数的数量值极其微小，这就是我们在日常生活中通常观察不到量子现象的原因。　　　　普朗克这种想法的进一步发展应该归功于爱因斯坦，他在几年后得出了一个结

5、论说，辐射不仅仅在发射时才分成一个个大小有限的、分立的部分，并且永远以这样的方式存在，也就是说，它永远是由许多分立的“能包”组成的。爱因斯但把这种能包称为光量子。　　　　只要光量子在运动着，那么，它们除了具有能量hν以外，还具有一定的动量，根据相对论性力学，这个动量应该等于它们的能量除以光速c。正如光的频率同波长λ之间存在着ν＝c/λ的关系一样，光量子的动量p同它的频率也存在着下面的关系：p＝hν/c＝h/λ　　　　　由于运动物体在碰撞中所产生的力学作用取决于它的动量，我们必须作出结论说，光量子的作用随着波长的减小而增大。　　　　最出色地证明存在光量子和光量子具有能量和动量这个想法的实验事实

6、，是美国物理学家康普顿的研究所提供的。他在研究光量子和电子的碰撞时，得到了这样一个结果：因受光线的作用而开始运动的电子的表现，正好同电子被一个具有式和所给出的能量和动量的粒子击中时相同。光量子本身在同电子碰撞以后，也显示出发生了某些变化，这也同量子论的预言非常相符。　　　　我们目前可以说，就辐射同物质的相互作用而论，辐射的量子性质已经是完全确定下来的实验事实了。　　　　量子概念的更进一步的发展归功于著名的丹麦物理学家N.玻尔，他在1913年最早提出了这样一个想法：任何一个力学系统内部的运动只可能具有一套分立的能量值，并且，运动只能通过有限大小的跳跃而改变其状态，在每一次这样的跃迁中，都会辐射

7、一定量的能量。他的这种想法是受到当时对原子光谱的观察结果的启发：当原子中的电子发出辐射时，最后得到的光谱并不是连续的，而只含有某些确定的频率——线光谱。换句话说，根据等式，所发出的辐射只能具有某些确定的能量值。如果玻尔关于发射体的容许能态的假说是正确的，那么，出现线光谱的原因就很容易理解了。　　　　确定力学系统各种可能状态的数学法则要比辐射的公式复杂得多，所以我不想在这里讨论。简单地说吧，如果想圆满地描述像电