人文物理(量子论)

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1、人文物理量子论中的物理思想和人文精神物理学作为一门科学，它的形成和发展经历了近四、五百年的历史，到19世纪末，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立，使人们普遍产生了一种错觉，认为物理学的发展已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点，宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：“物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了。”在刚刚跨入20世纪的第一天，英国著名的物理学家开尔文在《元旦献词》中曾经说过：“在已经建成的大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。”

2、与众不同的是他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云，这两朵乌云指的是当时物理学无法解释的两个实验，一个是热辐射实验，另一个是迈克尔逊–莫雷实验。X射线、放射性和电子的三个发现，揭开了近代物理的序幕。当物理学进入20世纪，就诞生了量子论和相对论，开创了近代物理学。十九世纪末物理学的三大发现1895年德国物理学家伦琴发现X射线1896年法国物理学家贝克勒尔发现放射性1897年英国物理学家汤姆逊，发现了电子普朗克—开创物理学新时代的“量子”概念的提出者德国著名物理学家麦克斯普朗克少年时就酷爱科学和艺术，中学毕业后对

3、于人生道路的选择举棋不定，究竟是为科学奋斗终身呢，还是献身于音乐？普朗克几度徘徊，反复思考，最终还是选定了科学。1900年10月19日，在德国物理学会年会上，普朗克以《维恩辐射定律的改进》为题，报告了他修改后的公式。应当指出，普朗克公式当时完全是参照实验结果凑出来的。至于它的物理解释是什么，还是一个谜！鲁本斯把这“幸运地猜出来的内插公式”同最新的实验结果比较，发现：该公式在全波段与实验结果惊人地符合！普朗克也没有满足内差公式的成功。他在给伍德的信的信中写到：这属于物理方面的基本问题，…一定要不惜任何代价，找到一个理论根据。普朗克十分明白，

4、必须在热力学和电磁理论之外去寻找这个公式的依据。因为所有经典理论都已用尽了。普朗克又紧张工作了两个月，他终于发现，要对这个公式作出合理的解释，唯一的出路是作出一个大胆的假设：腔壁上的谐振子在发射和吸收电磁辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定份额的整数倍跳跃式变化的！1900年12月24日，普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了题为《关于正常光谱的能量分布定律》的论文，提出了与经典物理学格格不入的能量量子化假设：辐射黑体是由带电的谐振子组成，这些谐振子的能量只能处于能量子的整数倍，即,2,3,4,,nn为正整数，称为

5、量子数，对于频率为的谐振子来说，能量子为=hv，式中h是为普朗克常数。普朗克的能量子假设是对经典物理学基本观念的严重冲击！我们必须对这个假设作一审慎考察。普朗克的能量子假设是对微观谐振子模型作出的。如果这一假设正确，那么把它的结论引伸到宏观谐振子模型，应该不会发生矛盾，而宏观谐振子的理论结果已经为大量实验证明是完全正确的。对新理论的这种要求是玻尔后来提出的。关于对应原理，我们在对狭义相对论的讨论中已经使用过。如洛仑兹变换在v<

6、受的最巨大、最深刻的变革，它的影响绝不仅局限于物理学一门学科，它已经深远地触及到了人类“认识”本身的种种问题。自从17世纪以来，“一切过程都是连续的”这条原理几乎被认为是理所当然的。牛顿创立的微积分学（无限小量的演算方法）的基本精神正体现了这一点。在18世纪和19世纪的许多科学家心目中，也认为这条原理是勿庸置疑的。麦克斯韦的电磁理论以微分方程组的形式表现，使这种思想再一次获得认同。但是，能量子概念的提出，使连续性的观念破坏了。它表明：在自然界中存在着这样一些过程，它们的发生不是平稳的，而是跃变的，按照普朗克的说法是爆炸式的。能量子现象的揭

7、示向世人宣告：过去我们在假设一切因果关系都是连续的基础上建立起来的物理思想和方法，必须加以彻底的改造。科学的新时代从普朗克这儿开始了普朗克所作的研究其突出意义在于，他大胆地脱离了经典物理学的轨道，采用了辐射系统与辐射场间以不连续的方式交换能量的概念。对这种离经叛道的行为，当时的科学家们难以接受。据资料表明，从1900年到1904年，几乎找不到关于普朗克假设的研究与评论论文。科学界的沉默，说明他们完全没有悟到普朗克发现的意义。其实就是普朗克本人，虽因实验事实迫使他提出了能量子假设，但他自己也觉得难以置信。因而思想矛盾，犹豫不决。他曾说，“能

8、量子的存在，纯粹是一种形式上的假设”，但后来又说“这个假设正为一种理论打下基础，它今后会使人们对分子世界迅速而微妙的过程产生新的见解”。据普朗克儿子的回忆，那时普朗克曾说，他的发现要么荒诞不经