为了解决这个问题,普朗克在1900年提出了一个大胆的假设,即黑体辐射的能量不是连续的,而是以一定的最小单位进行交换,这个最小单位就是普朗克常数乘以频率,即E=hf。这个假设意味着能量是量子化的,也就是说能量只能以整数倍的最小单位存在。基于这个假设,普朗克成功地推导出了符合实验观测的黑体辐射公式。但是,他并没有深入探究能量量子化背后的物理意义,而只是把它当作一个数学上的技巧。
直到1905年,爱因斯坦在解释光电效应时,才把能量量子化推广到了光本身。他认为光不仅是一种波动,还是一种粒子,即光子。每个光子都有一个确定的能量和动量,分别等于hf和hf/c。光电效应就是由于光子与金属表面上的电子发生碰撞而导致电子被释放出来的现象。爱因斯坦用光子理论成功地解释了光电效应的一些特征,比如说电子的动能与光的频率成正比,与光的强度无关等等。爱因斯坦的光子理论为量子力学奠定了基础。
量子力学:概率与不确定性
在20世纪初,物理学家们发现了越来越多的现象无法用经典物理学来解释,比如说原子结构、原子光谱、康普顿效应等等。为了解释这些现象,物理学家们不得不创立了一个全新的理论框架:量子力学。量子力学是一种描述微观粒子行为和相互作用的理论,它具有以下几个特点:
量子力学认为微观粒子不再有确定的位置和速度,而只有以波函数表示的概率分布。波函数可以用薛定谔方程来描述其演化过程。
量子力学认为微观粒子具有波粒二象性,即既表现为波动又表现为粒子。波粒二象性可以用德布罗意关系来表达,即λ=h/p。
量子力学认为微观粒子存在不确定性原理,即某些物理量之间存在着不可消除的测不准关系。例如位置和动量之间就有ΔxΔp≥h/4π。
量子力学认为微观粒子存在量子纠缠,即两个或多个粒子之间可以形成一种超距的关联,使得对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的状态,即使它们相隔很远。
量子力学的出现,让我们对自然界有了一个全新的视角,也带来了许多深刻的哲学问题。例如,量子力学是否完备?量子力学是否与决定论相冲突?量子力学是否与实在论相一致?量子力学是否与局域性相符?这些问题至今仍然没有定论,也激发了许多物理学家和哲学家的思考和探索。
总结
物理学的两朵乌云,迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射问题,是经典物理学的两个难题,也是20世纪物理学的两个契机。它们引发了相对论和量子力学的诞生,也揭开了一个神秘而奇妙的世界。这个世界充满了惊奇和美妙,也充满了困惑和挑战。我们应该怀着敬畏和好奇的心态,去探索这个世界的奥秘,去感受这个世界的魅力。