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連赫茲也不知道,他已經親手觸摸到了「量子」這個還在沈睡的幽靈

2024-07-12科學

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還記得上一篇咱們介紹光的波動性嗎?楊的雙縫幹涉實驗證明了光具有波動性,將牛頓一直帶給大家的「光是粒子性」的認知給顛覆了。


彼時的19世紀,光是一種波已經廣為人知,後面更證明了 光是一種橫波 ,也就是類似水波那樣,振子做相對傳播方向垂直運動的波。


並且在1821年,由菲涅爾用橫波理論成功地解釋了偏振現象,攻克了光是一種波這個「證明之役」中最難以征服的據點。


而偉大的馬克士威在1856年、1861年和1865年發表了三篇關於電磁理論的論文,這三千篇論文的地位在整個物理學發展史上是舉足輕重的,其輝煌燦爛絕不亞於牛頓力學。因為他發現了電磁波,而且預言,光其實只是電磁波的一種。用【上帝擲骰子嗎?:量子物理史話】一書的原話說就是:

從微波到X射線,從紫外線到紅外線,從γ射線到無線電波……普通光線只是它統治下的一個小小的國家罷了。


並且後來經過赫茲等人的整理,提煉出一個極其優美的核心,也就是 著名的麥氏方程式組


大家一定好奇麥氏方程式組長什麽樣,其實咱們中學物理都學過,只不過都還給老師了,我用大模型回答了下,大家看看,也不用管怎麽理解,暫時不是我介紹的重點 😅 :


大家只要清楚,馬克士威方程式組是經典電磁學的核心理論,統一了電學和磁學現象,對現代物理學的發展產生了深遠影響。


此時的19世紀末,經典的牛頓力學依然屹立不倒,無論是天上的行星,還是地上的石塊,都遵循著他的規律,牛頓就像一位預言家一樣,掌握了世界執行的規律。隨著1846年海王星的發現,更是推向了高潮。因為在海王星的發現過程中,根據萬有重力定律,天文學家透過計算天王星的軌域異常,推測出可能存在一顆未知的行星在影響著它的執行。這一理論為亞當斯和勒維耶的計算提供了基礎,也為海王星的發現提供了重要的線索。因此,可以說牛頓的萬有重力定律是海王星被發現的重要原因之一。



書中還提到此時:

在光學方面,波動已經統一了天下,新的電磁理論更把它的光榮擴大到了整個電磁世界。


在熱方面,熱力學三大定律已經基本建立(第三定律已經有了雛形0。經典力學、經典電動力學和經典熱力學(加上統計力學)形成了物理世界的三大支柱。

而時鐘悄悄來到了1887年,一個實驗證明了光具備粒子性。這就是赫茲在論文【論紫外光在放電中產生的效應】中提到的,當紫外線照射金屬的時候,會讓金屬釋放電子,就像彈出來一樣,而只有光是粒子性的,才會在照射到金屬表面的時候而這些微小的粒子就是光子。


我們還記得上篇提到,牛頓很早就說過光是一種微粒子,但是他想象中的粒子更像是經典意義上的粒子,具有確定的位置和動量,類似於彈丸或者小球,能夠沿直線傳播並撞擊物質表面,這在當時用來解釋光的直線傳播和反射。但是無法解釋光的幹涉和繞射,最終被楊等人的證明所駁斥了。


而赫茲的實驗,證明了只要光的能量高到一定程度,達到紫外線級別,就可以激發金屬釋放出電子,雖然他還不理解這是為什麽,就像書中的一個引言一樣:

連赫茲自己也不知道,他已經親手觸摸到了 「量子」 這個還在沈睡的幽靈。

這個幽靈最後由愛因史坦在解釋光電效應時提到了赫茲的實驗,並證明,引入了「光量子」的概念,這是後話了,咱們下篇繼續科普。

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