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埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克,饱受争议,促进量子力学发展

2024-10-13科学

●○前面的话○●

20世纪初的时候,经典物理学碰到了一堆难题,微观世界的现象它解释不了。就在这个节骨眼上,德普朗克靠着自己独特的思考和大胆的尝试,带着物理学走进了一个崭新的时代,也就是量子力学时代。

●○生平与早期研究○●

埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克1887年4月3日生于德国基尔,在他家七个孩子里排行老大。

他的爸爸弗里德里希·德普朗克是很有名的法学教授,他妈妈玛丽亚·布兰克呢,是音乐世家出身。

德普朗克的家庭知识渊博,音乐氛围也浓厚,他从小就在这样的家庭里接受了良好的教育和培养。

德普朗克早年对数学和音乐有着特别的兴趣。他很爱音乐,钢琴和小提琴都弹(拉)得很棒,这种音乐天赋在他后来的科学研究里起到了重要的作用。

青少年时期的德普朗克,对物理学和数学知识特别感兴趣,于是开始去看这两个领域的书籍和论文了。

1903年,普朗克到基尔大学上学了,开始学物理学和数学专业。在大学的时候,有个教授鼓励了他,这让他在热力学和电磁学这些领域学得更深了。

在这个时候,他开始涉足理论物理学了,对原子物理学特别感兴趣。1906年到1907年,德普朗克去慕尼黑和哥廷根做学术交流,还拜访了玻尔、斯特恩和普朗克这些有名的物理学家。

德普朗克回到基尔大学之后,在1906年拿到了博士学位,1911年的时候,他成了维尔茨堡大学的副教授。

在之后的几年中,他的学术生涯发展得很不错,声学、电磁学、统计物理学等领域都有他的研究涉足。

不过呢,就在黑体辐射的研究里,德普朗克提出了能量量子化这个理论,这一下就把他的学术生涯还有整个物理学的发展方向都彻底给改变了。

1900年代末的时候,德普朗克把精力放到黑体辐射问题上去了,这个问题在当时可是热辐射理论里的一个大难题呢。

经典物理学预测辐射能量应该连续分布,可实验观测结果不是这样的,这种情况就被叫做紫外灾难。

德普朗克研究的时候用了一种很大胆的思维方式,他假定辐射能量不是连续分布的,是有不可分割的能量单元存在的,这种能量单元就被叫做「能量子」。

德普朗克提出的量子化假设,很好地解释了黑体辐射谱的实验结果,他也因此成为量子理论的先驱者之一。

●○黑体辐射和能量量子化○●

在埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克的学术生涯里,黑体辐射和能量量子化是很重要的突破,这两个理论对量子力学的奠基起着关键的作用。

19世纪末20世纪初,物理学里有个重要的难题,那就是黑体辐射问题。黑体呢,就是那种能完美吸收和辐射的物体。这种物体被加热到高温的时候,就会发出热辐射,热辐射就是物体按照自身温度发射出的电磁辐射。

按照经典物理学的理论,物体依据自身温度,应该发出连续谱的辐射,也就是所谓的「黑体辐射谱」。

不过,实验观测出来的结果和经典理论不一样。经典理论预想的黑体辐射谱,在高频率(也就是短波长)的时候会出现紫外线灾难,就是辐射能量在高频率的时候会趋向于无穷大,这跟实验结果差太多了,这个问题在当时的物理学界是个大麻烦,就叫做「紫外灾难」。

德普朗克被困住的时候,他大胆假设、巧妙推理,提出了能量量子化理论,这就是量子力学的起源。

1900年的时候,普朗克在他那篇有名的【关于黑体辐射的理论】论文里,提出了能量量子化这个概念。

德普朗克提出这样一个假设:辐射能量不是连续的,而是以一种不可拆分的形式存在,这些不可拆分的能量单元被叫做「能量子」(energy quanta)。每个能量子的能量和频率是成正比的,公式为:

E等于h乘以ν。

德普朗克靠着这一假设,把黑体辐射谱的实验结果给解释明白了,还顺利解决了紫外灾难这个问题。他的理论显示,能量在微观层面不是连续的,而是存在于一个个离散的能量量子当中。这对经典物理学里的连续性原理是个挑战,也是量子力学诞生的一块基石。

德普朗克提出的能量量子化理论,在物理学界引发了震动,对后来量子理论的发展有着深远影响。

这一理论的提出,给后来量子力学的建立打下了基础,也为量子力学里好多重要概念和原理的形成奠定了根基,像波粒二象性、波函数、不确定性原理这些。

德普朗克提出的黑体辐射和能量量子化理论,那可是被叫做20世纪物理学的一个里程碑呢,对现代物理学的发展影响老深远了,让咱们对微观世界的认识有了根本性的改变。

他的工作给后来的物理学家们带来了重要的指导与启示,还让量子力学变成解释微观现象必须用到的理论。

●○波粒二象性是怎么被提出来的呢?○●

波粒二象性说的是,在一些实验条件下,物质或者辐射既能有波动的特性,又能有粒子的特性,这就是波粒二象性这种现象。

埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔等人在20世纪初期共同推动提出了这一概念。

波粒二象性的提出是源于对光电效应的研究。光电效应呢,就是光照射到一些物质表面的时候,能让物质里的电子从原子或者分子当中脱离出来,从而形成电流。

19世纪末到20世纪初的时候,物理学家针对光电效应做了大量的实验研究,这里面普朗克和爱因斯坦的贡献是最为显著的。

1905年的时候,爱因斯坦发表了一篇论文叫【关于一个启示黑体辐射理论的光电效应】,在这篇论文里他给出了光电效应的解释。

爱因斯坦觉得,光的能量是以离散的形式传递的,就是靠能量量子这种形式,这些能量量子被叫做「光子」,每个光子的能量和光的频率成正比例关系,跟光的强度没关联。

光子的能量得大于某个特定的能量阈值,这样才能把物质里的电子解离出来,从而形成光电子。

他觉得,光既能被看成传统意义上的电磁波,也能被看作是由能量量子(光子)构成的粒子。

这个概念就是,光的表现既有波动的特性(像干涉和衍射那样),又有粒子的特性(比如光子的能量量子)。

德普朗克提出的波粒二象性概念,把当时人们对光的传统理解给彻底颠覆了。这个概念把光的微观本质给揭示出来了,就是光既有波动的特性,也有粒子的特性。

这种对立的二象性后来在量子力学里得到了进一步的发展与确认,还成了量子力学基本特征中的一个。

波粒二象性的提出给量子力学的形成打了基础,还为后来的量子力学研究提供了重要启发。

它让我们对微观世界的认知有了革命性的变化,促使物理学不断发展,是20世纪物理学的一个重大里程碑。

●○波函数还有不确定性原理○●

在量子力学里,波函数和不确定性原理是两个非常关键的概念,这俩概念对咱们理解微观世界的行为模式有着特别深远的影响。

量子力学里有个用来描述微观粒子(像电子、光子之类的)行为的数学函数,这个函数就是波函数。波函数是波动方程的解,一般用希腊字母Ψ(Psi)来表示。

波函数模的平方(Ψ^2),就表示在某个地方测到粒子的概率密度,也就是在空间里找到粒子的可能性。

波函数有几个重要的性质。波函数得是单值函数,不能有奇点,也不能跳跃。波函数在空间得归一化,就是说它模的平方在整个空间积分等于1,这意味着在空间里找到粒子的总概率是1。

波函数能是复数形式的,干涉和衍射这类波动性质是由它实部和虚部的相位关系决定的。

引入波函数后,我们就能通过对它进行运算,预测粒子在不同位置、不同动量时的行为,还能算出各种物理量的期望值。不过,波函数描述的是微观粒子的统计性质,并非确定的轨道。

1927年的时候,德普朗克和海森堡提出了不确定性原理。这一原理是量子力学里又一个非常重要的基本原理。不确定性原理表明,在量子这个世界里,没法同时很精确地确定微观粒子的位置和动量。

具体来讲,不确定性原理包含两个版本,位置 - 动量不确定性原理说的是:粒子的位置跟动量之间有个不确定的关系,就是Δx * Δp ≥ ?/2,在这个式子里面,Δx指的是位置的不确定程度,Δp指的是动量的不确定程度,?(约化普朗克常数)是个常数。

这就是说,要是我们把粒子位置的不确定度降低了,那动量的不确定度就会增大;反过来也是一样的。

能量 - 时间不确定性原理说的是:粒子的能量和它存在的时间有个不确定的关系,就是ΔE * Δt ≥ ?/2。

这就意味着,要是我们想去测量粒子的能量,那这个粒子存在的时间就会变得不明确了,反过来也是这样。

量子力学的本质被不确定性原理揭示出来了,也就是说微观粒子的行为本身就带有随机性和不确定性。

在宏观世界里,这一原理并不显著。可到了微观世界,它就成了不得不考虑的重要现象,影响着我们精确描述微观粒子的运动。

量子力学里有两个基本概念,一个是波函数,另一个是不确定性原理,这俩概念共同构建起我们认识微观世界的框架。

微观粒子的概率性质可以用波函数来描述,不确定性原理让我们明白测量是有局限的,我们没办法同时精确知晓粒子的位置和动量,这些概念对量子力学的发展与应用有着深远影响。

●○晚年及其科学遗产○●

到了晚年的时候,埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克还在一直做学术研究和科学交流方面的事呢。他在学术上取得的成绩大家都很认可,对后来搞物理的人影响可深远了。

二战的时候,德普朗克是德国挺有名的科学家,当时政治环境对他有影响。不过呢,他没去掺和纳粹的研究项目,一直保持学术上的中立态度,就一门心思搞纯粹的科学研究。

战后,德普朗克就在德国接着搞物理学研究,还到国际上做学术演讲、开展合作。他当过欧洲原子能委员会的成员,也在不同国家的大学里讲学、做研究。慢慢地,德普朗克在学术上的影响力就超出了国界,成了国际物理学界的重要人物。

到了晚年,他还在继续探究量子力学的基本问题呢。尤其是波函数的本质,他思考得很深入。他想找到一种更基础、更本质的理论,用这个理论来解释波函数的统计性质和不确定性原理这些现象。

他虽然没得到预期中的成功,不过他的思考与探索给量子力学的深入理解和发展带来了重要的启示。

1961年10月5日那天,埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克心脏病发作离世了,死的时候74岁。在物理学这块儿,他留下了超多的学术成果,还有不朽的科学贡献。

德普朗克被大家叫做「现代物理学的创始人」其中之一呢。量子力学能有今天,他的奠基和贡献那是大家都认可的。他提出的能量量子化理论,给量子力学的建立打了基础。还有他提出的波粒二象性,把微观粒子行为的本质给揭示出来了。波函数和不确定性原理这俩概念,可是量子力学里的核心内容啊。

德普朗克的工作除了在量子力学方面有贡献,对其他领域像统计物理学和固体物理学也有影响。

在20世纪物理学的发展进程里,他的研究和思想起了很大的作用,给后来的物理学家们提供了重要的指引和启发。

德普朗克的学术遗产在他的学生和后继者身上也有所体现。他教出了不少优秀的学生,像后来很有名的物理学家维尔纳·海森堡、薛定谔、马克斯·波恩等等。这些学生传承了他的学术传统,促使量子力学和理论物理学不断发展。

总体来讲,埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克这个人物很了不起,他是非常杰出的理论物理学家,也是量子力学的创建者之一。

他在学术上取得的成就以及做出的贡献,对现代物理学的发展有着巨大的推动作用,他的影响力会永远被铭刻在物理学的历史之中。

●○得出的结果○●

埃尔温·谢尔盖·冯·德普朗克是个特别厉害的理论物理学家,他提出的量子力学理论让我们认识微观世界有了很坚实的基础。

德普朗克研究了黑体辐射、能量量子化、波粒二象性、波函数和不确定性原理这些方面,他在量子力学的发展上做出了特别了不起的贡献。

他的理论在发展时虽有争议,可仍是现代物理学的重要部分,影响很大。我们得永远记住他,传承他的科学精神,继续探索自然世界的奥秘。