量子度量——萬有理論基礎探討一、烏雲背後的烏雲

量子理論和相對論是現代物理的兩大理論支柱,他們出現的一百多年裡經過瞭各種檢驗和實驗驗證,證明瞭兩大理論的正確性。並且運用兩大理論的一部分發明創新已經開始造福人類。一百多年前,兩大理論的提出是為瞭解決物理學中存在的小問題,然而令人措手不及的是,新理論的誕生卻帶來瞭更多的問題。

一、烏雲背後的烏雲

1900年4月27日,英國著名物理學傢威廉湯姆生(即開爾文男爵),在英國皇傢學會發表的名為《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》演講,開爾文男爵樂觀地指出,物理大廈已經完成,所剩的隻是一些修飾工作,同時他還富有遠見地指出,在物理學陽光燦爛的天空中飄浮著兩朵烏雲。第一朵烏雲主要是指邁克爾遜莫雷實驗。這個實驗中得出瞭光速不變的結論。(實驗結論與以太漂移矛盾),第二朵烏雲主要是指黑體輻射實驗數據與理論不相符。

後來的故事,所有人都沒有準備好接受,其中包括新理論的創立者。所謂的烏雲變成火種,變身為導火索,直接引爆瞭物理學新革命。在烏雲說提出後不久,量子理論和相對論相繼誕生。1900年底,德國物理學傢馬克斯-普郎克發表瞭《黑體光譜中的能量分佈》,普郎克大膽假設,能量的吸收與輻射是一份一份的,普朗克把這一份一份的能量稱為量子,量子就是能量的最小單位、最基本的單元,通過這種假設計算得到的數據與實驗數據十分吻合,但是,這個假設是如此的顛覆常識。由他推廣開去得到的更多結論更是匪夷所思。以至於量子假設的提出者普朗克也難以接受。還有一個人-愛因斯坦,至死也沒有完全接受量子理論。阿爾伯特-愛因斯坦,另一場物理革命的發起人,也是量子理論的奠基人之一。猶太裔物理學傢。1905年,愛因斯坦發表瞭《論動體的電動力學》,提出瞭狹義相對論。十年後,19016年,愛因斯坦發表瞭《廣義相對論基礎》。至此,愛因斯坦幾乎是憑一人之力創立瞭相對論,改變瞭人類對世界的認知。

隨著兩朵烏雲被撥開。按道理,物理學傢應該欣喜才是,但是,兩大理論誕生之日起,一直存在著爭論,更多的問題冒瞭出來。這一次不再是小烏元,而是遮天蔽日的大霧。物理學在在迷霧中摸索,雖然發起瞭一次又一次的沖擊,但問題卻依然存在。新理論帶來的摧枯拉朽的狂風暴雨,一次又一次的沖擊著人類信仰的基礎。

量子理論和相對論各有各的問題,兩大理論之間更有難以調和的沖突。

兩朵烏雲

一、黑體輻射理論算出紫外災難。

19世紀末,瑞利根據經典的統計理論得到瞭瑞利公式,關於熱輻射的能量分佈公式,,後金斯修改得到瞭瑞利-金斯公式,瑞利-金斯公式在長波與實驗結果相符,但是在短波范圍能量密度則迅速上升,出現能量密度無窮大的結論,這從實驗結果相矛盾,顯然是荒謬的。

普朗克引入能量子假說,獲得瞭一個和實驗結果一致的公式,完美的解釋瞭黑體輻射,能量輻射和吸收是一份一份地,並給出瞭量子的值,這是一個極小的值。

二、邁克爾遜-莫雷實驗。

經典物理學傢為瞭解釋光速,引入瞭以太,一種絕對靜止的參考系,為瞭尋找以太,邁克爾遜和莫雷用邁克遜幹涉儀,做瞭測試兩垂直光的光速差值的著名實驗,實驗結論是光速不變。

愛因斯坦從光速不變出發。推導出洛倫茲變換,終結瞭絕對時空,這就是狹義相對論,後來愛因斯坦把光速不變推廣到非慣性系,得出瞭廣義相對論。

所以

量子理論的基礎是能量有最小單元—-量子。

相對論的核心是光速不變。

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