深度长文:为什么量子力学的奠基人,最后都成了自己理论的"叛徒"?
说出来你可能不信,量子力学这门学问,从诞生那天起就自带一种"离谱"体质。 最离谱的不是它有多难,而是创造它的那些人,最后几乎全反水了。 普朗克,量子概念的“亲爹”,一辈子都想把"量子"塞回经典物理学的框里,到死都不接受自己开创的这门学科。 爱因斯坦,光电效应的解释者,拿诺贝尔奖的依据就是量子假说,结果后半生都在跟玻尔吵架,说"上帝不掷骰子"。 薛定谔,波动方程的作者,量子力学核心公式的缔造者,提出薛定谔方程之后自己都懵了,不知道这方程到底啥意思,后来干脆改行去研究生物学了。 还有玻尔,费曼,温伯格…… 这帮人嘴上说量子力学是对的,但翻来覆去就一句话:没人真的懂量子力学。 你说这叫什么事? 一门学问,搞了一百多年,拿了一长串诺贝尔奖,结果创造它的人、研究它的人、拿奖的人,全都说自己不懂。 那到底是真不懂,还是谦虚? 还真不是谦虚。 今天咱们就来聊聊,这门让最聪明的一群人集体困惑了一百年的学问,到底问题出在哪。 先从一个人说起吧。 这个人叫普朗克,德国人,物理学家,1918年诺贝尔物理学奖得主。 搁现在的话说,普朗克就是那种"别人家的孩子",学霸中的学霸,长得还帅,年轻时候颜值吊打娱乐圈小鲜肉。 但就是这么一个稳得一批的人,偏偏在物理学最关键的节点上,被逼着做了一件他自己都觉得离谱的事。 什么事呢? 他在研究黑体辐射的时候,发现了一个怎么都解释不通的现象。 黑体辐射这个概念,你不用记,听我讲就行。 说白了就是,一个东西加热之后会发光,不同温度下发出来的光颜色不一样。 铁块烧红了是红色,再烧就变白,温度越高越蓝。 按当时的经典物理学理论,这种发光现象应该是连续的,能量是一份一份连着传的,就像水管里的水,想流多少流多少。 但实验数据摆在那,怎么算都对不上。 对不上到什么程度呢?经典理论算出来,高频波段的辐射能量会趋向无穷大。 翻译成人话就是,任何温度不为零的物体,都会发出无穷多的紫外线,把所有人都照成白骨精。这就是物理学史上著名的"紫外灾难"。 显然,现实不是这样的。 普朗克就开始算了,算了好几个月,头发都快薅光了,最后实在没招了,硬着头皮提出了一个假设。 什么假设呢? 他说,能量不是连续的,而是一份一份的,就像买东西只能按整份买,不能买半份。每一份的最小能量,跟频率成正比,公式就是 E=hv。 就这么一个假设,完美拟合了实验数据,"紫外灾难"瞬间消失了。 普朗克自己都吓了一跳。 他原本的想法很简单:先凑一个能对上数据的公式出来,然后再从经典物理学里把这个公式推导出来,给它一个正经的物理解释。 结果呢?他尝试了经典物理学的所有方法,翻遍了所有能找到的理论资料,折腾了好多年,愣是推不出来。 这个公式就像一个从天而降的怪物,跟整个经典物理学体系格格不入。 但数据不会骗人,公式跟实验结果完美吻合,这是铁的事实。 普朗克心里清楚,这个公式一定是对的,但他就是说不出来为什么对。 更让他难受的是,他这个"能量一份一份"的想法,跟整个物理学界的常识完全对着干。 当时的物理学家都觉得,普朗克你是不是疯了?能量怎么可能是离散的?这不就像说水流是一个水分子一个水分子蹦出来的吗?太扯了。 所以大家接受了普朗克的公式,因为它确实好用,但没人接受那个"量子假说"。 说白了就是,公式我用了,但你那个解释我不认。 普朗克呢?他自己也不认。 他后半生就干了一件事:想办法证明"量子假说"其实是可以从经典物理学里推出来的,证明自己当年那个假设只是个数学技巧,不是什么物理实在。 他的同事法朗克后来回忆说:"普朗克是一位勇敢地反抗自己意愿的革命者。" 这句话挺扎心的。 你想啊,一个人亲手打开了一扇门,门后面是一个全新的世界,但他自己站在门口死活不肯进去,还一直想把门关上。 这就是量子力学的开端。 普朗克没把门关上,因为后来冲进来的人太多了。 第一个冲进来的,就是爱因斯坦。 1905年,爱因斯坦还是个专利局的小职员,二十五岁,没什么学术地位,论文投稿都没人搭理。但这一年他干了件大事,一口气发了四篇论文,每一篇都够拿诺贝尔奖的。 其中一篇,就是用普朗克的量子假说解释光电效应。 光电效应这个现象,说起来也简单:用光照射金属表面,金属会打出电子来。但这个现象跟经典波动说完全对不上。 按波动说的思路,光的能量跟强度有关,光越亮能量越大,打出的电子速度就越快。而且不管什么频率的光,只要照的时间够长,总能把电子打出来。 但实验结果是反的。 能不能打出电子,跟光的亮度没关系,只跟光的频率有关。频率不够,你把亮度开到最大也没用;频率够了,哪怕光线很暗,电子"唰"一下就出来了。而且打出来的电子速度,只跟频率有关,跟亮度没关系。 这就离谱了。就像你往墙上扔球,按道理力气越大,球弹得越远。结果你发现,不管你用多大的力气,只要扔的角度不对,球就是弹不起来;一旦角度对了,轻轻一扔,球飞得特别远。 经典
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