量子怎么产生
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德国人马克斯普朗克(Max Planck)碰巧学会了一种昂贵但有价值的中国速读技术。不一会儿,他就用十行字读完了一组书,终于开始对自己的成功心存感激,于是他用自己的发现给这种来自东方的神起了个名字:你不用再找了。你们生活在平行宇宙中。
昆腾出生于1900年。用最简单的话来说,量子的意义就是抛弃牛顿的经典物理,引领人类进入微物理时代。没有量子的概念,相对论和原子弹就不会存在。
像所有伟大的发现一样,量子的诞生几乎没有任何预兆。1900年4月27日,正当义和团在北京对抗八国联军的时候,伟大的科学家开尔文正在伦敦皇家研究院发表演讲:
运动理论断言热和光都是运动的方式。但现在,这一理论的美丽和清晰被两团乌云遮蔽了……”
这两朵乌云指的是经典物理学中两个尚未解决的问题。其一是迈克尔莫雷(Michael Morley)的实验未能证实光“以太”(人们长期认为光可以通过这种物质传播)的存在,其二是黑体辐射研究中的困境。
虽然这个问题暂时还没有解决,但包括开尔文在内的每个人都认为太阳驱散云层只是时间问题。谁也没有想到,两团不起眼的乌云很快就完全遮住了太阳,带来了一场风暴和一场洪水,把他们一生都在其中度过的经典物理学大厦变成了一堆灰尘。
经典物理学已建成一座丰碑,到19世纪末,经过伟大的牛顿奠定了基础,通过法拉第麦克斯韦一批大师相继深耕。因此,当大学教授菲利普祖利听说他的学生普朗克想从事理论物理研究时,他全心全意地劝他说,物理学的体系是成熟而完备的,上一代人已经尽了最大的努力,他不应该把时间浪费在一个没有空白可以填补的领域里。
马克斯普朗克出生于1858年。他的曾祖父和祖父都是神学教授,他的父亲是法学教授。他最初对文学和音乐感兴趣,并表现出非凡的才能。然而,在中学时,他开始着迷于物理中的能量传递和守恒定律。当时老师说,工人把砖搬到屋顶的时候,工人的能量就储存在高处的势能里了。一旦砖块落下,能量又会被释放出来。没人认为搬一块砖就能把普朗克从文科搬到理科。
面对老师的好意,不听老人劝告的普朗克谦虚地说:我选择物理纯粹是因为我对它感兴趣,觉得好玩。我没想到会有什么大成就。这足以解决现有的转角问题。
普朗克要解决的问题是两个云中的一个,黑体辐射。得到了两组公式,每组都适用于自己的极限。如果你从粒子的角度出发,你会得到短波的维恩公式如果你从电磁波的角度出发,你会得到长波的瑞利-金公式。
问题是,两种公式就像两套衣服,一套是得体的上衣,但裤脚太长,另一套是得体的裤子,但上衣太小。别告诉我它们是衣服它们都有可以穿的部位。告诉他们没事,但不能穿。
普朗克想要解决的问题是做出一套合适的宇航服。到1900年,他已经做了六年,没有任何结果。就像一年级的孩子此时进入初中一样,他还在原地无所事事。
普伦克是一名裁缝,他努力工作了六年,但未能按照传统的方式塑造衣服。有一天,他太累了,决定不再关心设计原则或合身与否,而是简单地做一套西装。
于是,他开始用数学插值的方法对已有的两种公式进行摆弄。我花了几天时间拼凑起来,得出了一个公式。不管它是否有效,它看起来像是。看看它,因为没有多少人真正理解普朗克黑体公式。
他在德国物理学会的一次会议上介绍了这个公式,他说,那些能做实验的人如果无聊的话,可以试试公式——。物理学家鲁本斯那天晚上做了这个实验,第二天普朗克很惊讶:他的公式确实有效。这就像在你的房子前面打一口井,打酱油,打到油。
普朗克开始仔细研究这个公式,他知道这个错误背后一定有一条铁律。他对物理学的研究越深入,就越发现一些连他自己都不敢相信的东西:做出合理的解释是可以的,但这种解释意味着给他从小学到的所有物理知识划上了叉。从牛顿开始的经典物理学将以这种解释告终。
其解释是,必须假定能量不是连续地被反射和吸收,而是被分成若干部分。
连续性就像一辆车从A点开到b点。如果你走一条直线,你必须经过直线上的C点。物理上的连续性,当辐射发出100焦耳的能量时,从端到端必须有一个时刻,发射的能量是70焦耳,或90焦耳,或3.14159…焦耳。这种连续性和平滑性的假设是微积分的基本基础,而微积分又是经典物理学的基本基础。
普朗克说能量发射不是无限连续的,它必须被分成有限的部分,它必须有一个最小的单位。正如现金的最小单位是1美分一样,一个人无论如何都不可能支付1.007美元,因为最小单位只有0.01美元。虽然理论上在1元和1.01元之间有无限个数字,但在实践中必须有一个能量传输的最小单位,在两个单位之间的测量数中不可能有小数点。
1900年12月14日,普朗克宣读了一篇关于《黑体光谱中的能量分布》的论文,称这个最小的单位为“能量量子”。他很快就写了一篇新论文,为了简洁起见,取名为《量子》。
普朗克还提出了一个公式:E=hv。其中E是单个量子的能量,是频率,h是神秘的量子常数,以其发现者的名字命名为普朗克常数。H大约是6.626乘以10-27尔格•秒,也就是6.626乘以10-34焦耳•秒。
就在无知的人们兴奋地为圣诞节做准备时,量子诞生了。它像幽灵一样从普朗克方程中出现,准备摧毁现有的物理学宫殿。
量子光一出现就势不可挡,人们停止杀佛停止杀佛,以闪电般的速度给物理学家们重新洗脑,从而确立了永恒的苦功。这通常是“量子波速读”卖家用来洗脑的观点。
事实上,当量子刚诞生的时候,它遭到了无数的质疑。最大的怀疑者不是别人,正是普朗克自己。即使他们做到了,量子偏差是如此之大,以至于普朗克自己都不敢相信。他甚至认为量子不是物理现实,而是为了促进进步而引入的纯粹假设。他花了十多年的时间告诉他的同行,在引用所谓的普朗克参数时要小心,除非万不得已,否则不要轻信它们的表面价值。
于是后人开玩笑说,普朗克就是童话里的渔夫,他亲自把魔鬼的瓶子封了出来,吓得半死,甚至想把魔鬼放回去,结果什么也没发生。
但为时已晚。1905年3月18日,瑞士专利局职员爱因斯坦在普朗克量子假设的基础上写了一篇关于光电效应的论文,这篇论文成为量子论的基石。三个月后,他写了《论运动物体的电动力学》,解决了开尔文关于光和以太的乌云的问题,后来被称为“狭义相对论”。三个月后,他提出了一个质能方程:E=mc。
1911年,在比利时布鲁塞尔,包括普朗克、爱因斯坦、居里夫人和卢瑟福在内的24位世界顶级物理学家聚集在一起,在友好的气氛中讨论量子理论和其他话题。在为期五天的第一届索尔维会议上,我们这一代最聪明的头脑未能在量子研究方面取得任何突破。因为没有人能确切地说,量子的出现将把物理学和人类带向何方。
普通人只会欢呼,但这些物理学家中的大多数都模糊地意识到量子的好处,也意识到量子的潜在危险,尽管当时没有人这么说。
但在新世纪,这个危言耸听的问题已经得到了完美的解决。现在市场上不仅有量子波速读,还有量子共振信息水、量子能量袜、量子空气净化器、量子挂件……甚至还有量子内衣和量子鞋垫。最重要的是量子篮子,因为没有什么是它装不下的。在它诞生一百多年后,可爱的量子终于开始显示出它的力量,造福于富裕和简单的人们
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