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普朗克常数:量子力学奠基之路

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:普朗克的这次报告,被视为量子论诞生的标志。以上大体就是量子力学的建立过程,其中无论哪一个步骤、哪一个公式,都离不开能量量子化概念与普朗克常数的影响。普朗克常数在量子力学中占有重要地位,甚至可以说是整个量子论建立的基础,在许多重要的公式中它都存在。量子力学的完整大厦由此建立。量子力学的大厦精确且稳固,但有许多知其然不知其所以然的内容。

普朗克常数:量子力学奠基之路

19世纪末,人们用经典物理学解释黑体[1]辐射实验时,出现了巨大分歧。

科学家在研究黑体辐射规律的过程中,依据不同的理论假设与研究方法,两组人分别提出了自己的预测公式,一个是维恩公式,另一个是瑞利—金斯公式。当大家把这两个预测公式与实验结果相对照后发现,维恩公式只在低频范围符合,瑞利—金斯公式只在高频范围符合。每一组人得到的结论都是对一半错一半,这可难坏了当时的研究者。

德国物理学家普朗克对相关内容进行了深入的比对和研究。考虑了所有可能性以后,他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表了一篇只有三页纸的论文,题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了黑体辐射公式。同年12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己惊人的发现。

普朗克提出,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)能量时不是连续地,而是一份一份地进行,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值被他命名为能量子(在计算中用ε表示),其计算公式为:ε=hv,其中v是希腊字母,常用来表示微观世界中波的频率,而常数h,普朗克当时把它叫作“基本作用量子”,后被称为“普朗克常数”。

普朗克的这次报告,被视为量子论诞生的标志。由此,“能量子”成为微观物理学领域最基本的概念,而普朗克常数h是量子力学中至关重要的普适常量,普朗克本人也因为这一发现而获得1918年诺贝尔物理学奖。

量子论的核心在于能量的传输并不连续,必须一份一份地传输。我们可以看到,这种“量子化”的思路已经兼顾了粒子性与波动性。后来爱因斯坦将其应用到对光的研究上,提出了光量子模型:在确认光波是一种电磁波的基础上,将它进一步视为一份一份的光量子,而光量子同时具有波动性与粒子性,波粒二象性被正式提出。

随后,玻尔将量子化不连续的这种特性扩大到对微观粒子的研究上,用原子电子轨道的量子化来修正他的老师卢瑟福提出的原子模型(行星模型),认为氢原子核外电子的轨道位置也是不连续的,而且必须是确定的轨道位置。再后来,德布罗意提出物质波公式,认为微观粒子本身具有波动性或概率性。几乎同一时间,海森堡提出不确定性原理,薛定谔提出波动力学方程,狄拉克确定了量子化条件……最终,与宏观物理不同的微观物理的研究方法被创建。

以上大体就是量子力学的建立过程,其中无论哪一个步骤、哪一个公式,都离不开能量量子化概念与普朗克常数的影响。

普朗克常数在量子力学中占有重要地位,甚至可以说是整个量子论建立的基础,在许多重要的公式中它都存在。但它的物理意义是什么?“能量必须是一份一份的”这种解释容易接受,但这里的普朗克常数h是什么?它的物理意义又是什么?为什么h与辐射频率v的乘积等于能量的大小ε?(www.xing528.com)

在普朗克常数被提出以前,绝大多数的物理学常数都有自己的物理含义,但普朗克常数并非如此,它是一个神奇的自然常数,没有人曾清楚地说明它所对应的物理意义。

说到底,普朗克提出能量子的思想是不得已而为之,因为他发现只有这一种假设可以解决困扰物理学界许久的黑体辐射问题。普朗克常数的概念随之建立在对能量子解释的基础上,但就连普朗克本人也没有对这一常数本身做出很好的解释。

当然,这并不影响这个常数的重要性,也不影响量子力学对它的应用,因为现代物理学的研究思路是以应用为主[2]。爱因斯坦提出光子的波粒二象性是这样,玻尔提出的氢原子电子轨道量子化更是这样。

玻尔将量子化概念引入氢原子模型中,它可以很好地解释为什么电子跃迁时吸收与释放的能量是确定的,以及原子的光谱现象,但没有获得妥善解释的内容依然不少,比如氢原子的轨道半径是怎样确定的?每一级轨道之间的关系由何而来?电子在公转轨道上移动时为什么不对外释放电磁波?

按宏观物理的观点,以上每一个物理行为背后都应当有一个明确的解释,但海森堡、薛定谔、泡利、狄拉克等人发现,如果我们接受玻尔的氢原子模型体现出的这些特点,并用“量子数”的思路来描述微观世界中粒子的特征,哪怕存在与宏观世界的认知冲突,还是可以对微观世界的粒子进行描述与计算……量子力学的完整大厦由此建立。

量子力学的大厦精确且稳固,但有许多知其然不知其所以然的内容。从普朗克常数的提出开始,到玻尔的氢原子电子轨道模型,许多理论物理没有跟上的遗留问题从一开始就埋下了隐患。

这些疑团真的无法从宏观物理的角度描述吗?微观物理与宏观物理之间,是否隐藏着一条不为人知的连接线?

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