阅读提示:下面的内容作为娱乐就好,我不具备相关知识,没有能力做严谨叙述。对我们普通人而言,了解一些量子物理知识,可以在与朋友聊天时显得博学一些,至少不会被那些夸夸其谈者吓到。如果您还能够注意到,某个无知的人是怎样接受新知识的,那是我的荣幸。本文的科普内容主要出自曹天元所著“量子物理史话”,这是读后感。嫌弃我的文字或想了解更多知识,可以去读原著,那是真正的科普。
很多人认为,相对论推翻了绝对时空观,颠覆了我们对宇宙的认知。但对于我这样的科普读者,相对论的观点可以轻松接受。例如,在我们的古代神话中,有“天上一天,地上一年”的说法,时间是不同步流逝的;有“缩地术”的咒语,空间可以被随意拉扯。所以“钟慢尺缩”并没有太颠覆我们的认知。“光速不变”也仅是个假设,好像爱因斯坦也讲不出为什么。
但“连续性”被打破有些难以想象,“不确定性”连爱因斯坦都无法想象。好奇心推动我去了解,这些看似理所当然的常识是怎样被一步步推翻的。
19世纪末,以牛顿、麦克斯韦的理论为基础,经典物理大厦已经基本完成,人们所知道的一切物理现象,几乎都可以得到解释。物理学已经终结,能做的事只是进行一些细节修补,更加精确地测量一些常数值罢了。一位著名科学家说:“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找。”但是,在物理学明朗的天空中仍飘浮着两朵小乌云----迈克尔逊-莫雷试验和黑体辐射研究的困境。
黑体辐射,正是普朗克的研究领域。对于“黑体”,我的理解是:它吸收全部外来辐射,所以它对外发出的热辐射来自于自身,而不是对外界辐射的反射(这个理解应该靠点谱,但不要指望有多严谨)。物体的辐射能量、频率和温度之间存在一定的函数关系,人们希望找到一个公式来描述。
普朗克的研究从巨人的肩膀上开始,他手上有一个前人写出的公式,这个公式是从理论中推导出来的,但只在一半的情况下(短波范围)与实验数据相符。六年的研究徒劳无功后,普朗克听说了另外一个公式----另一种理论推导的结果,仅在另一半(长波范围)情况下有效。
普朗克试图堂堂正正的从理论出发,调和这两个公式,但很快就放弃了。正路走不通,就走邪路,搞不懂为什么,就凑答案吧。他运用自己的数学技巧,将原有的两个公式合二为一,终于拼凑出一个公式,公之于众。有个小细节让我感到意外,似乎普朗克公布他的公式之前并没有先做数据验证,像是开会时提出了一个异想天开的说法! 很快,他的朋友告诉他,这个公式算出的数据与实验值完全符合。
如果仅满足于此,我们不会知道谁是普朗克,就如我记不住写出原始公式的那些科学家的名字。科学家的优秀之处在于,他们会不断的问为什么。
在学校中,做错一道题目并知道了正确答案后,学渣会满足于“我听懂了”;学霸会再去刷题,以保证下回遇到类似题目时能套用正确思路;学神会去思考“我当初为什么会做错,是什么原因让我选了那条错误的道路”。普朗克看着自己的满分答卷,思考的是“我这么做为什么就对了呢?”。
他继续研究“为什么新方程是正确的”,有什么理论依据。几周后,他给出了一个自己都无法相信的结论:为了使新方程成立,必须假定,能量在发射和吸收的时候,不是连续不断的,而是分成一份一份的。他把这个基本单位称作“量子”,并给出了一个公式E=hv,E是单个量子的能量,v是频率,h是常数(普朗克常数)。
我不知道这个结论是怎么得出的,我猜是基于某些我不可能搞懂的数学原理。好奇心最好限制在力所能及的范围之内,既然没有物理学家对推导过程提出异议,就选择盲从的接受这个结论吧。
1900年12月14日,普朗克宣读了他的论文,宣告了量子的诞生。我们经常会纪念某位伟人的诞辰日,但历史上那个真实的日子中,没人会觉得这个刚出生的婴孩有什么特别,不可能意识到他将改变这个世界。此后几年的时间中,量子这个婴孩,甚至被它的创造者所抛弃----这个结论过于颠覆,连普朗克自己也不太相信。
闲聊:
这个理论的颠覆性,也许物理学家的体会更加深刻,科普文章告诉我,连续性和平滑性是微积分的基础,牛顿、麦克斯韦的体系就建立在这个基础上。对于我这种无知者,接受这个说法不是很难,想象我用力推动一个箱子,看起来是连续用力,也许用超高速摄像机捕捉的影像是我在一下下的击打它。但是,将这种不连续性扩展到时间和空间就不一样了,如果空间是一份一份的,无法想象相邻的两份空间之间是什么。当然,从哲学的角度,我早就接受了空间的不连续,因为这是我能想出的回答“芝诺疑难”或“一尺之棰,日取其半,万世不竭”这样辩题的唯一答案。
对于我这样的科普读者,量子物理的发展过程听起来有些“扯”,先拼凑一个答案,看看对不对,对了再研究为什么,这个方式有些类似先射箭再画靶,也难怪有数学家说“物理学家就是用方程胡扯”。
我看过一些聊“什么是科学”的文章,对那些结论不太有兴趣。在我看来,科学理论的提出就是“给发生的现象找个能自圆其说的解释”,无论听起来多怪异,这个解释只要没有内部逻辑矛盾就OK。至于是否正确,用新的事实去检验。那些内部逻辑严谨,但与已知观点差异很大的理论,经常会被证明是极具开创性的。
现代人都相信科学,但对待科学的态度不同。有些人运用科学的方法去探究未知世界,这是真正的科学精神。有些人用已有的科学知识为标准,判断哪些说法正确,哪些错误;更多人不具备相应的科学知识,只是通过样子来判断什么是科学,什么是伪科学,然后将科学归为真理,将伪科学归入谬误。我将这类态度归为“对科学的迷信”。
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