來源 | 科普中國
1879年3月14日，愛因斯坦出生。 說起愛因斯坦，你一定會想到相對論。 那么你知道為什么現代物理學離不開量子論和相對論嗎？
19世紀末，經典物理學的各種理論已經相當完善，當時的許多物理學家普遍認為已經達到了頂峰。 英國著名物理學家開爾文的話很有代表性。 他說：“在已經基本建成的科學大樓里，年輕一代的物理學家只需要做一些零星的修繕工作就可以了。” 不過，開爾文還是有慧眼的。 他還指出：“在物理學晴空的遠處，有兩朵令人不安的小烏云?！?這“兩朵烏云”指的是當時經典物理理論無法解釋的兩個實驗：一個是熱輻射實驗，另一個是邁克爾遜-莫雷實驗。 正是這兩朵小烏云很快給經典物理學帶來了一場革命性的風暴。 這兩個實驗和其他實驗的土壤中孕育出的“量子論”和“相對論”奠定了現代物理學的基礎。
受熱的物體開始發出紅光。 隨著溫度的升高，亮度也隨之增加，光的顏色逐漸從紅色變為黃色再到藍白色。 這種現象稱為熱輻射。 由于光的顏色隨著溫度的變化而有規律地變化，有經驗的煉鋼工人可以根據鋼水的顏色來判斷鋼水的溫度。 為了從理論上總結熱輻射規律，19世紀，物理學家根據發光波長推導了熱輻射物體能量分布的兩個公式：維恩公式和瑞利-詹斯公式。 然而，這兩個公式計算的結果無論是長波還是短波都與實驗結果不一致。 物理學家對此感到困擾。 1900年，德國物理學家普朗克推導出了一個與實驗結果完全一致的公式，但他不得不假設，發光原子輻射能量時，并不是連續地釋放能量，而是一點一點地釋放。 輻射能量是最小單位的整數倍，能量的最小單位稱為能量量子。 能量被分成量子的現象稱為能量量子化。 這種量子化現象在分子、原子和基本粒子組成的微觀世界中普遍存在。 例如，自然界中所有帶電物體所帶電量有一個最小單位，即帶電物體所帶電量為e的整數倍。 量子概念的建立為研究微觀世界運動規律提供了重要的理論武器。
經典物理學遇到的另一個困難是如何解釋邁克爾遜-莫雷實驗的結果。 這個實驗是為了證實“以太”的存在。 此前，人們知道光可以在真空中傳播。 然而，根據經典物理學的觀點，任何一種波的傳播都需要介質。 例如，聲波的傳播主要依靠空氣。 月球上沒有空氣，所以人們聽不到他們的講話。 為了解釋光的傳播，物理學家必須假設宇宙中到處都存在一種“以太”，它比空氣輕得多，但比鋼硬。 1887年現代 物理學家，美國物理學家邁克爾遜和化學家穆雷合作進行了足夠精確的光學實驗，試圖證實以太的存在。 然而，實驗結果卻讓物理學家陷入了兩難的境地。 他們要么必須放棄“以太理論”，要么否認更重要的哥白尼“地震理論”。 20世紀初物理資源網，偉大的現代物理學家愛因斯坦找到了擺脫困境的出路。 他在總結實驗和前人工作的基礎上建立和發展了相對論，并指出經典物理理論不適用于接近光速的高速運動。 研究高速運動規律時，必須從新概念出發，用相對論來解釋。
現代物理學經常處理的對象是“小”和“快”。 因此，要想踏入在現代物理學土壤中生長起來的原子能、半導體、激光、超導等新興科技領域，就必須學習量子論和相對論。 熱輻射實驗和邁克爾遜-莫雷實驗恰恰暴露了經典物理理論不適用于微觀世界和高速運動。 不過，年輕的朋友們千萬不要認為量子論和相對論與經典物理格格不入。 如果用量子論和相對論來研究質量很大或速度很慢的物體現代 物理學家，它們得出的結論與經典物理學得到的結論是一模一樣的。 因此，量子論和相對論都包含了相應的經典物理理論，而后者是前者在宏觀和低速情況下的近似。