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(huì)想到相對論。 那么你知道為什么現(xiàn)代物理學(xué)離不開量子論和相對論嗎？
19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)的各種理論已經(jīng)相當(dāng)完善，當(dāng)時(shí)的許多物理學(xué)家普遍認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到了頂峰。 英國著名物理學(xué)家開爾文的話很有代表性。 他說：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大樓里，年輕一代的物理學(xué)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(xué)晴空的遠(yuǎn)處，有兩朵令人不安的小烏云?！?這“兩朵烏云”指的是當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理理論無法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：一個(gè)是熱輻射實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。 正是這兩朵小烏云很快給經(jīng)典物理學(xué)帶來了一場革命性的風(fēng)暴。 這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)驗(yàn)的土壤中孕育出的“量子論”和“相對論”奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。
受熱的物體開始發(fā)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?yōu)辄S色再到藍(lán)白色。 這種現(xiàn)象稱為熱輻射。 由于光的顏色隨著溫度的變化而有規(guī)律地變化，有經(jīng)驗(yàn)的煉鋼工人可以根據(jù)鋼水的顏色來判斷鋼水的溫度。 為了從理論上總結(jié)熱輻射規(guī)律，19世紀(jì)，物理學(xué)家根據(jù)發(fā)光波長推導(dǎo)了熱輻射物體能量分布的兩個(gè)公式：維恩公式和瑞利-詹斯公式。 然而，這兩個(gè)公式計(jì)算的結(jié)果無論是長波還是短波都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致。 物理學(xué)家對此感到困擾。 1900年，德國物理學(xué)家普朗克推導(dǎo)出了一個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致的公式，但他不得不假設(shè)，發(fā)光原子輻射能量時(shí)，并不是連續(xù)地釋放能量，而是一點(diǎn)一點(diǎn)地釋放。 輻射能量是最小單位的整數(shù)倍，能量的最小單位稱為能量量子。 能量被分成量子的現(xiàn)象稱為能量量子化。 這種量子化現(xiàn)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(gè)最小單位，即帶電物體所帶電量為e的整數(shù)倍。 量子概念的建立為研究微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了重要的理論武器。
經(jīng)典物理學(xué)遇到的另一個(gè)困難是如何解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)是為了證實(shí)“以太”的存在。 此前，人們知道光可以在真空中傳播。 然而，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)，任何一種波的傳播都需要介質(zhì)。 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(xué)家必須假設(shè)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(xiàn)代 物理學(xué)家，美國物理學(xué)家邁克爾遜和化學(xué)家穆雷合作進(jìn)行了足夠精確的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，試圖證實(shí)以太的存在。 然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓物理學(xué)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(rèn)更重要的哥白尼“地震理論”。 20世紀(jì)初物理資源網(wǎng)，偉大的現(xiàn)代物理學(xué)家愛因斯坦找到了擺脫困境的出路。 他在總結(jié)實(shí)驗(yàn)和前人工作的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展了相對論，并指出經(jīng)典物理理論不適用于接近光速的高速運(yùn)動(dòng)。 研究高速運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，必須從新概念出發(fā)，用相對論來解釋。
現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)常處理的對象是“小”和“快”。 因此，要想踏入在現(xiàn)代物理學(xué)土壤中生長起來的原子能、半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)等新興科技領(lǐng)域，就必須學(xué)習(xí)量子論和相對論。 熱輻射實(shí)驗(yàn)和邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)恰恰暴露了經(jīng)典物理理論不適用于微觀世界和高速運(yùn)動(dòng)。 不過，年輕的朋友們千萬不要認(rèn)為量子論和相對論與經(jīng)典物理格格不入。 如果用量子論和相對論來研究質(zhì)量很大或速度很慢的物體現(xiàn)代 物理學(xué)家，它們得出的結(jié)論與經(jīng)典物理學(xué)得到的結(jié)論是一模一樣的。 因此，量子論和相對論都包含了相應(yīng)的經(jīng)典物理理論，而后者是前者在宏觀和低速情況下的近似。