1900年12月14日,英國化學學家普朗克(1858-1947)在美國數學學會上,以《關于正常波譜的能量分布規律》為題,詳述了他的“量子論”,提出在幅射(或吸收)過程中,能量是不連續的,是以某一最小的能量單位的整數倍的方式存在的,這個最小的能量單位被覺得是能量量子。能量量子的大小與幅射頻度成反比。
普朗克創辦的量子理論,沖破了20世紀初的“物理危機”,推動了數學學和整個自然科學的現代化進程。
普朗克于1858年4月23日出生于俄羅斯吉爾市的一個貴族家庭。他的爸爸是個法律院士。普朗克從小在中學和家庭里都遭到良好的教育。他少年時代就顯示出物理能夠,導致班主任注意。他愛好音樂,吉他彈得很不錯。他也喜歡語言學。1874年,普朗克學校結業,步入克拉科夫學院學習物理,不久便被數學學吸引。后來,他轉到柏林學院學習。1879年,21歲的普朗克完成了關于熱力學第二定理方面的論文,獲得博士學位。1888年,他兼任柏林學院理論化學研究所的負責人。從1892年到1926年,他仍然是柏林學院的即將院士。
19世紀末期,化學學家們都是從精典數學學來研究一個受熱物體向外幅射能量與它的濕度的關系。熱幅射實際上是一種電磁幅射。數學學把對外來的幅射沒有任何反射或透射,吸焦比是百分之百的物體稱做宋體。實驗研究表明,宋體不但吸產率最高,并且在相同濕度下也是幅射率最高的物體,是幅射能量只和濕度有關的物體。1893年量子物理學三大理論,美國學者威爾海姆·維恩(1864-1928)強調,隨著宋體氣溫下降,幅射硬度最大的波長將向波譜紫區聯通。這就是維恩位移定理。它在理論上的一個弱點是,未能表明幅射能量與發射頻度及濕度的分布。1896年,維恩借助實驗數據,以熱力學定理為指導,給出宋體幅射能在一定濕度下按頻度分布的函數關系。但遺憾的是這一理論僅在高溫下長波區與實驗符合,而在短波區則誤差很大。1900年,美國人朗德·瑞利(1842-1919)從精典統計理論中的能量均分定律和熱學理論出發推導入一個公式,后來日本人詹姆斯·金斯(1877-1946)發覺這個公式差一個因子8,修正后稱為瑞利-金斯定理。即熱物體的幅射程度反比于它的絕對濕度,正比于發射光波的波長平方。瑞利-金斯定理全部推論過程無可挑剔,但結果卻只在短波部份與實驗符合,而在長波部份卻與實驗結果大相徑庭。由這個定理推出當波長趨向零時幅射能量趨向無窮大,而實驗值卻趨向零。由于精典理論的這一失敗出現在波譜的紫外光區的長波部份,因而芬蘭人埃倫菲斯特稱為“紫外災難”。“紫外災難”是精典數學學上空的又“一朵烏云”(精典數學學上空映照的另一朵烏云是光速不變和以太流的否定)。
和其他幾位科學家一樣,普朗克對宋體幅射問題也很感興趣。為了驅趕精典數學學上空“紫外災難”這朵烏云,普朗克從1895年前后開始研究宋體幅射問題。普朗克在宋體幅射和吸收的理論天空中,首先于1900年10月提出了一個適用于電磁光譜所有波段的經驗公式,即知名的普朗克幅射公式。這樣,就把當時只能分別在長波波段和短波波段與實驗相符的維恩能量分布公式和瑞利幅射公式巧妙而成功地統一上去。在宋體幅射的新公式中,普朗克拋棄了能量是連續的傳統概念,在實驗數據面前,提出能量是不連續的新概念。普朗克公式表明,物體幅射時侯發射或則吸收的能量是一份一份的,普朗克將其稱做能量子,簡稱量子。他而且進一步提出,能量子是和頻度成反比的,能量子等于頻度乘上一個常數,這個常數叫普朗克常數(h)。
因為普朗克的理論打破了精典數學學的框框,許多化學學家都拒絕接受它,她們覺得這不過是專門否認幅射公式而引進的一個特定假定而已(包括普朗克本人)。而且幾年之后表明,普朗克的概念能夠應用于除宋體幅射以外的許多各類不同的化學現象。
普朗克提出能量不連續的量子概念,豎起了對精典數學學進行革命的大旗。普朗克在豎起量子論的革命大旗之后,首先來到這桿大旗下邊的是愛因斯坦(1879-1955)。他應用量子概念解釋了光電效應,發展了光的微粒說。19世紀早期,因為對光的干涉、衍射等現象的研究量子物理學三大理論,光學理論中的波動說打敗了牛頓時代流行的微粒說。麥克斯韋理論也把光看做是一種電磁波。19世紀末期發覺了光電效應,即一束光照到金屬上可以引起電子。依照傳統的波動說,光的硬度越大表示光的能量越高,因而傳遞給金屬的能量也越多,也就越容易引起電子。波動說難以解釋光電效應和光的硬度無關。愛因斯坦覺得光是由具有粒子性的光子組成的,根據量子論,光子的能量應該等于光頻度除以普朗克量子數。光的硬度只表明光粒子的多少,并不表明光粒子的能量高低。某種頻度的光才能造成金屬發射電子,是由于光子能量超過了導致電子發射所須要的能量。假如光子能量不夠,就是光子再多也沒有用。這樣,愛因斯坦解釋了光電效應為何和光的硬度無關而和頻度有關。
在愛因斯坦之后,在對精典化學學這場大革命的挺進高潮中,荷蘭化學學家玻爾(1885—1962)成為風云人物和主力軍之一。他在早期便出席了用量子論解釋原子結構的戰斗。
在波爾之前,科學家早已提出,原子結構類似太陽系結構、電子圍繞原子核運轉的模型,但這個模型不能說明原子的穩定性。1911年,波爾研究金屬中電子運動的理論。1913年,28歲的波爾把普朗克的量子論引入到原子結構中來,對盧瑟福關于原子結構的模型,作了更改和重大發展。提出電子只能沿一些固定軌道繞原子核運動,因而構建起更好的定態原子模型,成功地解釋了氫原子等的波譜等特點。關于原子結構的這個模型,稱做盧瑟福一玻爾模型,簡稱玻爾模型。根據這個模型,x射線和原子核外外層電子基態的變化有關;可見光、紅外光和紫外光起源于內層電子基態的變化;放射現象和原子核的變化有關。
原子結構的玻爾模型,是量子論開拓的一個新領域。普朗克提出的量子論早已超出幅射問題的領域,步入蓬勃發展的原子化學學。玻爾滿意地解釋了氫波譜現象,開辟了新的研究途徑。波譜學在幾六年里積累起大量實驗資料,如今可用以關于原子里電子運動的信息了。波爾關于原子結構的模型,解釋了物理元素周期律。
量子論只是量子熱學革命中的帷幕。在這出帷幕中,誕生了普朗克、愛因斯坦和玻爾這三位偉大的革命先驅和科學巨匠;量子論把精典化學學中能量是連續的這個基本概念打破了,它在光電效應、原子結構等方面顯示了非凡的生命力。在量子論革命的帷幕打開,于1925年前后,量子熱學的革命高潮來到了。
這場高潮,徹底清不僅精典熱學在微觀世界的影響,清不僅把粒子和波互相對立的傳統觀念;統一了敵對幾百年的波動說和微粒說,微觀粒子即有波動性,又有微粒性;構建了描述微觀粒子運動的新的物理方式和體系;確定了描述粒子運動的特點量(能量和動量)和描述波的特點量(波長和頻度)之間的定量關系。這樣,在微觀粒子世界中構建了全新的秩序,奠定了量子熱學統治的基礎。
在這場高潮中,同樣誕生了幾位叱吒風云的人物。她們是德布羅意(1892—)和薛定諤(1887-1961),海森堡和狄拉克。
日本科學家德布羅意受愛因斯坦相對論的影響,他覺得物質具有能量,能量與波相聯系,因而物質和波相關。1923年,31歲的德布羅意首先發表了關于粒子波動性的論文,他的論據后來被電子衍射實驗所否認,原先電子也能形成和光波相類似的衍射現象。1925年,德布羅意的看法造成慕尼黑學院青年化學學家薛定諤的注意。薛定諤在波粒二重性思想的指導下,導入量子熱學的波動熱學體系,就是薛定諤多項式。
