量子力学与相对论的诞生背景

一、科学创新的年龄规律

• 爱因斯坦的主要科学成就（狭义相对论、广义相对论）均在40岁前完成。
• 科学理论的创造高峰期通常在于青年时代，中老年后知识更丰富，但创新能力可能下降。

二、20世纪初的物理学危机：两朵乌云

1900年，开尔文勋爵指出物理学大厦已基本建成，但存在“两朵乌云”：

1. 第一朵乌云：与“黑体辐射”有关。
2. 第二朵乌云：与“迈克尔逊实验”有关。

• 影响：这两朵乌云直接催生了现代物理学的两大支柱：
  • 从第一朵乌云中（约1900年）降生了量子论。
  • 从第二朵乌云中（约1905年）降生了相对论。

三、光的本性之争

1. 17-18世纪的争论

• 波动说：以惠更斯、胡克为代表。初期占上风，但无法解释干涉、衍射现象。
• 粒子说（微粒说）：以牛顿为代表。因其力学体系的巨大成功，粒子说在之后百年占据统治地位。

2. 波动说的复兴

• 关键实验：1801年，托马斯·杨完成双缝干涉实验，该现象无法用粒子说解释。
• 理论突破：托马斯·杨认识到光波是横波（而非声波那样的纵波），从而成功解释了此前遇到的困难。
• 社会阻力：因挑战牛顿的权威，托马斯·杨的理论初期备受抵制。

四、第一朵乌云：黑体辐射与量子论的诞生

1. 研究背景与目的

• 黑体辐射：即处于热平衡状态物体的平衡热辐射。
• 工业驱动：19世纪后期，德国等国钢铁工业发展，急需通过测量炉体热辐射光谱来间接测定炉温。

2. 经典理论的失败

• 瑞利-金斯公式：在长波波段与实验吻合，但在短波（紫外） 波段，理论值趋向无穷大，与实验严重不符，此即 “紫外灾难”。
• 维恩公式：在短波波段与实验吻合，但在长波波段与实验偏离。

3. 普朗克的量子假说

• 核心思想：为了从理论上得到与实验完全吻合的辐射公式，普朗克提出革命性假设——黑体腔壁的谐振子在吸收或发射辐射时，能量不是连续的，而是一份一份的。
• 能量子：每一份最小的、不可再分的能量单元称为“能量子”。谐振子的能量状态是不连续（分立） 的。
• 普朗克的态度：他本人对此假说感到震惊且谨慎。
  • 他认为能量在传播过程中可能是连续的，仅是在吸收和发射的瞬间是量子化的。
  • 他曾私下表示，若该理论被证实，其重要性可与牛顿的成就相媲美。

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总结

本讲梳理了量子论诞生的历史背景。20世纪初，经典物理学在解释黑体辐射时遭遇“紫外灾难”的严重困难。普朗克为克服此困难，被迫提出了“能量量子化”的革命性假说，这标志着量子论的初步诞生，也为后续物理学的发展开辟了全新道路。与此同时，关于光的本性认识经历了从波动说到粒子说，再到波动说复兴的曲折过程，为理解光的波粒二象性埋下伏笔。