爱因斯坦指出:对于统计的平均现象,光表现为波动;对于瞬时的涨落现象,光则表现为粒子。从而结束了从惠更斯和牛顿以来关于光的本质的长期争论。这是历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。以后的物理学发展表明:波粒二象性是整个微观世界的最基本的特征。在论文的结尾,爱因斯坦用光量子概念轻而易举地解释了光电效应现象,推导出光电子的最大能量同入射光的频率之间的关系。这一关系10年后才由密立根予以实验证实。
爱因斯坦的光量子论,遭到几乎所有老一辈物理学家的反对,甚至连最初提出量子概念第一个热情支持狭义相对论的普朗克,直至1913年还很重其事地认为这是爱因斯坦的一个“失误”。
尽管如此,爱因斯坦还是孤军奋战,坚持不懈地发展量子理论。1906年,他把量子概念扩展到物体内部的振动上,基本上说明了低温条件下固体的比热容同温度问的关系。1912年,他把光量子概念用于光化学现象,建立了光化学定律。1916年,他发表了一篇综合了量子论发展成就的论文《关于辐射的量子理论》,提出关于辐射的吸收和发射过程的统计理论,从玻尔1913年的量子跃迁概念,推导出普朗克的辐射公式。
量子论在提出后的最初l0年中,能得以进一步的发展,这主要得归功于爱因斯坦在该领域的杰出工作。后来,德布罗意提出物质波理论,继而薛定谔建立波动力学,也是受到爱因斯坦光量子论所揭示的波粒二象性概念的启发。因此,美国物理学家派斯认为,“爱因斯坦不仅是量子论的三元老(指普朗克、爱因斯坦和玻尔)之一,而且是波动力学唯一的教父”。玻恩也认为,“在征服量子现象这片荒原的斗争中,他是先驱”,也是“我们的领袖和旗手”。
哥本哈根学派
在爱因斯坦之后,对量子论进一步进行推广和发展的是被称为量子论三元老之一的丹麦物理学家尼尔斯玻尔。
1885年10月17日,玻尔出生于哥本哈根,1903年入哥本哈根大学学习,主修物理学。1911年入英国剑桥大学和曼彻斯特大学深造,参加了以卢瑟福为首的科学集体,从此与卢瑟福建立了长期的密切关系。玻尔既是卢瑟福的学生,也是朋友。
19世纪束,人们已认识到,原子是可分的,它也应该有其内部结构。可是,原子的内部是怎样的呢?它的组成如何呢?当时许多科学家都在研究这个问题,并且提出了多种原子内部结构模型。
其中新西兰物理学家卢瑟福于1919年提出的“有核模型”,也称“行星模型”最具有意义。卢瑟福认为,原子有一个核,这个核占的空间极小,但却几乎集中了原子的绝大部分质量,并带有正电荷,带有相同负电荷的电子绕着核运动,电子绕核就如同行星绕日一样。也就是说,原子结构就如同一个小的太阳系。
卢瑟福的原子模型并不是完全的“纸上谈兵”,而是有其著名的α粒子散射实验作为依据的。
然而,卢瑟福刚一提出这个模型,就遭到许多科学家的反对,原因是它违背了经典物理学的基本理论。经典电磁理论认为,任何作加速运动的电荷都要辐射出电磁波,从而导致电子不断发射能量,电子发射电磁波愈来愈短,绕转也离核愈来愈近,最后电子就落到了核中,原子就毁灭了。
可是事实却并非如此,原子寿命是很长的,并未因电子运动而毁灭。另外,原子光谱是不连续的。这些事实连卢瑟福本人也不能自圆其说。使他不得不说原子的稳定性问题还有待探索。
“山重水复疑无路,柳暗花明又一村。”正当卢瑟福无计可施时,1913年,当时正在给卢瑟福当研究生的玻尔,受到普朗克量子论和爱因斯坦光子论的启示,把老师卢瑟福的原子模型加以改造,提出了“玻尔原子模型”。他的原子模型的要点是:
1.肯定卢瑟福的行星模型,不过当电子环绕原子核做高速旋转时,只能在特定轨道上运行,此时原子不辐射能量;
2.当电子从离核较远轨道到离核较近轨道时,原子便放出能量,以电磁波形式辐射出来,能量大小决定于电子跳动后所处轨道半径,因为轨道是不连续的,所以原子辐射能量也是不连续的。
从上述理论出发,玻尔轻而易举地解释r氢原子光谱得到的巴尔麦公式,同时还推导出原子半径。
玻尔的原子模型立即得到了卢瑟福的称赞,因为他不仅给卢瑟福解了围,而且建立了揭示原子结构奥秘的玻尔理论,为现代科学发展立了大功。
玻尔在自己的理论中,提出了至今仍很重要的原子定态、量子跃迁等概念,有力地冲击了经典理论,推动了量子力学的形成。他对氢原子光谱的成功解释,大大地提高了量子论的影响。玻尔理论被爱因斯坦誉为“最伟大的发展之一”。1922年,玻尔荣获了当年的诺贝尔物理学奖。
玻尔是一个意志顽强、坚忍不拔的科学家。他不像普朗克那样,点燃了革命之火,却在这场革命中动摇;他也不像爱因斯坦那样,打了几场胜仗以后,就把主要精力转移到另外一场革命——相对论上去了。他始终是这场革命的风云人物。他初期参加了用量子论解释原子结构的战斗,在革命高潮到来的时候,成了这场革命的主力军之一哥本哈根学派的领袖,指挥这场战斗,直到取得决定性的胜利。
在玻尔的倡议和主持下,1920年在哥本哈根大学创设了理论物理研究所,玻尔亲自担任该所所长长达40年之久。所以这个研究所被人称为玻尔研究所。长期以来,这个所成了量子力学的大本营。在1922-1932年的10年间,许多科学家都在这里待过。
例如:德国物理学家玻思和海森伯、奥地利物理学家泡利,以及英国物理学家狄拉克,还有克莱因,克喇末、埃伦菲斯特、伽萸夫、克什米尔、兰德和罗森尔德等人在玻尔的领导和影响下,形成了具有自己特色的学派——哥本哈根学派。
玻尔研究所里,经常云集五六十名外国学者在此工作。有人统计全世界30多个国家的近千名科学家都或长或短在这里工作过。从这里出去的有7个荣获了诺贝尔奖。有人曾经问过玻尔为什么你能够聚集那么多有才能的年轻人?玻尔回答说:没有什么秘诀,只有一点是清楚的,我不怕在年轻人面前暴露自己的愚蠢。
玻尔还是一名和平战士,在第二次世界大战中,他拒绝与纳粹德国合作,被迫逃往国外。在美期间,他曾参加研制原子弹的工作并做出了重要贡献。“二战”结束后,他就毅然和任何核武器的制造断绝了关系。
1937年夏季,玻尔曾来中国,访问了上海、杭州、南京和北平,对中国人民很为友好。1947年,丹麦政府决定授予他级别很高的勋章,要求受勋者有一个族徽,玻尔亲自设计了他的族徽,其中的图案采用了中国古代的“太极图”,来形象地表示他的互补思想。
1962年11月16日,玻尔在哥本哈根去世,享年77岁。
德布罗意
玻尔的原子结构理论对量子论的推动作用是巨大的。不过玻尔的理论只能解释氢原子的光谱,还无法解释比氢原子更复杂得多电子原子的谱线,而且根本无法说明任何一条谱线的强度和偏振。量子理论需要更深刻的突破,才能摆脱玻尔原子理论的局限所带来的困境。这项工作是由德布罗意完成的,从而导致了量子力学的诞生。
1892年8月15日,德布罗意出生于法国迪耶普的一个贵族家庭。自18世纪起,德布罗意家族在法国历史上就已经赫赫有名,出了好几位元帅、大使、部长,最后更出了德布罗意的哥哥莫里斯德布罗意公爵。莫里斯是一位杰出的物理学家。
德布罗意幼年时就失去了双亲,是哥哥莫里斯一手把他带大的。德布罗意开始是学历史的,后在哥哥莫里斯的启发下才转攻物理学。
1923年,德布罗意产生了把爱因斯坦的光的波粒二象性推广到描述其他微观粒子上去的想法。他在晚年曾回忆说:“经过长期的孤寂的思索和遐想之后,在1923年我蓦然想到:爱因斯坦在1905年所做出的发现,应当加以推广,把它扩展到一切物质微粒,特别是电子。”从而提出了“物质波”的假说。德布罗意指出:整个世纪以来,在光学上,比起波动的研究来,忽视了光的粒子图像,在对实物粒子的研究上,是否发生了相反的错误呢?是不是我们把关于粒子的图像想得太多了,而过分忽视了波的图像?
1923年9月至10月,德布罗意连续发表了三篇论文,提出了他的“物质波”思想。他指出,爱因斯坦提出的光量子能量公式,不仅适合于光,也适合于像电子这样的实物粒子,这些实物粒子不仅有粒子性,也有波动性。他还预言,电子束穿过小孔时,会像光一样出现衍射现象。