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1900年4月27号，开尔文勋爵在英国皇家学会做了一个报告，对20世纪物理学的展望，对以前物理学的总结，他对自己的报告感到很满意。到了1901年的7月，他就发表了这个报告的整理版本，整理这个报告花了好长时间，1901年的2月2号他还写了个补充说明，他说这篇文章是在那次做报告的基础上加了大量材料编写而成，可见开尔文勋爵很上心。 开尔文勋爵 在这篇文章里开尔文勋爵就描述了物理学界那两朵最著名的乌云，一个是以太和有质体的相对运动问题，其实这个问题就是著名的光速不变问题，他只是换了个方式表述。那时候大家普遍认为电磁波是在以太里传播的，那为啥我们感受不到以太的存在呢，要是地球绕着太阳运动，那以太是跟着地球走还是跟着太阳走，还是都不跟着呢？这个问题在当时闹的一堆人寝食不安，麦克尔逊和莫雷就做了实验表明以太相对地球是静止的。那不对啊，这地球何德何能，以太居然相对地球不动弹，那么地球绕着太阳转，那以太相对太阳运动吗？这有点解释不通啊。为此洛伦兹就提出了一个收缩假设，假设我们相对以太运动的方向会收缩，当然费兹杰惹比他还早提出，他们都得到了洛伦兹的变换公式，这个公式最后是以洛伦兹的名字命名的，费兹杰惹比他早，但是没贪上。开尔文勋爵在报告里就写，他说我不敢对这个抱有奢望，他觉得这个问题能解决但现在目前还没有解决，因此他说这片乌云还是相当浓厚的。 这第二片乌云呢是所谓的比热问题，开尔文勋爵是知道麦克斯韦和玻尔兹曼的能量均分学说，那很简洁优美，大家也都很喜欢。但是开尔文勋爵觉得这样的优美是没有必要的，谁说能量一定是均匀分布了，那很多情况下这个理论和实验数据对不上啊。当然了，开尔文勋爵还是高瞻远瞩地指出这些问题在20世纪都将一扫而光，我们必将胜利解决这些问题，前途是光明的。他倒是站着说话不腰疼，可把普朗克给忙坏了，他累死累活干了好长时间终于搞完了黑体辐射公式的推算。黑体辐射公式为什么跟瑞利勋爵和维恩他们的推算有相当大的差异呢？就是因为开尔文勋爵提到的这个能量均分定理。这个定理在一般情况下表现还不错，麦克斯韦啊玻尔兹曼啊都很喜欢这个学说，但是到普朗克这就麻烦了，他按照这种理论怎么推算都推不出来，最后走投无路，普朗克就假设这能量不是平均分布的，而是不连续分部的。在这个基础之上，他推导出了跟自己凑数凑出来的一模一样的结果，也就是意味着这个公式不仅仅是凑数这么简单，这是第一个建立在不连续的假设之上的辐射公式。普朗克也头疼啊，他自己也信奉经典物理学，这东西怎么看怎么别扭。别扭也没用这东西就是管用，跟实验结果符合的非常完美。好在普朗克看啊看慢慢也就习惯了，也就不去计较了。要知道热力学整个都是建立在统计的基础上，所以叫统计物理，在那些年里热力学就慢慢得到完善，尤其是热力学三大定律的提出，因为那个时候恰好碰上蒸汽时代，蒸汽机被大规模使用，大家都开始研究热力学。 第一类永动机 热力学第一定律就是我们非常熟悉的能量守恒定律，也是宇宙的基本法则，那就是出来混总要还的。能量不能凭空产生也不能被凭空消灭，它只会从一种形式转化为另外一种形式，这条定律也就判了第一类永动机的死刑。想不劳而获那是不可能的，这个大家普遍还是容易理解。但到了热力学第二定律就没那么好理解了，热力学第二定律有很多表述，现在大家最清晰的表述就是“孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。”可逆过程是理想状态，基本不可能实现，所以熵就不可避免要增大。当然热力学第二定律也有其他表述的方式，但都无一例外强调了单向性，就好像某些事总是往一个方向走。热力学第二定律就直接判了第二类永动机的死刑。什么叫第二类永动机啊？当时有人就幻想这个能量首胜定律惹不起，那就不违背能量守恒定律，比如说海水假如能降低一度温度，那释放出来的热量就够人类用好久好久了，那也近似于永动机了。想的倒挺美，人家海水平白无故给你那么多热量干嘛，凭什么没事给你这么多热量啊，这违背了宇宙的基本法则嘛。热量总是从温度高的地方流向温度低的地方，你想让海水平白无故给你热量，你得首先创造一个比海水温度低的环境才行。那还是要费大量力气的，所以这第二类永动机也是不可能的。对热力学第二定律理解最好的就是玻尔兹曼，他指出所谓的熵就是混乱度，熵越大就越混乱无序。 玻尔兹曼就证明了从混乱变到有序的概率是低到不能再低，基本就是不可能发生的，而从有序变到混乱那是每分钟都在发生的事。注意到这里他有个概率解释，他是用概率在考虑这个问题的，这就是统计物理的一个特点。玻尔兹曼当时正惹的一堆麻烦，他因为坚持原子论就跟坚持唯能论的奥斯瓦尔德吵了10年之久，唯能论就认为一切都是能量，不存在粒子。玻尔兹曼就觉得原子还是存在的，奥斯瓦尔德背后就是哲学大师马赫，马赫支持他，爱因斯塔也受马赫很大启发，但这是另外一回事了。最后玻尔兹曼跟奥斯特瓦尔德斗了10年，玻尔兹曼惨胜，最后差点把老命搭上。普朗克是站在玻尔兹曼这边的，正是玻尔兹曼在统计方面的思想给了普朗克很大启发，但玻尔兹曼恃才傲物，跟普朗克有矛盾，他也没把谁放在眼里，跟普朗克关系一点都不好，而且后来出现了强烈的抑郁情绪，那年头没啥人懂抑郁症，总觉得玻尔兹曼最近老想不开。到1900年还发生了自杀未遂的事情闹的大家吓了一跳，他本来讲课风趣幽默很受学生欢迎，讲稿直接拿出去出书都是可以的。但是后来接了马赫的班，马赫退休了，他给学生们讲哲学课就不太成功，他自信心受到严重打击，从这开始玻尔兹曼大脑的熵值就抑制不住的在增加，说白了就是脑子越来越乱。到了1906年他终于自杀成功，用一根窗帘绳结束了自己的生命。1906年是不幸的一年，不幸的一年不仅仅是因为玻尔兹曼的自杀，还因为比埃尔居里。就在1906年他因车祸不幸身亡，居里夫人就成了寡妇，比埃尔在大学里还开了课的，比埃尔去世以后就没有人讲了，也没人讲的了啊。于是只有居里夫人守寡穿着丧服走上了讲台，代替死去的丈夫给学生讲课，这门课也只有她会讲。这是巴黎的大学第一次出现女教师讲课。当然后来居里夫人还闹出不少风波，自古寡妇门前是非多，这是后话了。 回过头说普朗克，对于他的公式他是这么解释的，光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，如果是不连续的那必然就有一个最小单位，这个最小单位普朗克称它为能量子，后来被简称为量子。当然了，微观世界不像宏观世界的线索那么明显，相对论那就是爱因斯坦那个天才的大脑想出来的，那时间1905年地点在伯尔尼专利局人物爱因斯坦，都很清晰。探讨微观世界的规律的这帮人就不是，那就是千头万绪，有一帮科学家共同完成，量子理论建立的过程也比相对论要曲折的多，最终建立量子力学完整基础的那个人在这一年刚出生，那个人叫海森堡，现在还在襁褓里吃奶呢。 接下来几年也有了一连串的发现，1902年诺贝尔物理学奖就发给了一个荷兰科学家，他名字叫塞曼，和他一起分享诺贝尔物理学奖的就是大名鼎鼎的洛伦兹，洛伦兹是塞曼的老师。他俩研究的是磁场对光谱的作用，就是因为这个尔拿的诺贝尔物理学奖。塞曼发现磁场里的光谱线居然会加宽，仔细一看不仅仅是加宽而是分裂成三条，他百思不得其解。于是他就向洛伦兹求助，洛伦兹一看就来精神了，洛伦兹是经典电磁论的创立者，他认为一切物质分子都含有电子，阴极射线就是电子嘛。洛伦兹对磁场的研究那是相当深，洛伦兹力就是以他名字命名的，那就是描述带电粒子在磁场中运动的过程。他觉得光谱线在磁场里必定要分裂，因为光也是电磁波，本质还是电子来回运动的结果，他当时就是这么想的。按照他的理论计算，就应该有光谱分裂，因为是塞曼最先观测到这个效应因此叫塞曼效应。而且光的偏振方式还会发生变化，现在我们测量某个星球的磁场靠的就是这个。我们隔着这么远鬼知道它这个天体有没有磁性，就是靠这玩意儿，只要看光谱线宽度，再看看它分裂的情况就可以估算出磁场的强度。到1908年加州威尔逊山天文台就利用塞曼效应测量出了太阳的磁场，这是破天荒的一次。于是这俩人就拿了1902年的诺贝尔物理学奖。 无磁场绿光塞曼效应 有磁场绿光塞曼效应 但科学就是按下葫芦起来瓢，这时候反常塞曼效应就被发现了，为什么说反常呢？光谱线居然分裂成不止三条，而且按照洛伦兹的理论这分裂成的三条应该是间距相等的，这次好了，4条6条都出来了，而且间距也不相等，那用洛伦兹的理论就没有办法解释，因此这被称为反常塞曼效应。这下洛伦兹头疼了，他解释不了，他俩无意中又挖了一个大坑，因为这个坑用经典理论是解释不了，这个坑只有等后面量子论成熟用量子论来解释。就在这个时候爱因斯坦和小伙伴组成的读书会正在读马赫啊，庞加莱啊，斯宾诺莎啊，休谟啊这种人的思想，这个读书会叫奥林匹亚科学院。就在这几年基本上就给他后来那个奇迹之年奠定了基础，当然了这个奇迹之年还没有到来。所以我们说量子领域的科学家们是千头万绪，是无数人搭建起来的。不像相对论只要说爱因斯坦就可以了。 1900年别忘了还有个远渡重洋的卢瑟福呢，他在加拿大的蒙特利尔就发现了钍放射出的气体。这个钍不仅仅是发生衰变发出放射线出来，还能放出气体出来。他就把这种气体称为钍射气。后来发现钍射气还产生别的放射的沉淀物，于是他就跟一个年轻的化学家叫索迪他们俩1903年共同发表了《放射性的原因和本质》，这篇论文是划时代的因为他们从这篇论文就可以知道放射性原子是不稳定的，它们通过放出α或者β粒子而自发的从一种元素变成另外一种元素，那么预示着原子是会变化的，原子看来还是可以分解的。原子按照古希腊语的意思就是不可分的意思，现在看来好像不是这样，微小的原子内仍然有结构。比如说大家都知道电子带负电，原子里面不带电，那必定存在带正电的部分。卢瑟福就怀疑这个α粒子应该是带正电的，在磁场里走曲线而不是走直线，但是哪怕他用最大的电磁铁也没能把α射线掰弯。到了1903年他终于把α射线给掰弯了，没错，这个α射线就是带正电的，因为质量太大了磁场弱了掰不动。他这结果一出来开尔文勋爵就坐不住了，他觉得既然原子是有结构的，你得给原子结构搞个模型啊，正电和负电到底是什么个关系。开尔文勋爵就认为原子就是小球，到现在我们好多人也还认为原子就是个小球，它整体是带正电的，但是里面嵌着带负电的电子，于是整体看起来正负抵消就是不带电的。这时候有个日本人就不干了，他认为正负电子不可能参合到一块相安无事。那么大一个球把电子嵌进去这好像不像话，这个日本人叫长冈半太郎。他提出一个土星模型，他认为电子就像土星的卫星一样绕着土星转，他试图以这个模型来说明光谱线是如何形成的，因为的确电子绕着这个核转好像是可以辐射出射线的，而且还有共振等等，就模模糊糊好像能说的通，他还是依据的麦克斯韦经典的电磁学理论嘛。这个长冈半太郎的模型是个有核的模型，他认为正电荷在中间的，质量非常大。这时候汤姆逊跳出来了，他提出一个葡萄干面包模型，他认为电子就是嵌在面包里的葡萄干，你想啊那么多电子相互之间都是负电，相互之间会排斥，不稳定啊，但别忘了中间还有个正电荷它力气很大，它就把大家都吸引到自己周围形成一个平衡状态，6个电子摆一圈，多余的又可以摆一圈，按照汤姆逊的模型好像可以解释元素的周期律。 长冈半太郎和土星模型 原子模型要想获得成功有三关要过，首先是稳定存在，比如就拿长冈的模型来讲，按照经典力学电子绕着核旋转是会辐射出电磁波的，能量会源源不断地辐射出来。那么电子自己的动能就会减少，最后就坠毁在核上了，这不是一个稳定的模型。其次就是得能解释元素周期律，元素为什么会有周期，一定是原子核内部结构的不同导致出现不同的效果，它怎么会有周期呢？最后就要解释元素的光谱线为什么是一条条孤立的，是不连续的很细的线，还有光谱的一系列效应都得能解释比如塞曼效应啊反常塞曼效应啊椭圆极化啊等等。大家对汤姆逊的模型显然是不满意的，因为这个模型解释不了光谱线，真正要解释原子结构还要再等等。因为汤姆逊的学生卢瑟福正带领一帮助手学生在努力奋斗着，这又是后面要讲的东西了。 汤姆逊提出这个原子模型呢已经到了1904年，到了第二年1905年就是物理学所谓的奇迹年，天才少年爱因斯坦终于等到了他一个雷天下响的时候。这个事请看下回分解。 |
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