量子理论初探(1)经典物理理论大厦的动摇

量子理论初探(1)经典物理理论大厦的动摇

在伽利略第一次把力学引进实验后,经典物理学的大厦便开始了它的筑基之旅,直到19世纪末期有着经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学支撑着的经典物理学的理论大厦终于建成,这无疑是人类历史上一个伟大时刻,甚至一些人认为物理学就此到头了,人们已经知道了所有物理学的重大思想,留待解决的问题只是如何更精确的去处理那些细节,然而大厦却慢慢开始动摇。

  1887年迈克尔逊和莫雷做了一个聪明的实验,用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值。结果证明光速在不同方向上都是相同的,由此动摇了经典物理学基础,看到这里是不是感觉一头雾水?这怎么就能动摇经典物理学基础了?别急,我们往大厦中看

  在经典物理学中,光是以波的形式存在,这一发现得归功于1801年托马斯杨的双缝干涉实验,这实验想必大家都听过,这实验室如何证明了光以波的形式的呢,我们来看,按照一般的想法,当光束照射于两条相互平行的狭缝,则在探射屏应该会观察到两个单缝图样。但实际在实验中弹射屏上观察到的却是一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样

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,为什么会出现这样的现象呢,我们可以拿水波进行类比,当水波通过两条缝隙时,会在缝隙处又产生波纹,两处缝隙产生的波纹会互相干扰在他们相位同步的地方波峰与波峰相互重叠,形成更高的波峰,在不同步的地方一个波的波峰会与另一个波的波谷相抵消,这样一来两个波互相影响打到探射屏上就会得到一系列的明暗条纹。

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于是这结果似乎已经回答了光的本质问题,即光是一种波。既然光是一种波,人们便套用机械波的概念,一定有介质在帮助光波传播,于是科学家们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用。

  好了,现在可以回到迈克尔逊和莫雷所做的实验了,我们把他的实验打个比方,甲坐着船由南到北行驶,乙坐着船由东向西行驶,船的马力是一样的,那船的速度一样么?显然光看这个还是不够的,因为我们还得看水波的方向,顺着水波方向的船测出来的速度明显快于不顺着水波方向的,这个例子中的船就是两束光,船下面的水就是以太,也就是说,只有以太和地球相对静止时,测出的速度才是相同的,否则两个方向上所测出来的光速应该是不一样的,而以太与地球相对静止的可能性可以由换一个时间测量来排除,因为地球是在不停自转和公转的。然而迈克尔逊和莫雷探测不出任何速率上的差别,结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太的存在,经典物理学的理论大厦也由此开始动摇。

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