Page 13 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

到最小的原子都毫无例外。而且对于未来就像对于过去那样都能一目了然。”
到十九世纪末，物理学的发展为人类展示出一幅完整而清晰的世界图景：牛顿力学完美
地刻画了天体与地球上一切物质的机械运动规律，能够精确地预言每个物体的运动轨迹；麦
克斯韦的电磁学理论完美地刻画了电磁运动的规律，光被成功地归结为电磁运动；道尔顿
（J.Dalton）的原子论完美地将化学现象归结为原子的机械运动；热力学成功地把热归结为
分子的无规则的机械运动，最后归结为分子的统计力学理论。至此，经典物理学大厦已经建
成，物理学家凭借经典力学、经典统计力学和经典电磁场理论，能够对几乎所有已知的物理
现象作出解释。正因为如此，当时的许多物理学家认为物理学已经大功告成，人类已经从根
本上认识了物理世界的总体面貌，“往后无非是在已知规律的小数点后面加上几个数字而
已”。
所以，1900 年 4 月，英国物理学家开尔文男爵（William Thomson,1st Baron Kelvin）在
英国皇家学会发表演讲时宣告：“物理学已经可以认为是完成了，下一代物理学家可以做的
事情看来不多了。”但是，同样是在这个演讲中，开尔文也不无忧虑地看到，在晴朗的物理
学天空之远处，还挂着两朵令人不安的“小小的乌云”：“动力学理论断言热与光只是运动形
式，然而它的美妙性与清晰性现在正在被两朵云遮蔽而显得暗淡了。第一朵乌云来自菲涅尔
和托马斯•杨所建立的光的波动论，它被下面的问题所纠缠：地球如何能够穿过一种诸如某
种实质上传播光线的以太的弹性固体？第二朵乌云则是关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼
学说。”
这两朵乌云实际上是指当时物理学无法解释的两个实验，一个是前面提到的迈克尔孙-
莫雷实验（测量地球相对以太的绝对运动速度的零结果），另一个是黑体辐射实验（绝对黑
体的能量分布上的紫外发散）。后来，当两朵乌云消散之后，展现在人们面前的竟然是一片
崭新的天地，隐藏在第一朵乌云后面的是相对论，隐藏在第二朵乌云后面的是量子力学。相
对论和量子力学拨云见日，由此引发了现代科学理论的革命性变革，迎来了一个激动人心的
时代。如果说相对论的建立是爱因斯坦一己之功的话，那么量子力学的建立则是众多物理学
家共同努力的结晶。在创立量子力学的征途上，闪烁着一串光辉的名字，他们是：普朗克
(M.Planck)、爱因斯坦、玻尔(N.Bohr)、德布罗意(de Broglie)、海森堡(W.Heisenberg)、薛定
谔(E.Schrödinger)、玻恩(M.Born)、狄拉克(P.A.M.Dirac)等。
1900 年，普朗克首先提出了有关量子理论的最初的关键性思想——能量量子假说。他
在研究黑体辐射时，为了使理论计算和实验曲线更好的拟合，假设辐射能量不是连续进行的，
而是以能量子为单位一份一份进行的，能量子为辐射能量的最小单位
E  h  （1.10）
v 是辐射频率，h 是普朗克引进的一个常数，后来就以他的名字命名为普朗克常数。普朗克
从能量量子假说出发，圆满地解释了黑体辐射的频谱分布，为以后的量子理论做出了开创性
的贡献，因而获得 1918 年的诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦 1905 年提出的光量子概念比普朗克的能量量子假设更进一步，不但认为光的
能量具有分离的量子分布，而且光也能看成同时具有粒子特性的一个一个的光量子。光量子
后来被称为光子。频率为 v 的光子具有能量 E=hv 和动量 p=hv/c，意味着光子既有波动性，
又有粒子性。光子的观念被成功地用来解释光电效应，爱因斯坦因此获得 1921 年的诺贝尔
物理学奖。
玻尔接受了普朗克的能量量子假说和爱因斯坦的光量子概念，并应用于氢原子光谱的
解释，提出了原子结构的量子化模型，其要点就是用经典力学计算特定原子中电子的运动轨
道，引进适当的量子化条件来选择稳定的量子化轨道，然后通过玻尔的频率条件确定在量子
化的轨道间发生跃迁时所发射光子的频率，这样就可以将以前观测到的氢原子、类氢离子和
氦原子等的各个系列的光谱线位置精确计算出来。由此玻尔获得了 1922 年的诺贝尔物理学

9