读科普 (4) 量子 相对论
下载了《阿西莫夫最新科学指南》，看了做点笔记：
牛顿断定，光是由高速运动的微粒组成的。这样就能解释光
为什么直线前进并产生明显的阴影。
1678 年，荷兰物理学家惠更斯认为光是由小的波动所组成。
1801 年英国医师兼物理学家T. 杨做了一项实验。他让一窄光束穿过距离极近的两个小孔
而投向后方的屏幕。假如光真是由粒子组成，那么透过小孔而投
射到屏幕上的两束光应该是重叠区域较亮，不重叠区域较暗，但是
T. 杨发现事实并非如此。屏幕上产生一系列亮带，亮带间则夹有
暗带。暗带则是代表反相，波峰被抵消。
1972 年，埃文森所领导的实验小组，以更精密的方法测得光
速为每秒299728.367 公里
1935 年苏格兰物理学家沃森-瓦特利用微波的反射来追踪飞机，全世界开始知道雷达是在不列颠战役，当时英国人不论夜晚或云雾都能侦测出纳粹飞机的来袭。
太空中是没有媒质可波动的。光在真空中究竟是如何传播的呢？
法拉第这位没有数学学历但极具智慧的科学家，把力线想象为是以太的弹性
畸变，因此也用以太来解释磁现象。
在19 世纪60 年代，极为推崇法拉第的麦克斯韦，致力于以数
学分析来说明力线。他导出了四个简单的方程。发现电场的改变必定引起磁
场的改变，而磁场的改变又必定引起电场的改变，依此持续下去。
这种交替变化使整个电磁场沿各个方向向外传播，结果产生了具
有波形性质的辐射。简言之，麦克斯韦预言了与电磁场变化频率
相同的电磁辐射的存在。
麦克斯韦甚至能够计算出电磁波的运动速率与光速完全相同。他认为光是一种电磁辐射
迈克尔孙-莫利实验可能是整个科学史上最重要的一次“不能
证实”的实验。1887 年迈克尔孙让干涉仪相对于地球的运动指向不同的
方向，再根据分开的光束与反射回来的光束反相位的多少，来检验
以太的效应。结果发现竟然没有任何不同！不论他们做多少次实验，干
涉带都不改变
物理学的基础动摇了。或是以太随地球一起运动，这是毫无
意义的；或是也许根本就没有以太这种东西。不管是哪一种情况，
绝对运动或绝对空间都不存在。
迈克尔孙于1907 年获得诺贝尔物理学奖——第一
位美国人得到诺贝尔奖，虽然得奖并不特别是因为这个实验的关系。
1893 年，爱尔兰物理学家斐兹杰惹提出一个新奇的解释，说
明为什么迈克尔孙-莫利实验会得到否定的结果。他指出所有物
体都会沿运动方向收缩，同时收缩量随运动速度而增加。
斐兹杰惹并由此导出一个方程。1 英尺长的直尺若以每秒260000 公里的速度通过，我们会觉得它只有6 英寸长——前提是我们不随尺子运动以及我们知道尺子通过时如何测量。
德国物理学家普朗克于1900 年首次发表他的理论，认为辐射是由许多小
单位所组成，正如同物质是由原子所组成一样。他把这种辐射的
单位称为量子（拉丁原文意指“有多少？”）
e=hv
符号e 代表量子能量；ν（希腊字母nu）代表频率；h 是普朗克常数。
h 的数值极小，量子也是极小的。辐射的单位小到让人觉得光是连续的。
德国物理学家P. 勒纳曾发现，当光撞击某些金属时，会使金
属表面放出电子，好像是光的力量把电子从金属表面给赶了出来。
P. 勒纳将此现象命名为光电效应
德国出生的瑞士物理学家爱因斯坦证实了量子的存在。
爱因斯坦从普朗克的量子理论 e=hv，量子能量愈大，赶出来的电子速度就
愈大。爱因斯坦由于对光电效应的解释（不是因为相对
论），于1921 年获得诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦于1905 年提出狭义相对论。这是他在瑞士专利局
担任检验员期间利用业余时间研究出来的。他认为光是以量子的形式在空间运
行（光的基本单位光子这个词是康普顿于1928 年提出的）。于是，
光由粒子组成的概念又复活了。但这是一种新的粒子：它兼具波
动与粒子的性质，有时表现出波动特性，有时则表现出粒子特性。
约在1930年时，玻尔率先提出一项理论，认为测量辐射波动性质的实验绝对
无法用来探试其粒子性质，反之亦然。他称此为互补原理。
爱因斯坦学说改进了牛顿学说。牛顿的宇宙观仍然可以作为一种简化了的近似方法。
它在日常生活中甚至于在普通天文学上仍非常适用，如将人造卫
星送人轨道。但是在同步加速器中，加速粒子时，我们就必须考虑
爱因斯坦的质量随速度而增加的观念，才能使加速器运转。
爱因斯坦认为时钟会变慢这件事至今在物理学家中仍颇有争议。
爱因斯坦并在1915 年提出广义相对论
广义相对论对引力提出了完全不同的看法，认为这是空间的一种性质而不是物
体间的一种力。可以这么说，因为物质的存在，空间就被弯曲了，
而物体会顺着阻力最小的曲线前进。爱因斯坦的这种想法颇为奇怪
爱因斯坦理论预言的两个意想不到的新现象得到了证实。
首先，他认为较强的引力场会减慢原子的振动，这种减慢能由光谱线向红色位移所证实（叫做爱因斯坦位移）。
爱因斯坦第二个预言，引力场会弯曲光线。爱因斯坦计算出，一束正好掠过太阳表面
的光线会改变直线行进，弯曲1.75 弧秒
随着1896 年放射性现象的发现，立即引起了关于
能量的一个全新的问题。放射性物质铀和钍发射的粒子能量惊
人；居里夫人还发现，镭不断地放出大量的热。这是一种全新的能量。
（居里夫人及其女儿I. 约里奥-居里
都因接受了过量的放射性物质而死于白血病。）
物理学家很快地就找到了答案。这一次又是爱因斯坦
在他的狭义相对论里提供的。 e＝mc2
e 代表能量（单位为尔格），m 代表质量（单位为克），而c 为光速（单位为厘米/秒）。
20 世纪20 年代。普朗克证明
辐射具有粒子性和波动性。爱因斯坦证明质量和能量属于同一体的两面，并且证明空间和时间是密不可分的。
1923 年，法国物理学家德布罗意指出，如同辐射具有粒子的
特性一样，物质的粒子，如电子，也应显示出波的特性。
电子波的特性很快就被应用在显微术上。最好的光学显微镜仅达2 000 倍的放大
率。现在电子显微镜发展到2×106 的放大倍率。
1913 年，玻尔根据新阐述的量子理论，描绘了氢原子的模型。他认为，氢原子是由一个中心核和一个围绕着核的电子组成的，此电子可在一些轨道中选择任一轨道绕核运行。如果该电子由外层轨道落到内层轨道，它将损失能量，这损失的能量以具有一定波长的一个量子的形式发射出来。玻尔的理论成功地解释了关于各种元素光谱的许多事实。
1926 年，奥地利物理学家薛定谔决定根据德布罗意的粒子具有波动性的理论重新观察原子。他把电子视为一种波，认为电子并不是像一颗行星环绕太阳似地环绕着原子核，而是以波的形式
环绕原子核，因此可以说它一下子就占据了整个轨道。
薛定谔对原子所作的数学性描述，称之为量子力学。薛定谔与狄喇克共同获得1933 年的诺贝尔物理学奖。狄喇克是反粒子理论的创立者
德国人海森伯提出他自己的原子模型。他不以粒子或波动的说法来
描述这个模型。他认为，任何在原子的结构和我们周围世界的结
构之间寻求类似点的企图都注定要失败。他利用数学里矩阵的方法来
处理他的数字
海森伯的不确定原理：想象一个能观察1 个电子的显微镜，1 个电子是如此地渺
小，1 个光子的撞击都可使它移动而改变位置。所以在测定电子位置的当时，我们已经改变了该电子的位置。
伟大的夹心惭愧,学过的东东都还给了老师.如今重温知识,觉得好熟悉,好亲切啊.很喜欢看你的科普文.木哈哈哈,莫哈哈哈,若是能探讨就更好啦.
注:海波森的电子不确定定理只是描述.因为电子本身就是不确定运动的.