讀科普 (4) 量子 相對論
下載了《阿西莫夫最新科學指南》，看了做點筆記：
牛頓斷定，光是由高速運動的微粒組成的。這樣就能解釋光
為什麽直線前進並產生明顯的陰影。
1678 年，荷蘭物理學家惠更斯認為光是由小的波動所組成。
1801 年英國醫師兼物理學家T. 楊做了一項實驗。他讓一窄光束穿過距離極近的兩個小孔
而投向後方的屏幕。假如光真是由粒子組成，那麽透過小孔而投
射到屏幕上的兩束光應該是重疊區域較亮，不重疊區域較暗，但是
T. 楊發現事實並非如此。屏幕上產生一係列亮帶，亮帶間則夾有
暗帶。暗帶則是代表反相，波峰被抵消。
1972 年，埃文森所領導的實驗小組，以更精密的方法測得光
速為每秒299728.367 公裏
1935 年蘇格蘭物理學家沃森-瓦特利用微波的反射來追蹤飛機，全世界開始知道雷達是在不列顛戰役，當時英國人不論夜晚或雲霧都能偵測出納粹飛機的來襲。
太空中是沒有媒質可波動的。光在真空中究竟是如何傳播的呢？
法拉第這位沒有數學學曆但極具智慧的科學家，把力線想象為是以太的彈性
畸變，因此也用以太來解釋磁現象。
在19 世紀60 年代，極為推崇法拉第的麥克斯韋，致力於以數
學分析來說明力線。他導出了四個簡單的方程。發現電場的改變必定引起磁
場的改變，而磁場的改變又必定引起電場的改變，依此持續下去。
這種交替變化使整個電磁場沿各個方向向外傳播，結果產生了具
有波形性質的輻射。簡言之，麥克斯韋預言了與電磁場變化頻率
相同的電磁輻射的存在。
麥克斯韋甚至能夠計算出電磁波的運動速率與光速完全相同。他認為光是一種電磁輻射
邁克爾孫-莫利實驗可能是整個科學史上最重要的一次“不能
證實”的實驗。1887 年邁克爾孫讓幹涉儀相對於地球的運動指向不同的
方向，再根據分開的光束與反射回來的光束反相位的多少，來檢驗
以太的效應。結果發現竟然沒有任何不同！不論他們做多少次實驗，幹
涉帶都不改變
物理學的基礎動搖了。或是以太隨地球一起運動，這是毫無
意義的；或是也許根本就沒有以太這種東西。不管是哪一種情況，
絕對運動或絕對空間都不存在。
邁克爾孫於1907 年獲得諾貝爾物理學獎——第一
位美國人得到諾貝爾獎，雖然得獎並不特別是因為這個實驗的關係。
1893 年，愛爾蘭物理學家斐茲傑惹提出一個新奇的解釋，說
明為什麽邁克爾孫-莫利實驗會得到否定的結果。他指出所有物
體都會沿運動方向收縮，同時收縮量隨運動速度而增加。
斐茲傑惹並由此導出一個方程。1 英尺長的直尺若以每秒260000 公裏的速度通過，我們會覺得它隻有6 英寸長——前提是我們不隨尺子運動以及我們知道尺子通過時如何測量。
德國物理學家普朗克於1900 年首次發表他的理論，認為輻射是由許多小
單位所組成，正如同物質是由原子所組成一樣。他把這種輻射的
單位稱為量子（拉丁原文意指“有多少？”）
e=hv
符號e 代表量子能量；ν（希臘字母nu）代表頻率；h 是普朗克常數。
h 的數值極小，量子也是極小的。輻射的單位小到讓人覺得光是連續的。
德國物理學家P. 勒納曾發現，當光撞擊某些金屬時，會使金
屬表麵放出電子，好像是光的力量把電子從金屬表麵給趕了出來。
P. 勒納將此現象命名為光電效應
德國出生的瑞士物理學家愛因斯坦證實了量子的存在。
愛因斯坦從普朗克的量子理論 e=hv，量子能量愈大，趕出來的電子速度就
愈大。愛因斯坦由於對光電效應的解釋（不是因為相對
論），於1921 年獲得諾貝爾物理學獎。
愛因斯坦於1905 年提出狹義相對論。這是他在瑞士專利局
擔任檢驗員期間利用業餘時間研究出來的。他認為光是以量子的形式在空間運
行（光的基本單位光子這個詞是康普頓於1928 年提出的）。於是，
光由粒子組成的概念又複活了。但這是一種新的粒子：它兼具波
動與粒子的性質，有時表現出波動特性，有時則表現出粒子特性。
約在1930年時，玻爾率先提出一項理論，認為測量輻射波動性質的實驗絕對
無法用來探試其粒子性質，反之亦然。他稱此為互補原理。
愛因斯坦學說改進了牛頓學說。牛頓的宇宙觀仍然可以作為一種簡化了的近似方法。
它在日常生活中甚至於在普通天文學上仍非常適用，如將人造衛
星送人軌道。但是在同步加速器中，加速粒子時，我們就必須考慮
愛因斯坦的質量隨速度而增加的觀念，才能使加速器運轉。
愛因斯坦認為時鍾會變慢這件事至今在物理學家中仍頗有爭議。
愛因斯坦並在1915 年提出廣義相對論
廣義相對論對引力提出了完全不同的看法，認為這是空間的一種性質而不是物
體間的一種力。可以這麽說，因為物質的存在，空間就被彎曲了，
而物體會順著阻力最小的曲線前進。愛因斯坦的這種想法頗為奇怪
愛因斯坦理論預言的兩個意想不到的新現象得到了證實。
首先，他認為較強的引力場會減慢原子的振動，這種減慢能由光譜線向紅色位移所證實（叫做愛因斯坦位移）。
愛因斯坦第二個預言，引力場會彎曲光線。愛因斯坦計算出，一束正好掠過太陽表麵
的光線會改變直線行進，彎曲1.75 弧秒
隨著1896 年放射性現象的發現，立即引起了關於
能量的一個全新的問題。放射性物質鈾和釷發射的粒子能量驚
人；居裏夫人還發現，鐳不斷地放出大量的熱。這是一種全新的能量。
（居裏夫人及其女兒I. 約裏奧-居裏
都因接受了過量的放射性物質而死於白血病。）
物理學家很快地就找到了答案。這一次又是愛因斯坦
在他的狹義相對論裏提供的。 e＝mc2
e 代表能量（單位為爾格），m 代表質量（單位為克），而c 為光速（單位為厘米/秒）。
20 世紀20 年代。普朗克證明
輻射具有粒子性和波動性。愛因斯坦證明質量和能量屬於同一體的兩麵，並且證明空間和時間是密不可分的。
1923 年，法國物理學家德布羅意指出，如同輻射具有粒子的
特性一樣，物質的粒子，如電子，也應顯示出波的特性。
電子波的特性很快就被應用在顯微術上。最好的光學顯微鏡僅達2 000 倍的放大
率。現在電子顯微鏡發展到2×106 的放大倍率。
1913 年，玻爾根據新闡述的量子理論，描繪了氫原子的模型。他認為，氫原子是由一個中心核和一個圍繞著核的電子組成的，此電子可在一些軌道中選擇任一軌道繞核運行。如果該電子由外層軌道落到內層軌道，它將損失能量，這損失的能量以具有一定波長的一個量子的形式發射出來。玻爾的理論成功地解釋了關於各種元素光譜的許多事實。
1926 年，奧地利物理學家薛定諤決定根據德布羅意的粒子具有波動性的理論重新觀察原子。他把電子視為一種波，認為電子並不是像一顆行星環繞太陽似地環繞著原子核，而是以波的形式
環繞原子核，因此可以說它一下子就占據了整個軌道。
薛定諤對原子所作的數學性描述，稱之為量子力學。薛定諤與狄喇克共同獲得1933 年的諾貝爾物理學獎。狄喇克是反粒子理論的創立者
德國人海森伯提出他自己的原子模型。他不以粒子或波動的說法來
描述這個模型。他認為，任何在原子的結構和我們周圍世界的結
構之間尋求類似點的企圖都注定要失敗。他利用數學裏矩陣的方法來
處理他的數字
海森伯的不確定原理：想象一個能觀察1 個電子的顯微鏡，1 個電子是如此地渺
小，1 個光子的撞擊都可使它移動而改變位置。所以在測定電子位置的當時，我們已經改變了該電子的位置。
偉大的夾心慚愧,學過的東東都還給了老師.如今重溫知識,覺得好熟悉,好親切啊.很喜歡看你的科普文.木哈哈哈,莫哈哈哈,若是能探討就更好啦.
注:海波森的電子不確定定理隻是描述.因為電子本身就是不確定運動的.