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27, 6月 2022
这两个简单却诡异的实验一个化为了相对论一个成就了量子力学

在经典力学达到鼎盛的十九世纪,牛顿开宗立派,一手创立力学,从此万物运动皆明;麦克斯韦集天地之才,一手电磁学方程组完美得像诗歌一样,一统电磁两界;外加热力学与统计力学,可以说一切运动均有了理论的支持。但故事永远不会那么美好,有两个很简单却诡异的实验,使得这座大厦最终迎来了。

这个实验可以说是物理学史上最副盛名的实验之一,它由迈克尔逊和莫雷两位制作的迈克尔逊干涉仪进行光速差的测量,正是由于这个实验得到的与经典物理学所相悖的现象,使得它最终促成了近代科学的一大支柱——相对论。

这个实验的原理比较简单,装置也并不复杂,它要证明的正是传说中的“以太”。那个时候认为光能在真空中传播,必然是真空中存在某些无法探测到的物质,这种物质使得光得以像水波一样传播。谁也没有见过这种物质,也无法证明它,但是它却获得了当时物理学界的认可,明朗如牛顿,也承认了以太的存在,因为当把它引入时,所有的一切都有了解释,无论是光还是引力。

而迈克尔逊-莫雷实验则是为了验证这种传说中的物质。实验背景:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,而以太属于绝对静止的,那么必然会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来,而光通过以太传播,那么必然会受到影响。在顺着以太运动方向和垂直方向,两者传播的光速必然存在速度差!实验仪器:迈克尔逊干涉仪。实验过程:略(自行百度)。实验结果:两者并没有速度差!由于这个实验装置简单,人们后来在不同地点、不同时间多次重复试验,得到的结果都是一样的:光速都是相同的!

要不是拥有惊人数学才能的洛伦兹创造出传说中的洛伦兹变换,强行给以太续了命,以太怕是当时就要夭折了。不过洛伦兹这个已经偏向于纯数学的变换,虽然牵强附会能用于以太,但是在10年后,爱因斯坦出世,认为洛伦兹变换既然已经得出了光速不变原理,那么就没必要附着于以太了,因为运用狭义相对论的一些基础,就可以完全将以太抛弃!于是近代物理学的其中一座大厦——相对论建成。

这个实验一度让物理学家们头疼不已,因为根据电磁学与热力学的黑体辐射实验,总是无法得到一个能够满足实验现象的公式。理想黑体并不存在,但是一个球体开一个小孔,可以近似地认为是一个理想黑体,而根据经典物理学,能量是均匀的、连续的。但是得到的实验结果总是呈不连续性。(具体实验过程可百度)

此时各路大神开始着手这个“怪胎”问题,根据经典物理学,维恩提出维恩定律,这个在低频阶段符合得不得了,但是在高频阶段就不行了。而后瑞利-金斯定律现世,可惜虽然在高频阶段于实验数据符合得很好,但是在低频阶段完全懵逼,甚至出现紫外灾难。

时代是需要英雄出现的,普朗克出来了,他想破了头脑把上诉两个定律整合在一起,功夫不负有心人,凭借着出色的数学才能还真的让他凑了一个公式出来,不仅在低频阶段与实验完全符合,高频也是一丝不差。但是有一个问题:这个方程背后的物理含义与经典物理学完全相悖!它居然暗指能量是不连续的,而是类似粒子一样是一份一份的!普朗克把这一份能量称为“量子”,从此量子力学现世!物理学又一座大厦拔地而起。

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