物理学中还会发生什么?_物理论文

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1890年10月7日那一天, 德国物理学家马克斯·普朗克研究出了一个数学公式,这个公式像里氏10级地震那样使科学的全貌发生了戏剧性的变化。在它之前的一切都降格为“经典”物理学。

普朗克的公式描述了像太阳或烧红的煤那样的炽热体所辐射的光随其波长发生变化的情况。实验表明,像驼峰的能谱其光的强度在高频和低频时都会降低。这与物理学原来预测的完全不符。

根据物理学原来的理论,光是由原子振动产生的。一个理想的炽热体的全部能量应当是均匀地分布到所有可能的频率上。到此为止一切还都没什么问题。问题是光的振动可能是无数次的,所以能量也就应该能达到频率极高的强振动上。这样,高频时炽热体的光强就完全不是减弱,而会直射入同温层。

普朗克研究出了一个公式,它避免了这个“灾难”。这个公式假定光的振动能量受到某种限制,从而正确描述了炽热体的能谱。这个假定是:光的振动只存在于某些离散的组合中,即量子;而且对于高频的光来说,这些量子的能量是最大的。炽热体在高频时能谱的切断情况在这里得到了清楚的解释——高频量子所要求的能量太大了,实际无法产生。

量子物理学于是就诞生了,虽然普朗克本人有好几年都没有意识到这点。光像粒子这个概念与经典物理学完全不一致。它是落在物理学心脏上的一颗炸弹,再不曾有过类似的情况了。

现在,当我们接近21世纪时,值得问问今天有没有反常的实验现象,会像量子革命改变了20世纪的物理学进程那样,使21世纪的物理学进程发生戏剧性的变化?

可能导致这种变化的情况不是没有。例如,宇宙中物质的量超过了我们用望远镜能看到的10倍,或100倍。 这是一个极不寻常的观测结果,科学家还需要深刻地理解它。在科学产生300年后的今天, 我们发现物理学家、化学家和生物学家一直在研究的每样东西——由原子构成的物质——只不过是宇宙的微小的沾染物。而且关于“暗物质”是什么,我们还一点儿线索也没有!

另一个奇怪的实验现象是,最近发现了宇宙真空区似乎具有一种反引力效应,而且与人们料想的正相反,宇宙的膨胀实际上是在加速。量子理论对于这种反引力的值作出了预测,即所谓的宇宙常数;它比天文学家曾经得出的大110个数量级。 诺贝尔奖获得者斯蒂文·温伯格说这是“科学史上数量级估计的最大错误”。

如果暗物质或是宇宙常数还不能使物理学展开新的篇章,那么在暗处还有某些东西在伺机而动。现在它们可能无足轻重,还没有人认为它们是个问题。但是要小心,它也有可能会和那个令人费解的炽热体的能谱一样使整个物理学大厦在我们面前轰然倒塌。

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