現代物理學

現代物理學jin6 doi6 mat6 lei5 hok6英文modern physics)廣義上係指廿世紀開始嘅一套物理學理論,包含量子力學狹義相對論、同廣義相對論等嘅理論框架。

背景

內文:古典物理學

廿世紀初嗰陣,物理學界發現咗一啲打前嘅古典物理學理論解釋唔到嘅現象,於是有愛因斯坦(Albert Einstein)同普朗克(Max Planck)等一班有才華嘅物理學家合作諗出咗一啲新嘅理論。呢啲理論嘅特徵係,佢哋放棄咗一啲古典物理學當中有問題嘅假設,例如古典物理學假設咗能量同質量係兩樣獨立嘅嘢,而量子力學就放棄咗呢個諗法。狹義上,現代物理學嘅理論框架主要包括咗以下嘅理論[1][2]

  • 量子力學(quantum mechanics):講原子同原子啲組成部份嘅理論,並且提出咗一個重要嘅諗法-所有物質都可以想像成波動(wave;光同各種電磁波都屬波動),例如量子力學嘅呢條式:
 
  • 呢條式當中嘅  波長(wavelength), 普朗克常數(Planck constant),  係嚿物質嘅動量,而動量等如嚿物質嘅質量( )乘速度( );呢條式顯示,一件物件可以同時具有波長(波動先有嘅特性)以及質量(物質先有嘅特性)-打破咗古典物理學嘅假設[3][4]
 
  • 呢條式講嘅係,「一個移動緊嘅觀察者所經過嘅時間」( )等如「一個靜止嘅觀察者所經過嘅時間」( )除以「1 減移動觀察者嘅速度嘅二次方 )除光速嘅二次光( )」嘅開方;呢條式顯示,兩件物件可以因為有相對速度而過嘅時間唔同-破除咗絕對時空(所有物件時間流逝率一樣咁快)嘅假設[5][6]

呢啲理論解釋得到好多古典物理學理論解釋唔到嘅實驗結果,例如係[7]

... 呀噉。

量子力學

內文:量子力學

量子力學呢套理論嘅其中一個基本諗法係:

能量唔係好似古典物理學所講嘅噉、分做幾細件都得,而係以一個定量(quantum;眾數係 quanta)做單位、冇得砍到細過個定量嘅。

光電效應實驗做例子:想像有場實驗佈置似幅附圖噉;19 世紀嘅物理學上已知某啲金屬可見光UV 等嘅電磁波敏感,畀電磁波射到嗰陣會有電子由嚿金屬嘅表面嗰度射出嚟;而家想像實驗者駁好嗮電極,射一束頻率   嘅電磁波落嚿金屬度,當中

實驗展示,發射極入面嘅電子的確會吸收能量,掙脫佢哋所屬嘅原子,喺個電路入面流動,產生電流[3]

不過實驗者搵到嘅結果,由古典物理學嘅角度有啲怪異:光電效應實驗入面有一個閾值(threshold)頻率  

  • 如果  ,無論束光強度幾高都唔會有任何電流產生,
  • 但如果  ,噉就算束光強度好低,都照樣可以有光電子產生,

當時嘅新進物理學家就提出咗個革新性嘅諗頭,話噉係因為啲能量係論件計(in discrete small packets)嘅:光係論件計、冇得再砍件嘅能量;而一束光入面每「件」能量(一粒粒光子;photon)嘅大細( )同條光束嘅頻率成正比

 

喺呢條式入面,  係粒光子嘅頻率[註 1]。如果束光嘅頻率太低,每一「件」能量就會細過頭,搞到粒光子撞落粒電子度嗰陣,唔能夠傳達足夠嘅能量,畀粒電子掙脫佢所屬嗰粒原子。噉就成功解到光電效應。

「光嘅能量唔係斬幾細件都得嘅」呢個諗法亦都表示,光具有「有限分得」(物質由原子組成)呢個本嚟認為係物質先有嘅特性[8]

相對論

內文:相對論

另一方面,相對論亦都係喺廿世紀早期崛起嘅。當時嘅物理學界俾幾個謎團困擾,其中一個係緲子(muon)之謎:緲子係一種特殊粒子,佢哋由地球地面以上幾公里嘅大氣層嗰度以超過光速 90% 嘅速度飛落地面。一般嚟講,緲子嘅半衰期(half-life)淨係得 2.197 微秒左右。根據古典物理學,如果一粒緲子以光速 99% 嘅速度飛向地面,佢大概率只會飛大約 650 咁長距離-跟住喺下一刻佢就會消失。但出乎意料嘅事實係,非常之多嘅緲子依然可以飛超過 650 米咁長距離,撞落地球表面,俾地表嘅感應器探測到-呢點同古典物理學作嘅預測唔夾[9]

愛因斯坦喺呢段時期提出咗狹義相對論。呢個理論框架假設咗一樣嘢:無論一個觀察者嘅速度係點,佢所見到嘅光速都會係一樣嘅;由呢一點當中,愛因斯坦推導咗一柞公式出嚟,描述時間同速度之間嘅關係,包括咗時間膨脹嘅概念。根據時間膨漲,一件物體郁動速度趨近光速(光速數值係 299,792,458 米每秒)嗰陣時,佢過緊嘅時間會變慢,而嗰件物體過緊嘅時間(固有時間;proper time; )同佢嘅速度( )之間嘅關係可以用一條方程式(時間膨脹方程式)嚟表達:

 ;當中   代表光速。

呢條式解釋得到緲子之謎:根據狹義相對論,當一粒緲子以光速 99% 嘅速度飛行嗰陣,佢過緊嘅時間會變慢-令佢可以喺自己消失之前飛到超過 650 米嘅距離。後嚟啲物理學研究者用條式計咗一計,發現呢條式真係準確噉預測到緲子嘅行為,為愛因斯坦個理論提供咗實證支持[10][11]

衝擊

現代物理學個理論框架顛覆咗好多當時物理學界嘅固有諗法,令物理學界發現古典物理學查實係一套唔完整嘅世界觀-雖然古典物理學喺好多場合度都仲係有用,但係喺某啲情況下就會失效。一般嚟講,物理學界認為喺當研究嘅對象

  1. 明顯大過原子;同
  2. 速度明顯低過光速;

嗰陣時,古典物理學先至會啱用。根據條時間膨脹方程式,一件嘢郁動速度( )明顯低過光速嗰陣、  就接近零-於是乎件嘢過緊嘅時間就近似外界嘅時間(  [1]

另一方面,量子力學入面「光係一束束嘅能量」呢個諗頭源自波粒二象性(wave-particle duality)嘅諗法。呢個諗法指出,微觀粒子同時會有波動(能量嘅一種擾動)同粒子(一種物質)嘅特性。例如係噉,光喺古典物理學當中俾人當係波動嘅一種,而唔係物質;但量子力學就話,光有某啲粒子先至有嘅特性(亦即係所謂嘅光子)-好似係光電效應所顯示咗嘅「冇得砍件」呢樣特質。而事實係,後嚟嘅實驗又發現咗,電子-本嚟俾人認為係粒子嘅一種-都好似波動噉樣、曉得繞射(diffraction;指波動喺通過物件嘅邊緣嗰陣轉彎嘅現象)。於是乎就產生咗一個問題:本嚟物理學界諗住波動同粒子-能量還能量,物質還物質-係完全唔同嘅兩樣嘢,但而家知道咗之前認為佢係粒子嘅嘢可以出現好似波動噉嘅行為,而之前認為佢係波動嘅嘢可以出現好似粒子噉嘅行為,噉到底代表咗啲乜[2]

一個有關波粒二象性嘅英文動畫;一般古典物理學嘅諗法係波動同粒子係兩樣唔同嘅嘢,但廿世紀頭半橛嘅物理實驗發現粒子有時會有好似波動噉嘅行為,例如係電子嘅繞射現象。

哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)係廿一世紀初最常見嘅量子力學詮釋。根據呢個詮釋,一粒粒子嘅波動係表示緊嗰粒粒子喺唔同位置嘅機會率-喺做量度前,粒粒子會喺空間入面有個波動,每個位置嘅波動大細表示「嗰粒粒子喺嗰個位嘅機會率」,當一粒粒子喺某個位置有大幅度嘅波動嗰陣,噉就表示佢有好大機會喺嗰個位置嗰度,而如果佢喺某個位置嘅波動幅度細嘅話,即係表示佢喺嗰個位置嘅機會好細。當有個觀察者做量度嗰陣,個波動會崩塌(collapse),然後粒粒子會出現喺其中一個位置。呢個諗法好大膽,而且又引致一個問題:如果呢個詮釋係啱嘅,噉即係話宇宙入面至少有一啲現象喺本質上係隨機嘅。呢點令到古典嘅決定論大受打擊。到咗今日,雖然仲有唔少物理學家詏緊應唔應該接受哥本哈根詮釋[12],但一般都認為古典嘅決定論已經崩潰-現代物理學改革咗世人對宇宙本質嘅了解[13][14]

  1. 1.0 1.1 引用錯誤 無效嘅<ref>標籤;無文字提供畀叫做cassidy2002嘅參照
  2. 2.0 2.1 Eisberg, R. M., Resnick, R., Lea, S. M., & Burke, J. R. (1961). Modern Physics. New York: John Wiley and Sons.
  3. 3.0 3.1 Sakurai, J. J., & Commins, E. D. (1995). Modern quantum mechanics, revised Ed.
  4. Feynman, R., QED: The Strange Theory of Light and Matter, Penguin 1990 Edition, page 84.
  5. Bohm, D. (1965). The special theory of relativity (pp. 115-118). New York: WA Benjamin.
  6. Carroll, S. M. (2004). Spacetime and geometry. An introduction to general relativity (Vol. 1).
  7. Three Failures of Classical Physics.
  8. Sears, F. W.; Zemansky, M. W.; Young, H. D. (1983). University Physics (6th ed.). Addison-Wesley. pp. 843-844.
  9. Why we believe in Special Relativity: Experimental Support for Einstein's Theory.
  10. Einstein, Albert (1996). The Meaning of Relativity. Fine Communications.
  11. Albert Einstein (1905) "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", Annalen der Physik 17: 891; English translation On the Electrodynamics of Moving Bodies by George Barker Jeffery and Wilfrid Perrett (1923); Another English translation On the Electrodynamics of Moving Bodies by Megh Nad Saha (1920).
  12. The Trouble with Quantum Mechanics.
  13. Wimmel, H. (1992). Quantum Physics & Observed Reality: A Critical Interpretation of Quantum Mechanics. World Scientific. p. 2. ISBN 978-981-02-1010-6.
  14. Tegmark, M. (1998). The Interpretation of Quantum Mechanics: Many Worlds or Many Words?. Fortsch. Phys. 46 (6–8): 855–862.


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