探索 | 物理学家的伟大贡献（中）

在千禧之年的英国皇家学会新年庆典上，著名物理学家“开尔文勋爵”为我们展现了未来展望。他深信不疑地断言，科技体系的基础已然坚固如石。在他眼中，接下来的世纪对于物理学者来说，将更多是完善与精进的过程。然而，他也坦诚地指出，即便在明朗的物理天空下，仍有两朵微小却令人不安的乌云。这两朵乌云分别与黑体辐射和光速的奥秘相关。其中一云孕育了量子力学的诞生，另一云则催生了相对论的兴起。这标志着经典物理时代的落幕，现代物理新纪元的开启。
▏詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，19世纪的英国物理学家，他在电磁学领域的工作彻底改变了人们对电和磁现象的理解。

在麦克斯韦之前，电与磁的研究虽然已取得了一定进展，但两者之间的关系仍然迷雾重重。是麦克斯韦，揭示了电与磁之间那不可分割的联系。他的工作不仅统一了电磁理论，更为后来的无线电技术、电磁波理论乃至整个现代物理学的发展奠定了坚实的基础。

核心观点一：位移电流与涡旋电场的提出

麦克斯韦最具革命性的贡献之一，便是他提出了位移电流的概念，并据此推导出涡旋电场的存在。在传统观念中，电流通常指的是电荷的定向移动，但麦克斯韦意识到，变化的电场本身也能产生如同电流一样的效果，这种效果他称之为“位移电流”。这一概念的提出，彻底打破了电与磁之间的界限，使得电场与磁场能够相互转化、相互激发，形成一个统一的整体。

为了进一步阐述这一理论，麦克斯韦引入了涡旋电场的概念。他指出，当电场随时间变化时，会在空间中产生一种旋转的电场，即涡旋电场。这种电场能够驱动磁场的变化，从而形成电磁波。这一发现，不仅解释了光、无线电波等电磁波的本质，还预言了电磁波的传播速度与光速相同，为后来的光速测定实验提供了理论支持。

核心观点二：电磁场方程组的建立

麦克斯韦的另一大贡献，是他总结前人研究的基础上，通过严谨的数学推导，建立了一组描述电磁场各参量之间关系的微分方程，即著名的麦克斯韦方程组。这组方程包含了四个基本定律，分别描述了电荷产生电场、电流产生磁场、变化的电场产生磁场以及变化的磁场产生电场的过程。它们不仅是对电磁现象的高度概括，更是电磁学发展的基石。

麦克斯韦方程组的建立，标志着电磁学进入了一个全新的发展阶段。它揭示了电磁场在空间中的分布和变化规律，为电磁波的发现和应用提供了理论支撑。更重要的是，这组方程展示了自然界中物理现象的内在统一性和和谐性，为后来的物理学研究提供了宝贵的启示。

麦克斯韦的电磁理论，不仅在当时引起了巨大的轰动，更对后世产生了深远的影响。它不仅推动了无线电通信技术的发展，使得信息能够在全球范围内瞬间传递；还促进了电磁波理论的完善和应用，为雷达、卫星通信、微波炉等现代科技产品的诞生奠定了基础。

然而，麦克斯韦理论的意义远不止于此，它启示我们，要用整体的眼光去看待问题，用数学的语言去描述自然规律。这种思想和方法论上的革新，对于整个物理学乃至整个自然科学的发展都具有不可估量的价值。

▏马克斯·普朗克

19至20世纪德国物理学家，他的量子假说标志着现代物理学——特别是量子物理学的诞生。

核心观点一：能量的量子化

在19世纪末的物理学界，经典物理学理论曾一度被视为解释自然现象的终极武器。然而，当科学家们试图用这些理论去解释黑体辐射现象时，却遭遇了前所未有的困境。正是这一困境，促使了普朗克提出了一个革命性的观点——能量的量子化。

普朗克认为，能量并不是连续变化的，而是以一份份微小的“量子”形式存在。换句话说，能量的传递并不是平滑的，而是像阶梯一样，从一个能级跳到另一个能级。这一观点彻底颠覆了经典物理学中能量连续变化的观念，标志着量子力学的诞生。

普朗克的这一发现，最初是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。他通过假设能量以离散的形式存在，成功推导出了与实验结果相符的黑体辐射公式。这一公式不仅解释了黑体辐射的能量分布规律，还为量子力学的发展奠定了坚实的理论基础。

核心观点二：普朗克常数

在普朗克的量子假说中，一个至关重要的概念是普朗克常数（h），它标志着量子大小的度量衡。普朗克常数定义为6.62607015 × 10^-34 J·s（焦耳·秒），它描述了量子世界中能量与频率之间的比例关系。

普朗克常数的出现，使得我们能够量化微观世界的能量变化。在量子力学中，任何一份能量的变化都必须是普朗克常数的整数倍。这一规律不仅揭示了微观粒子行为的独特性，还为后续量子理论的发展提供了重要的数学工具。

普朗克的量子假说不仅解决了当时物理学界的燃眉之急，更为后续物理学的发展开辟了新的道路。随着量子力学的不断完善和发展，我们逐渐认识到，微观世界的粒子行为与宏观世界截然不同。量子世界的粒子具有波粒二象性、不确定性原理等独特性质，这些性质使得我们对自然界的认识达到了前所未有的深度。

量子理论的广泛应用也极大地推动了现代科技的发展。在固体物理学、化学、生物学等领域，量子理论的研究成果不断转化为实际应用，推动了材料科学、生物技术、信息技术等领域的快速发展。

普朗克不仅在量子力学领域做出了卓越贡献，还在热力学、相对论等领域留下了深刻的印记。他的博士论文《论热力学第二定律》为他日后的研究奠定了坚实的基础。在相对论方面，他是最早理解和支持爱因斯坦相对论的物理学家之一，并在此基础上进行了深入的研究和拓展。

普朗克的一生充满了对科学的热爱和追求。即使在纳粹统治德国的艰难时期，他也始终坚守科学的底线和尊严，为捍卫科学的自由和进步做出了不懈的努力。他的伟大贡献和崇高精神将永远铭刻在人类科学史上。

▏阿尔伯特·爱因斯坦

德国人，20世纪最伟大的物理学家，以其相对论的提出而闻名于世。爱因斯坦出生在德国，在瑞士接受高等教育，并在苏黎世联邦理工学院获得物理学和数学学位。

核心观点一：相对论

爱因斯坦最为人所知的贡献莫过于相对论的提出，它从根本上改变了我们对时间、空间和引力的理解。在相对论之前，人们普遍认为时间是绝对的，空间是平坦而静止的。然而，爱因斯坦却指出，时间和空间的性质并非固定不变，而是与观察者的运动状态密切相关。

一、时间的相对性

爱因斯坦通过著名的“双生子佯谬”生动诠释了这一观点。假设有一对双胞胎兄弟，哥哥乘坐接近光速的飞船进行星际旅行，而弟弟则留在地球上。当哥哥返回时，他会发现弟弟已经比他衰老了许多，因为在接近光速的飞行中，哥哥所经历的时间相对地球上的时间被大大“拉长”了。这一惊世骇俗的结论，直接挑战了牛顿力学中时间的绝对性观念，让人不禁思考：时间的流逝是否真的有绝对的标准？

二、空间的弯曲

与时间的相对性相辅相成的，是爱因斯坦对空间的新认识。他认为，在强大的引力场（如黑洞附近）中，空间会像布料一样被重物压弯，形成所谓的“时空弯曲”。这一理论不仅解释了水星近日点进动的异常，还预言了光在强引力场附近会发生弯曲的现象，这一预言随后在19年的日全食观测中得到了证实，从此相对论的地位得到了国际科学界的广泛认可。

核心观点二：质能方程

除了相对论，爱因斯坦的另一个伟大贡献是质能方程E=mc²的提出。这个简洁而深刻的公式揭示了质量与能量之间的等价关系，即任何具有质量的物体都蕴含着巨大的能量，这种能量在质量完全转化为其他形式（如光或热）时释放出来。

质能方程不仅为核能的开发利用提供了理论基础，更深刻地揭示了宇宙的基本法则。它告诉我们，宇宙中万物皆由能量构成，能量与物质之间可以相互转化，没有绝对的界限。这一观点引发了人们对宇宙本质、生命起源以及宇宙未来命运的深刻思考。

核心观点三：光与量子

虽然爱因斯坦因相对论而声名鹊起，但他在量子理论领域的贡献同样不容忽视。尽管他最初对量子力学的某些观点持保留态度，甚至与哥本哈根学派的玻尔等人展开了激烈的辩论，但他对光电效应的解释却为量子力学的诞生奠定了重要基础。

爱因斯坦提出，光不仅具有波动性，还具有粒子性，即光是一份一份传播的，每一份被称为一个光子。这一观点不仅成功解释了光电效应现象，还预示了量子世界的存在，开启了物理学的新纪元。爱因斯坦对光与量子关系的探索，不仅挑战了经典物理学的权威，更激发了人类对微观世界无限可能性的想象。

▏尼尔斯·玻尔

尼尔斯·玻尔丹麦物理学家，20世纪初期量子理论的先驱之一。玻尔在哥本哈根大学接受教育，他的职业生涯大部分时间在哥本哈根大学度过，他也在那里建立了著名的理论物理研究所，成为20世纪最重要的物理学研究中心之一。

在20世纪初，物理学界正经历着一场前所未有的革命。经典物理学的框架在解释微观世界时显得力不从心，尤其是原子和光的行为，更是让科学家们感到困惑不已。正是在这样的背景下，尼尔斯·玻尔站了出来，他提出的理论如同一盏明灯，照亮了通往量子世界的道路。

核心观点一：定态假设

玻尔理论的核心之一，便是定态假设。这一假设颠覆了我们对原子内部电子运动的传统认知。玻尔认为，原子中的电子并非像行星绕太阳那样连续运动，而是只能在一系列不连续的能量状态中运动，这些状态被称为“定态”。每个定态都对应一个特定的能量值，电子在这些状态中运动时，既不发射也不吸收能量，仿佛在进行一场精心编排的量子舞步。

这一假设的提出，不仅解决了经典物理学无法解释的原子光谱线问题，更让我们意识到，微观世界的运行规则与宏观世界截然不同。它启示我们，自然界中存在着一种更为基本、更为深刻的秩序，等待着我们去发现和理解。

核心观点二：跃迁假设

如果说定态假设揭示了电子在原子中的静态美，那么跃迁假设则展现了电子与光之间动态而神秘的量子对话。玻尔指出，当电子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子会吸收或发射一个光子，其频率由两个定态之间的能量差决定。这一过程遵循着普朗克关系E=hf（E为能量，h为普朗克常数，f为频率），揭示了光与物质相互作用的量子本质。

跃迁假设不仅解释了氢原子光谱的规律性，还为我们理解更复杂的原子和分子结构提供了基础。它告诉我们，微观世界中的每一次变化都伴随着能量的精确交换，这种交换是量子化的、不连续的，与宏观世界的连续变化截然不同。

核心观点三：玻尔轨道假设

玻尔理论的第三个核心假设是玻尔轨道假设。这一假设进一步揭示了电子在原子中运动的量子化特征。玻尔认为，电子在原子中的运动轨道是量子化的，每个轨道对应一个特定的能量。电子只能在这些特定的轨道上绕核运动，这些轨道是不连续的。

轨道的量子化导致了原子的线状光谱，即电子跃迁时发射或吸收的光谱是离散的，而不是连续的。这一发现不仅加深了我们对原子结构的理解，也为后续量子力学的发展奠定了坚实的基础。

玻尔理论的成功不仅在于它解释了氢原子光谱的规律性，更在于它为我们打开了一扇通往量子世界的大门。然而，随着科学研究的深入，玻尔理论也面临着越来越多的挑战和争议。例如，在解释复杂原子的光谱时，玻尔理论显得力不从心；同时，其对于量子态的描述也具有一定的模糊性，难以完全满足现代量子力学的要求。

尽管如此，玻尔理论的历史意义和在量子理论发展中的重要作用仍不可忽视。它为我们提供了宝贵的启示和思路，推动了量子力学的诞生和发展。正如玻尔本人所说：“如果我不是一个物理学家，我可能会成为一个哲学家，因为我一直在思考世界的本质和规律。”

探索 | 物理学家的伟大贡献（上）

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作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦复审 | 魏星华
终审 | 周阳