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回歸起點:物理學是什麼?──《林清凉回憶錄》

天下文化_96
・2022/06/04 ・2389字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 作者/林清凉、戴念祖 原載《物理學基礎教程》緒論
  • 編者/陳丕燊

什麼是物理學?

「物理學」一詞源於希臘文 φυσική,該詞本意是探討自然界和自然現象。古希臘學者 Aristóteles(亞里斯多德)創造了這一詞並用它做為他的一本著作題名,其意思為《自然哲學》或《自然論》(中譯本多為《形而上學》)。該書的中世紀拉丁文譯本題為 Physica,由此產生了 Physics(物理學)一詞。Aristóteles 本人對物理現象的研究並不足取。但他創造的這一詞卻有深遠影響,以致經典物理學最偉大的奠基人之一 Newton(牛頓)將自己劃時代的著作題為「Philosophiae Naturlis Principia Mathematica」,也即「Mathematical Principles of Natural Philosophy」。

Aristóteles(亞里斯多德)對於存在和事物本質的討論,延伸出了 Physics(物理學)一詞。
圖/wikimedia

物理學的分野:用不同角度探討世界本源

一般地說,按照所研究物件的運動形態將物理學分為許多門類。研究物體的機械運動與其相互作用為主的,稱為力學。因為它以 Newton 三大運動定律和萬有引力定律為基礎,故又稱為經典力學或 Newton 力學。其中,以流體(液體和氣體的總稱)為主要對象的,稱為流體力學;若僅以材料及其某些物理特性(如彎曲、斷裂和彈性等)為主,就稱為彈性力學;或者僅僅研究機械運動中的振動形態及其在空間中的傳播現象,它既屬於力學範疇,又是聲學的基礎。但在當代科學中,聲學已發展成一門獨立的學科。以研究熱現象為主的稱為熱學。若考慮一般熱系統而不追究微觀成分的運動細節,則稱為熱力學;深入研究熱現象本質、研究大量分子組成的宏觀物體的熱性質和行為的統計規律,就形成了統計力學。後者不涉及某個分子在某時刻的狀態,而是以統計系統的方法研究大量分子的平均行為或概率。

研究電和磁的關係和帶電粒子間的相互作用稱為電磁學。由電、磁或帶電粒子作用所及(所影響)的空間稱為電磁場,而電磁交互作用是通過場的傳遞能量方式傳播,所以又叫電磁波。光是可見的電磁輻射,是電磁波頻譜範圍內一小部分,因此,光學可以看作是電磁學的一部分。將光學分為幾何光學和物理光學只是研究範疇的區分:前者研究光的傳播,如反射、折射等,但它是一切光學儀器的設計基礎;後者研究光的本性,以及光和物質的相互作用。

以上各學科在 1900 年以前已發展到充分完備的形式,而且都適用於宏觀世界和運動速度遠小於光速的物理現象。人們統稱它們為經典物理學

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關於運動速度遠小於光速的各種物理現象討論,在 1900 年已發展完備,宣告經典物理學研究已接近尾聲。
圖/envato

1900 年:經典物理學的尾聲,近代物理學的伊始

隨著物理學本身的發展,從二十世紀初開始,又誕生了許多新物理學分支學科。例如,原子物理學,研究原子結構及其運動、變化的規律。各種元素的原子輻射都具有特徵光譜,通過原子光譜研究其結構是初期原子物理學的重要手段;原子核物理學是研究核結構及其力學等問題。核分裂和聚變是物理學家曾經最感興趣的課題。粒子物理學是研究基本粒子包括壽命極短(10−25 秒級)的共振態的種類、分合變化及其性質等。經典力學和經典電磁學無法解決這些新分支學科的問題,只有通過量子力學相對論力學才能較正確理解它們的本質。

量子力學是研究微觀世界的基礎理論。微觀世界的基本特性是波粒二象性,描述這種物理狀態一般使用複函數,其動力學量由算符表示,在這裡所能得到的是統計規律。量子力學的最大特點是物理量值的不連續性和內稟(intrinsic)不確定性。這與經典力學取連續變化的實數值和因果聯繫的物理量是根本不同的。相對論力學是研究接近光速運動的高速物體的現象。它包括狹義相對論(special theory of relativity)廣義相對論(general theory of relativity)

狹義相對論提出了一種新的時空觀。在相對性原理(the principle of relativity)光速不變原理兩個基本假設下,得到時空是密切相關的結論。也就是說,它獲得了經典力學無法理解的諸如空間收縮、時間膨脹,同時性的相對性、質能關係,以及光速是一切粒子的速度上限等結論。廣義相對論把描述運動的參照系從慣性系推廣到加速系統中,以等效原理為基礎,將引力現象幾何化並把它納入時−空結構中。簡言之,將引力現象看作是時−空彎曲的表現,從而導出了一些重要結論。

量子力學和相對論是近代物理學的兩大理論基礎。近代物理學以研究微觀、介觀世界,運動速度接近光速的物理現象為主要內容。除上述之外,近代物理學還包括量子場論、固態物理、磁性、半導體、超導、高分子物理、凝聚態物理(condensed matter physics)、等離子體物理(plasma,又稱為「電漿物理」)、生物物理等等。

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經典物理與近代物理之間並不存在一條不可逾越的鴻溝。相對論力學所以比 Newton 力學深入,是因為它不僅能解釋 Newton 力學所能解釋的現象,而且能解釋 Newton 力學所不能解釋的許多新發現和新現象;它作出了在 Newton 力學看來是根本不可能的一些科學預言,並且得到天文觀察或實驗的證實。另一方面,僅在低速運動的物理世界中,經典力學仍然是極好的描述物理現象的科學;當物體的速度遠小於光速時,狹義相對論力學定律趨近於經典力學定律。在引力較強大、空−時彎曲結構較大的情況下,經典力學失去效用,而廣義相對論發揮威力;相反,在引力不強、空−時彎曲極小的情況下,廣義相對論的預言就與 Newton 運動定律和萬有引力定律的預言趨於一致。

——本文摘自《不廢江河萬古流:林清凉回憶錄》,2022 年 4 月,天下文化

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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你有時間了解「時間」到底是什麼嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/06 ・3469字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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時間是什麼?

我們已經看到,空間、質量和物質這樣的基本概念,其實比你想像的更神祕。那麼我們的世界還有哪個基本要素,有可能在眾目睽睽之下隱藏了它們的祕密?現在是時候讓我們提出這個及時的問題了:時間究竟是什麼?

如果你是訪問地球的外星人,試圖透過偷聽咖啡館和雜貨店裡的對話來學習我們的語言,你可能很難回答「時間是什麼」這個問題。人類花很多時間聊時間,但幾乎沒有時間討論時間究竟是什麼!

我們無時無刻不在檢查時間。我們談起壞的時光、好的時光、過去的年代以及瘋狂的年代。我們節省時間、把握時間、製造時間、花費時間、縮短時間或誤了時間。時間可以終了、可以暫停、可以超過,或甚至可以停止。時間不會等待過客!有時我們說,時光飛逝,或說你的身體在不知不覺中留下了歲月的痕跡。甚至說,時間一點一滴的流逝。不過大多數的時候,我們只是感嘆用完了時間。

究竟,時間是什麼呢?時間會是有形的東西(如物質或空間)嗎?或者時間是我們立足於宇宙經驗上的抽象概念?

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如果你希望物理學家對這深奧,又有點令人混淆的時間問題做出回答,現在還不是時候。時間仍然是物理學的巨大奧祕之一,時間問題甚至動搖物理學最根本的定義。所以讓我們花點時間,仔細研究這個亙古不變的話題。

時間到底是什麼

在所有關於宇宙的問題裡,最有趣的是那些聽起來很簡單,但實際上很困難的問題,它們會讓你在埋頭苦思後,才意識到有些基本的東西就擺在眼前,而我們卻沒有明確的解釋。

這類問題產生一種可能性:我們可能把一切都想錯了,就像我們過去那樣(例如「地球是平的」或「嘿!讓我放些水蛭到你身上來治病!」)。在得到堅定且具體的答案後,可能會徹底改變我們對於宇宙,以及我們在宇宙何處的思考方式。翻盤的機率非常高!

我們要做的第一件事,就是嘗試定義時間是什麼。畢竟,這是物理學家解決難題的步驟。首先,我們對你想要理解的東西,提出鉅細靡遺的定義;接著,我們用數學來描述定義,這允許你應用邏輯和實驗的力量來引領其他步驟。

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所以,時間是什麼?如果你今天在街上隨機街訪陌生人,並要求他們定義時間,你可能會得到如下的答案:

「時間是過去和現在之間的區別。」
「時間告訴我們事情在何時發生。」
「時間是時鐘測量的數值。」
「時間就是金錢,所以別煩我!」

以上所述,都是對時間合理的定義,但是這些答案反而產生層出不窮的問題。例如,你可以問:「為什麼從一開始就有『過去』和『現在』的存在?」或「究竟『何時』是什麼意思?」還有「時鐘不是受時間支配嗎?」或「誰有時間管這些問題?」

如果我們不能描述時間,似乎很難在時間問題上取得進展。但不需要因此而驚慌。雖然「時間是什麼」聽起來像是五歲小孩會問的問題 *1,但無法定義或精確描述我們非常熟悉的東西,這種狀況我們也不是第一次遇到,在其他領域也曾發生:過去數十年來,生物學家一直在爭論「生命」的定義(殭屍權利組織是強大的遊說團體),神經科學家對「意識」有激烈爭議,而哥吉拉學家 *2 不能就「怪物」的定義達成一致協議。

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定義時間的部分難處在於,時間已經根植在我們的經驗和思考模式裡。時間是我們聯繫現在的「現在」與過去的「現在」的方法。我們現在正感覺到的所有一切,就是我們所說的「現在」,但「現在」轉瞬即逝,我們沒辦法把時間當做美味的巧克力蛋糕,細細品嘗或延續。我們經歷的每一刻,都會從現在的鮮活體驗瞬間,轉成過去的褪色記憶。

但時間也有關未來。能夠將未來與過去和現在互相連結事關重大。如果你是希望在下個嚴冬生存下去的穴居人,或是需要地方為智慧手機充電的現代人,那麼從過去推斷來思考未來,絕對是生存關鍵。所以很難想像,人類經驗若沒有時間概念會怎樣。

物理學家思考時間的方式也是如此。事實上,時間深嵌在物理學的基本定義裡!根據權威定義(維基百科),物理學只不過是「研究物質本身,以及物質在時空中的運動」。即使是「運動」這個詞也包含了時間概念。物理學的基本工作,就是用過去了解未來有什麼可能性,以及我們如何影響未來。沒了時間,物理學就沒有意義。

事實是,人類對時間的任何定義,都可能受我們的經驗扭曲。想一想,就算是思考時間也「需要」時間!外星物理學家可能有與我們相異的時間概念,因為他們的經驗和思維模式,與我們有天壤之別,以致於我們目前的主觀經驗,阻礙了我們真正理解時間的定義。

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所以請告訴我們:時間是什麼?

我們來談談雪貂。

為了進一步了解物理學家對時間的想法,讓我們考慮常見的情況。例如,假設你的寵物雪貂正計劃在你下班回家時,把水球丟在你頭上。這情況常常發生,是吧?

現在,別把時間想成流暢的經驗,而是把時間切成片段,並設想它就像電影一樣,是把許多靜態快照接在一起。

對物理學家來說,每張快照都描述了某個事件在每個時刻的狀態。所以,你可能有如下的快照系列:

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  1. 你無憂無慮吹著口哨,天真的走到家門前。
  2. 雪貂將水球推到發射位置。
  3. 你把鑰匙插進鑰匙孔。
  4. 雪貂發射水球。
  5. 你成了落湯雞。
  6. 雪貂捧腹大笑。

每張快照都是對局部狀況的描述:在那個時刻,所有東西所處的位置以及正在做的事情。每張快照都是凍結、靜止、沒有變化的。如果我們沒有時間概念,宇宙將是這些凍結的快照之一,無法改變或運動。

幸運的是,我們的宇宙沒那麼無趣:這些快照彼此不能單獨存在,時間將它們以兩種重要的方式聯繫在一起。

首先,時間把快照以特定序列鏈結。譬如,快照如果沒照順序排好,我們可能會感到不對勁。

其次,時間要求快照彼此因果相連。這表示宇宙中的每一刻,都取決於前一刻發生的事情。這不過是因果關係罷了。例如,你不能這一刻坐在沙發上吃冰淇淋,而下一刻就已經跑完半場馬拉松。

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這正是物理定律的工作:物理定律告訴我們,宇宙可以怎麼變,或不可以怎麼變。從一張過去的快照,物理學能告訴我們在未來的快照中,哪些是比較可能的,哪些則是緣木求魚。而時間是這些推測的基本要求。由於任何一種變化或運動都需要時間,如果時間不存在,我們必須想像一個靜態的宇宙。

那麼,要如何將快照論述連接到我們的平滑時間經驗?好吧!我們可以把這些快照拼接在一起,把快照之間的時間間隔縮得愈小愈好 *5,使它像我們喜歡的電影一樣順暢且連續。

這正是為了物理而發明的數學語言「微積分」的作用。微積分把許多微小切片,轉換成平滑變化。你看電影時,由於時間間隔非常小,你沒有注意到電影實際上是一系列的凍結影像。以同樣的方式,我們可以用一組有序且由物理學相互關聯的靜態快照,來描述充滿變化和運動的宇宙。時間是這些快照的排序和間距。

註解

  1. 物理學家是永遠長不大的五歲小孩。
  2. 小朋友抱歉了,哥吉拉學家不是真正的工作。
  3. 譯注:引述自美國著名電視影集「超時空奇俠」(Dr. Who)的經典台詞。劇中人用此台詞來形容混亂的時間線。
  4. 譯注:改寫自捷克裔法國作家米蘭.昆德拉 1984 年的小說《生命中不能承受之輕》。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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從粒子變成波動?物理學界最偉大的統一理論!——《大話題:量子理論》
大家出版_96
・2023/04/16 ・1537字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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提出物質波的法國王族

1923 年,巴黎索邦大學的研究生路易・德布羅意親王(1892 – 1987)提出一個驚人的觀點,即粒子可能具有波的性質。愛因斯坦認為必須以二象性來理解光,這個觀點深深影響了德布羅意。

德布羅意在 1924 年的博士論文中寫道……

德布羅意親王的博士論文深受愛因斯坦的影響。圖/《大話題:量子理論》

愛因斯坦的光粒子能引起光電效應(將電子從金屬中撞擊出來),同時能攜帶「週期性」的訊息,在不同的環境(例如雙狹縫實驗)下產生干涉效應。這令德布羅意印象深刻。

接下來就是鉅作了。德布羅意在論文的第一部分,提出了物理學中最偉大的統一原理之一……

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德布羅意認為波的傳遞一定與粒子運動有關。圖/《大話題:量子理論》

引導粒子運動的波

德布羅意所做的事情是給定一個頻率,但不是針對粒子(例如他想像中的愛因斯坦光子)內部的週期性行為,而是一種伴隨粒子穿越時間和空間的波,讓這種波可以與「內部」的過程保持同方向。

這樣的波可以偵測得到嗎?也就是說,這些神祕的波可能和粒子實際的運動有關,並且可以測量嗎?

能引領粒子運動的「領波」。圖/《大話題:量子理論》

可以,德布羅意這樣說。這些波不僅僅是抽象的。這個新的顛覆性想法在物理上的重要結果是,與領波相關的速度有兩種。

德布羅意確認了群速度就如同一個粒子的速度,並證明增強區域展現了粒子所有的力學性質,例如能量和動量。(這類似疊加許多不同頻率的波會產生一道脈衝。)

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與領波相關的兩種速度。圖/《大話題:量子理論》

將物質波公式帶入各類公式中!

當他寫下簡單的數學關係式來描述這些由光子類推而得的想法時,更戲劇性的結論出現了。

他從愛因斯坦著名的方程式 E=mc2 開始,著手計算所有東西的總能量。在這種情況下,光子……

現在看看德布羅意一連串的代換……

由於mc就是質量乘以速度,也就是光子的動量 p……

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運用波的關係式 c(速度)= f(頻率)乘以 λ(波長)

將普朗克/愛因斯坦的方程式 E = hf 與上述式子畫上等號,我們可以得到:並透過簡單的代數可以得到……

德布羅意將物質波的公式代入愛因斯坦的公式中。圖/《大話題:量子理論》

德布羅意用直接類比的方式,主張他的關係式不僅適用於光子,也適用於電和所有粒子。

λ = h/p ……

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也就是(波長)=(普朗克常數除以動量)

對電子來說,下式

動量 p = (m)(v) =(質量)(速度)

可以很輕易地以實驗驗證,因此可以從德布羅意的方程式來預測波長。

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對大多數物理學家來說,這個概念看似荒謬。電子是一種粒子,自從湯姆森 1897 年發現電子以來,古典物理學家一直都這樣認為!

德布羅意的公式可適用於所有粒子中。圖/《大話題:量子理論》

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

大家出版_96
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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。