.量子學(xué)理論 2.相對論 3.DNA結(jié)構(gòu)
1.馬克斯·普朗克（Max Planck）提出量子概念100多年了,在他關(guān)于熱輻射的經(jīng)典論文中,普朗克假定振動系統(tǒng)的總能量不能連續(xù)改變,而是以不連續(xù)的能量子形式從一個(gè)值跳到另一個(gè)值.能量子的概念太激進(jìn)了,普朗克后來將它擱置下來.隨后,愛因斯坦在1905年（這一年對他來說是非凡的一年）認(rèn)識到光量子化的潛在意義.不過量子的觀念太離奇了,后來幾乎沒有根本性的進(jìn)展.現(xiàn)代量子理論的創(chuàng)立則是嶄新的一代物理學(xué)家花了20多年時(shí)間建立的.
量子物理實(shí)際上包含兩個(gè)方面.一個(gè)是原子層次的物質(zhì)理論：量子力學(xué),正是它我們才能理解和操縱物質(zhì)世界；另一個(gè)是量子場論,它在科學(xué)中起到一個(gè)完全不同的作用.
舊量子論
量子革命的導(dǎo)火線不是對物質(zhì)的研究,而是輻射問題.具體的挑戰(zhàn)是理解黑體（即某種熱的物體）輻射的光譜.烤過火的人都很熟悉這樣一種現(xiàn)象：熱的物體發(fā)光,越熱發(fā)出的光越明亮.光譜的范圍很廣,當(dāng)溫度升高時(shí),光譜的峰值從紅線向黃線移動,然后又向藍(lán)線移動（這些不是我們能直接看見的）.
結(jié)合熱力學(xué)和電磁學(xué)的概念似乎可以對光譜的形狀作出解釋,不過所有的嘗試均以失敗告終.然而,普朗克假定振動電子輻射的光的能量是量子化的,從而得到一個(gè)表達(dá)式,與實(shí)驗(yàn)符合得相當(dāng)完美.但是他也充分認(rèn)識到,理論本身是很荒唐的,就像他后來所說的那樣：“量子化只不過是一個(gè)走投無路的做法”.
普朗克將他的量子假設(shè)應(yīng)用到輻射體表面振子的能量上,如果沒有新秀阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）,量子物理恐怕要至此結(jié)束.1905年,他毫不猶豫的斷定：如果振子的能量是量子化的,那么產(chǎn)生光的電磁場的能量也應(yīng)該是量子化的.盡管麥克斯韋理論以及一個(gè)多世紀(jì)的權(quán)威性實(shí)驗(yàn)都表明光具有波動性,愛因斯坦的理論還是蘊(yùn)含了光的粒子性行為.隨后十多年的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)顯示僅當(dāng)光的能量到達(dá)一些離散的量值時(shí)才能被吸收,這些能量就像是被一個(gè)個(gè)粒子攜帶著一樣.光的波粒二象性取決于你觀察問題的著眼點(diǎn),這是始終貫穿于量子物理且令人頭痛的實(shí)例之一,它成為接下來20年中理論上的難題.
輻射難題促成了通往量子理論的第一步,物質(zhì)悖論則促成了第二步.眾所周知,原子包含正負(fù)兩種電荷的粒子,異號電荷相互吸引.根據(jù)電磁理論,正負(fù)電荷彼此將螺旋式的靠近,輻射出光譜范圍寬廣的光,直到原子坍塌為止.
接著,又是一個(gè)新秀尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）邁出了決定性的一步.1913年,玻爾提出了一個(gè)激進(jìn)的假設(shè)：原子中的電子只能處于包含基態(tài)在內(nèi)的定態(tài)上,電子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷而改變它的能量,同時(shí)輻射出一定波長的光,光的波長取決于定態(tài)之間的能量差.結(jié)合已知的定律和這一離奇的假設(shè),玻爾掃清了原子穩(wěn)定性的問題.玻爾的理論充滿了矛盾,但是為氫原子光譜提供了定量的描述.他認(rèn)識到他的模型的成功之處和缺陷.憑借驚人的預(yù)見力,他聚集了一批物理學(xué)家創(chuàng)立了新的物理學(xué).一代年輕的物理學(xué)家花了12年時(shí)間終于實(shí)現(xiàn)了他的夢想.
開始時(shí),發(fā)展玻爾量子論（習(xí)慣上稱為舊量子論）的嘗試遭受了一次又一次的失敗.接著一系列的進(jìn)展完全改變了思想的進(jìn)程.
量子力學(xué)史
1923年路易·德布羅意（Louis de Broglie）在他的博士論文中提出光的粒子行為與粒子的波動行為應(yīng)該是對應(yīng)存在的.他將粒子的波長和動量聯(lián)系起來：動量越大,波長越短.這是一個(gè)引人入勝的想法,但沒有人知道粒子的波動性意味著什么,也不知道它與原子結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系.然而德布羅意的假設(shè)是一個(gè)重要的前奏,很多事情就要發(fā)生了.
1924年夏天,出現(xiàn)了又一個(gè)前奏.薩地?fù)P德拉·N·玻色（Satyendra N. Bose）提出了一種全新的方法來解釋普朗克輻射定律.他把光看作一種無（靜）質(zhì)量的粒子（現(xiàn)稱為光子）組成的氣體,這種氣體不遵循經(jīng)典的玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律,而遵循一種建立在粒子不可區(qū)分的性質(zhì)（即全同性）上的一種新的統(tǒng)計(jì)理論.愛因斯坦立即將玻色的推理應(yīng)用于實(shí)際的有質(zhì)量的氣體從而得到一種描述氣體中粒子數(shù)關(guān)于能量的分布規(guī)律,即著名的玻色-愛因斯坦分布.然而,在通常情況下新老理論將預(yù)測到原子氣體相同的行為.愛因斯坦在這方面再無興趣,因此這些結(jié)果也被擱置了10多年.然而,它的關(guān)鍵思想——粒子的全同性,是極其重要的.
突然,一系列事件紛至沓來,最后導(dǎo)致一場科學(xué)革命.從1925年元月到1928年元月：
·沃爾夫剛·泡利（Wolfgang Pauli）提出了不相容原理,為周期表奠定了理論基礎(chǔ).
·韋納·海森堡（Werner Heisenberg）、馬克斯·玻恩（Max Born）和帕斯庫爾·約當(dāng)（Pascual Jordan）提出了量子力學(xué)的第一個(gè)版本,矩陣力學(xué).人們終于放棄了通過系統(tǒng)的方法整理可觀察的光譜線來理解原子中電子的運(yùn)動這一歷史目標(biāo).
·埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）提出了量子力學(xué)的第二種形式,波動力學(xué).在波動力學(xué)中,體系的狀態(tài)用薛定諤方程的解——波函數(shù)來描述.矩陣力學(xué)和波動力學(xué)貌似矛盾,實(shí)質(zhì)上是等價(jià)的.
·電子被證明遵循一種新的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì).人們進(jìn)一步認(rèn)識到所有的粒子要么遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì),要么遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì),這兩類粒子的基本屬性很不相同.
·海森堡闡明測不準(zhǔn)原理.
·保爾·A·M·狄拉克（Paul A. M. Dirac）提出了相對論性的波動方程用來描述電子,解釋了電子的自旋并且預(yù)測了反物質(zhì).
·狄拉克提出電磁場的量子描述,建立了量子場論的基礎(chǔ).
·玻爾提出互補(bǔ)原理（一個(gè)哲學(xué)原理）,試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾,特別是波粒二象性.
量子理論的主要?jiǎng)?chuàng)立者都是年輕人.1925年,泡利25歲,海森堡和恩里克·費(fèi)米（Enrico Fermi）24歲,狄拉克和約當(dāng)23歲.薛定諤是一個(gè)大器晚成者,36歲.玻恩和玻爾年齡稍大一些,值得一提的是他們的貢獻(xiàn)大多是闡釋性的.愛因斯坦的反應(yīng)反襯出量子力學(xué)這一智力成果深刻而激進(jìn)的屬性：他拒絕自己發(fā)明的導(dǎo)致量子理論的許多關(guān)鍵的觀念,他關(guān)于玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的論文是他對理論物理的最后一項(xiàng)貢獻(xiàn),也是對物理學(xué)的最后一項(xiàng)重要貢獻(xiàn).
創(chuàng)立量子力學(xué)需要新一代物理學(xué)家并不令人驚訝,開爾文爵士在祝賀玻爾1913年關(guān)于氫原子的論文的一封書信中表述了其中的原因.他說,玻爾的論文中有很多真理是他所不能理解的.開爾文認(rèn)為基本的新物理學(xué)必將出自無拘無束的頭腦.
1928年,革命結(jié)束,量子力學(xué)的基礎(chǔ)本質(zhì)上已經(jīng)建立好了.后來,Abraham Pais以軼事的方式記錄了這場以狂熱的節(jié)奏發(fā)生的革命.其中有一段是這樣的：1925年,Samuel Goudsmit和George Uhlenbeck就提出了電子自旋的概念,玻爾對此深表懷疑.10月玻爾乘火車前往荷蘭的萊頓參加亨德里克·A·洛倫茲（Hendrik A. Lorentz）的50歲生日慶典,泡利在德國的漢堡碰到玻爾并探詢玻爾對電子自旋可能性的看法；玻爾用他那著名的低調(diào)評價(jià)的語言回答說,自旋這一提議是“非常,非常有趣的”.后來,愛因斯坦和Paul Ehrenfest在萊頓碰到了玻爾并討論了自旋.玻爾說明了自己的反對意見,但是愛因斯坦展示了自旋的一種方式并使玻爾成為自旋的支持者.在玻爾的返程中,遇到了更多的討論者.當(dāng)火車經(jīng)過德國的哥挺根時(shí),海森堡和約當(dāng)接站并詢問他的意見,泡利也特意從漢堡格趕到柏林接站.玻爾告訴他們自旋的發(fā)現(xiàn)是一重大進(jìn)步.
量子力學(xué)的創(chuàng)建觸發(fā)了科學(xué)的淘金熱.早期的成果有：1927年海森堡得到了氦原子薛定諤方程的近似解,建立了原子結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)；John Slater,Douglas Rayner Hartree,和Vladimir Fock隨后又提出了原子結(jié)構(gòu)的一般計(jì)算技巧；Fritz London和Walter Heitler解決了氫分子的結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,Linus Pauling建立了理論化學(xué)；Arnold Sommerfeld和泡利建立了金屬電子理論的基礎(chǔ),Felix Bloch創(chuàng)立了能帶結(jié)構(gòu)理論；海森堡解釋了鐵磁性的起因.1928年George Gamow解釋了α放射性衰變的隨機(jī)本性之謎,他表明α衰變是由量子力學(xué)的隧道效應(yīng)引起的.隨后幾年中,Hans Bethe建立了核物理的基礎(chǔ)并解釋了恒星的能量來源.隨著這些進(jìn)展,原子物理、分子物理、固體物理和核物理進(jìn)入了現(xiàn)代物理的時(shí)代.
2 相對論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論,主要由愛因斯坦(Albert Einstein)創(chuàng)立,分為狹義相對論(特殊相對論)和廣義相對論(一般相對論).相對論的基本假設(shè)是相對性原理,即物理定律與參照系的選擇無關(guān).狹義相對論和廣義相對論的區(qū)別是,前者討論的是勻速直線運(yùn)動的參照系（慣系參照系）之間的物理定律,后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系）,并在等效原理的假設(shè)下,廣泛應(yīng)用于引力場中.相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱.奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué),不適用于高速運(yùn)動的物體和微觀領(lǐng)域.相對論解決了高速運(yùn)動問題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問題.相對論顛覆了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念,提出了“時(shí)間和空間的相對性”、“四維時(shí)空”、“彎曲空間”等全新的概念.
狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式,它可以用來計(jì)算核反應(yīng)過程中所釋放的能量,并導(dǎo)致了原子彈的誕生.而廣義相對論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞,也相繼被天文觀測所證實(shí).
3.DNA（為英文Deoxyribonucleic acid的縮寫）,又稱脫氧核糖核酸,是染色體的主要化學(xué)成分,同時(shí)也是組成基因的材料.有時(shí)被稱為“遺傳微?！?因?yàn)樵诜敝尺^程中,父代把它們自己DNA的一部分復(fù)制傳遞到子代中,從而完成性狀的傳播.原核細(xì)胞的擬核是一個(gè)長DNA分子.真核細(xì)胞核中有不止一個(gè)染色體,每條染色體上含有一個(gè)或兩個(gè)DNA.不過它們一般都比原核細(xì)胞中的DNA分子大而且和蛋白質(zhì)結(jié)合在一起.DNA分子的功能是貯存決定物種性狀的幾乎所有蛋白質(zhì)和RNA分子的全部遺傳信息;編碼和設(shè)計(jì)生物有機(jī)體在一定的時(shí)空中有序地轉(zhuǎn)錄基因和表達(dá)蛋白完成定向發(fā)育的所有程序;初步確定了生物獨(dú)有的性狀和個(gè)性以及和環(huán)境相互作用時(shí)所有的應(yīng)激反應(yīng).除染色體DNA外,有極少量結(jié)構(gòu)不同的DNA存在于真核細(xì)胞的線粒體和葉綠體中.DNA病毒的遺傳物質(zhì)也是DNA,極少數(shù)為RNA.