物理學發展史

1905 年9 月:愛因斯坦(Albert Einstein)最著名的公式

1905 年9 月:愛因斯坦(Albert Einstein)最著名的公式
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

雖然有幾位知名的物理學家,包括馬克斯威爾(Maxwell)、勞倫茲(Lorentz)、與 Henri Poincaré 都曾於 1900 年以前發表過有關特殊相對論的論文,但一般來說,1905 年被視為是特殊相對論誕生的一年。

就在那一年,當時默默無名的專利局職員亞伯特•愛因斯坦(Albert Einstein)發表了二篇有關特殊相對論的重要論文。愛因斯坦於大學畢業後無法在大學謀得數學和物理方面的教職,因此他到瑞士伯恩市的專利局上班。

1821年9月4日和1831年8月29日:法拉第和電磁學

1821年9月4日和1831年8月29日:法拉第和電磁學 (Electromagnetics)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

在電磁學方面對人類貢獻極大的英國科學家法拉第 (Michael Faraday),於 1791 年 9 月 22 日出生,父親是倫敦地區現在稱為象堡地方的鐵匠,小時家境清寒。法拉第就讀小學時曾學習閱讀、寫作和數學等基本課程,之後,他就未曾再接受更高等的正式教育。14 歲時,他到裝訂書商處當學徒,七年的學徒生涯讓他對科學產生了興趣,尤其在化學方面。

1900 年10 月:蒲朗克黑體輻射的公式(Blackbody Radiation)

1900 年10 月:蒲朗克黑體輻射的公式(Blackbody Radiation)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

當人們想到量子物理的先驅者時,腦中一定馬上浮現Dirac、愛因斯坦、波爾、Heisenberg 、Schrodinger 等人,然而,最初卻是由於蒲朗克〈Max Planck〉對黑體輻射多年研究所累積在熱力學方面過人的洞悉力,才建立起量子物理革命的舞台。雖然大家很快地就接受了蒲朗克的輻射法則,但是「能量量子化」這個嶄新觀念的重要性還是經過好多年後,才得到世人的關注。一旦大家重視它時,物理世界就呈現全然不同的面貌了。

1945 年7 月16 日:第一顆原子彈 (Atomic Bomb) 爆炸了

1945 年7 月16 日:第一顆原子彈 (Atomic Bomb) 爆炸了
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

原子時代起源於 1800 年代末期,早期有貝克勒爾(Henri Becquerel)和居禮夫婦(Pierre and Marie Curie)研究放射線。在他們之後研究放射線的科學家發現,放射線的衰變相較於化學過程來說所放出的能量相當龐大。可是它的釋放過程是逐次的,並不連續,因此「原子能量」的可能性只是一個概念而已,沒有已知的方法可將其實現,甚至在理論上也不可行。

但在 1933 年 9 月,當匈牙利的物理學家 Leo Szilard 提出,利用中子和原子核的碰撞(核分裂)以產生連鎖反應的觀念,可以相當快速地釋放出能量,是一個可以製作炸彈的過程後,一切都改變了。

1913 年8 月:密立肯和他的油滴實驗

1913 年8 月:密立肯和他的油滴實驗(Oil-drop Experiment)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

密立肯

密立肯

密立肯(Robert A.Millikan 1868-1953)著名的油滴實驗發表於 1913 年 8 月,此實驗對以往測量電子電荷的方式做了大幅的改良,很精巧地測出基本電荷量,被譽為是物理史上最巧妙的實驗之一,但它也成了指控密立肯在科學行為上有瑕疵的根據。

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦和布朗運動(Brownian Motion)

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦和布朗運動(Brownian Motion)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1905 年 3 月,在瑞士專利局一位叫做愛因斯坦的年輕職員提出了一篇震撼性的論文,將蒲朗克 1900 年的量子概念延伸到有著波與粒子雙重性質的光上面。論文刊登於 Annalen der Physik。5 月時,此期刊又收到愛因斯坦的另一篇論文,這是一篇有關氣體運動學的研究,它的結論和前一篇一樣令人震撼。

19 世紀時,物理學家修正了氣體運動學,說明熱是原子不停運動所產生的效應。Ludwig Boltzmann 和美國的物理學家 J. Willard Gibbs 利用運動論來解釋物理學上所謂的「可逆性的矛盾」,因為熱力學第二定律說明大部分的自然過程都不能逆轉,這和牛頓的質點力學似乎相互抵觸。

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與特殊相對論(Special Relativity)

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與特殊相對論(Special Relativity)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

愛因斯坦小時候曾讀過 Aron Bernstein 的《自然科學國民手冊》(The People’s Book on Natural Science),其中有一章,作者伯恩斯坦請讀者想像自己與電流一起滑過電報線路的情形,這個想像一直盤踞在年輕愛因斯坦的心中。愛因斯坦 16 歲時開始思考,假如他能趕上光的速度,那麼光束看起來會像什麼呢?孩童時代的愛因斯坦總認為,如果有人能隨著光一起衝刺的話,光束看起來應該是靜止的,就像靜止的波一樣,但是一直沒有人曾經觀察到靜止的光,所以讓他開始思考其中可能的原因。

愛因斯坦1905 年的三大貢獻:愛因斯坦與光電效應

愛因斯坦1905 年的三大貢獻之愛因斯坦與光電效應 (Photoelectric Effect)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1887 年時,德國物理學家 Heinrich Hertz 觀察到,將紫外光束照射到金屬板時會迸出火花。

1911 年5 月:拉塞福 (Ernest Rutherford)和原子核的發現

1911 年5 月:拉塞福 (Ernest Rutherford)和原子核的發現
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1909年,拉塞福( Ernest Rutherford,1871-1937)的學生在拉塞福所指定的實驗中發現了令人意外的結果,拉塞福說此發現是他一生中所碰過最難以置信的事情。

他們在這個至今仍很著名的實驗中觀察到 $$\alpha$$ 粒子自一張金的薄片往後散射回來。拉塞福在他 1911 年 5 月所發表的論文中解釋說,此散射是由原子中心一個又硬、又密的核—原子核—所引起的。

1871 年6 月:馬克士威(James Clerk Maxwell)和他的惡魔

1871 年6 月:馬克士威(James Clerk Maxwell)和他的惡魔(Maxwell’s Demon)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

機器持續不間斷運轉的概念—即供應著固定的能量就可以永遠運轉的裝置是很令人嚮往的,美國的專利局每年都會收到無數個相關裝置的專利申請,其中大多數都可根據熱力學定律而予以退件,但最詭異、最有名、違反熱力學定律的恆久運轉概念之一是由馬克士威(James Clerk Maxwell,1831-1879)所提出的。

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