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社論:原子構造理論百年

立報/本報訊 2013.09.30 00:00
百年前,原子構造的量子理論出籠。這不僅開啟了人類瞭解原子結構的新一頁,也是20世紀兩大物理革命之一:量子力學革命的重大里程碑,其重要性比之愛因斯坦的相對論可說有過之而無不及;這個原子新理論的提出者波爾(Niel Bohr),是20世紀能夠與愛因斯坦並列的大科學家。在這個理論提出百週年紀念,讓我們管窺百年來這個理論的影響,並從這個角度認識人類文明的巨大變遷。在台灣忙於內鬥之際,或許可以從更寬廣的視野來檢視我們的爭議。

源自古希臘的原子概念,原是構成世界萬物的最小單位。但是,在19世紀末科學家發現,所有的物質都會放出電子,顯示電子存在所有的原子內。因此原子不再是不可分割的物質最小單位。1911年,物理學家又發現原子的結構像是太陽系,原子核如太陽,電子如行星般繞原子核公轉。靜電庫倫定律是平方反比率,與牛頓萬有引力定律一樣。這似乎說明原子核的模型是正確。

然而,電子帶電,而帶電物質進行圓周運動會持續放射能量,將使電子的動能流失,公轉的半徑就逐漸減小,終於被吸進原子核。因此,太陽系的原子模型是不可能穩定存在。

為解決這個困境,波爾借用1900年普朗克的量子論,主張在量子化的條件下,電子不會輻射能量。由於量子論已經在另外兩個地方(黑體輻射理論以及光電效應理論)獲得成功,波爾的理論很快就被接受。更重要的,波爾的理論同時解釋光譜來源的問題,後者已經困擾科學家數十年。波爾的理論能夠準確地計算出輻射光譜的頻率,不僅贏取物理學家對原子構造理論的認同,也為量子假說的最終完成發揮關鍵性的作用。1926年,完整的量子力學理論終於誕生。

量子力學成了有史以來物理學中最成功、應用最廣泛的物理理論。世界萬物都是由原子組成,便都要用到量子力學。例如,人們生活會遇到的手機、筆電、微波爐等等,都要用到微處理器;而微處理器之所以能夠做這麼多事情,是因為它是半導體,具有獨特而重要的性質,這個性質需要依據量子力學的理論才能夠推導與計算出來。沒有量子力學就不可能有微處理器,就不可能有今日各種電子用品。可見量子力學的理論對現代生活的影響。

也在百年前左右,中國為了擺脫貧弱受列強欺負的困境,主張引進德先生(民主)與賽先生(科學)。對民主的實踐一直是第三世界注意與爭議的焦點;但是對科學的引進似乎認為十分單純而自然。誠然,科技的成果很容易普及;但是科學的理論及其在人類文明的重要作用卻往往被忽略。更令人擔憂是對科學精神與態度卻所學不到,導致理盲濫情,間接促成社會民粹化的結果。百年的演變,值得反思。

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