原子内电子的能级就好象是丢2个骰子的游戏

上一篇 / 下一篇  2010-06-09 16:37:14/ 个人分类:原子吸收和质谱仪器的数学物理基础

  原子内电子的能级就好象是丢2个骰子的游戏,在丢2个骰子的游戏中。我们可以计算出来,丢出7点的概率是最大的。在原子化的过程中,原子处于什么能级的概率是最大的呢?我们先留着这个问题。

  1900年之前,当时的江湖上,其实是有几个高手的,这几个高手相互仰慕同时相互掐架,他们要得到一个关于原子的理论。 其中高手之一就是波尔兹曼,波尔兹曼是做统计力学的。他相信原子的存在。但当时又看不到原子,于是波尔兹曼当时有一些问题,就是他擅长的统计力学不知道可以研究什么东西。而且统计力学里有一个很奇怪的数学基础也得不到证明,这个数学基础大概是这样说的:一个在相空间上的函数,它长时间的行为非常复杂,但这个函数的空间平均等于时间平均。这大约就是遍历理论,换句话说:一个系统必将经过或已经经过其总能量与当时状态相同的另外的任何状态------一个人要跳槽,他会跳完所有同档次的公司,但工资都一样。这有很复杂的数学背景,当然波尔兹曼也不会做数学证明,反正他是天然地相信这个事情是对的,并且把这一条当作统计力学的基础。

  这个意思其实很好理解,比如对于一个股民来说,他可以一次性下注100万,也可以每次下注1万,连续下注100天,然后看最后的结果,大体上,如果遍历理论在股票市场也是有效的,他会发现这100天来这样2种下注方式最后能得到的结果是一样的。 (这里所说的遍历理论,并不严格,请读者们小心,实际上在股票市场上存在所谓套利定理,说的是如果频繁交易很多次地话,你从股票市场上能够赢利的期望数值大约等于零)

  江湖上,于是有人读波尔兹曼的书,并且他的一些想法也渐渐被世人理解 。

  当时玻尔兹曼他相信原子是存在的。但是在当时原子是看不见的——那为什么原子不能被光学显微镜看到呢?

  因为可见光的波长大概是 400nm到800nm,而原子的大小大概是0。1nm,所以,光波长很容易绕过原子,所以,原子根本就是不能被看到了。一个看不见的东西要被人相信,这就是信仰,那时正在闹巴黎公社革命,马克思信仰共产共妻,玻尔兹曼信仰原子。 玻尔兹曼在一个大学里做物理教授,有一个同事,也是一个教授,名叫马赫。马赫是名教授,(爱因斯坦青年时代的偶像之一,堪称精神导师),马赫认为,原子既然看不见,也不能用实验检测出来,那么所谓原子就根本不存在。马赫的观点也很激烈,一个不能被探测到的东西, 就是不存在的。

  所以,马赫和波尔兹曼掐了起来。这2个教授都是在维也纳的,所以简直到了仇人相见分外眼红的程度。

  爱因斯坦那时候还年轻,籍籍无名之徒,他是要读马赫的书,马赫其实也是一个流体力学的专家,,也许马赫脑子里最清楚的一个事情是,声音传播的速度是可以变化的。 声音速度和光的速度不一样,后者是一个恒定的量(这个是后来出现的狭义相对论的基础),而前者则是可以变化的。换句话说,声音的速度大小是在空间点上的函数,而流体的速度大小也是空间点上的函数,所以,这2个函数的比率就定义为当时当地的马赫数.

  也就是说,在一个空气流动的场中,当时当地的人测量到的声音的速率并不是一个普适的常数。比如说,在地球上,在上海的人在下午3点测量到的声音的速度,和在北京的人在下午4点测量到的声音的速度都是不一样的。这已经很有点狭义相对论的感觉了。 爱因斯坦,也许正是在这样的时代广场上开始了他的创作的,这个是后话。在原子吸收的仪器中,雾化器是很重要的,在雾化器中,存在一个很小的风洞,这个风洞里有高速气流通过,然后在喷嘴处产生负压强,把液体提取上来.这个风洞背后的数学物理基础,就是马赫数和风洞截面之间存在着一个函数关系……

  爱因斯坦的偶像,就是马赫.马赫的观点得到了另外一个化学大师奥斯特瓦尔德的首肯,后者是一个非常不相信原子论的一个化学家,所以在目前看来,这是一个非常荒诞的事情,因为一个化学家不信仰原子论就象一个医生不相信蛋白质一样。不过那是在19世纪,人们还处于懵懂情怀之中,奥斯特瓦尔德最精彩的论述是这样的:这个世界上,最基本的运动形式是能量。

  这被称为“唯能论”,激烈对抗玻尔兹曼的“原子论”。

  奥斯特瓦尔德的唯能论并没有多大的实际意义,实际上他对催化剂在化学反应中的认识还是很独到的。

  奥斯特瓦尔德也是著名教授,可以说在当时的地位一点也不比玻尔兹曼低,所以他们两人也是针尖对麦芒,谁也说服不了谁。

  玻尔兹曼对决马赫和奥斯特瓦尔德组合,明显力有不逮,同样是江湖好手,玻尔兹曼这一役可谓孤军奋战,犹如东邪黄药师对西毒欧阳峰加上一个欧阳客,打得越来越吃力,这当然不是玻尔兹曼技不如人,而是因为,他本身是一个抑郁症病人,总有很强的自我挫败情绪。

  历史上称为“原子论”和“唯能论”之论战。这种动嘴皮子的科学争论最后却以玻尔兹曼的自杀离场而告终结。玻尔兹曼当时是在一个旅游胜地自缢身亡。他离开的那天夕阳西下,白日西匿以后,天地已经失去颜色。只是在落霞之上,有微茫的血色至今依然。

  在玻尔兹曼自杀后的一年,皮兰就通过布朗运动确定了分子原子论——原子是真实存在的!


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