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〈質疑才能學好科學〉-【科學實驗-討論區-www.coi.tw 】

作者 : 科學實驗
性別 : 男
文章主題 : 質疑才能學好科學 人氣指數 : 909
發表時間 :2014/1/6 下午 12:27:40   


相片:質疑才能學好<a href=http://www.tw17.com.tw><font color='#FF0000'><u>科學</u></font></a>
http://www.tw17.com.tw/viewboard.asp?articleid=20140106122739

清華大學<a href=http://www.tw17.com.tw><font color='#FF0000'><u>物理</u></font></a>系林秀豪教授問了全班一個問題:原子為何是穩定的?最簡單的氫原子由一個電子和一個質子所組成的,相信許多人從國中接觸到理化課就學過,但是,從未拿「穩定性」去質疑過老師。當下,班上許多同學提出很多很棒的答案,從各個理論的角度切入,試著解釋氫原子具有一個自然穩定的基態:因為電子在軌域上以駐波形式運動,有人說因為用量子力學的機率解釋存在,有人答因為電子沒有軌跡,所以就不可能放出電磁波等等。當下,連我也覺得很正確,很動聽。但回到問題的核心,為何原子是穩定的?這些林林總總的解釋,總有揮之不去的盲點。

充滿了矛盾和質疑的理論,在課堂上被熱烈討論,到最後,我們曾經深信不疑的理論,其正確性都是值得懷疑的,氫原子模型的提出者——波耳,頓時間變成這個世界上最不負責任的<a href=http://www.tw17.com.tw><font color='#FF0000'><u>科學</u></font></a>家。林教授在課堂上提醒大家:學<a href=http://www.tw17.com.tw><font color='#FF0000'><u>物理</u></font></a>要注意不能被某些假象和錯覺所矇蔽,進而失去正確的識別和判斷,更不能對某個理論及其締造者產生盲目崇拜。

我們可以試著這樣去瞭解原子的穩定性:(1)氫原子由帶正電的原子核與帶負電的電子構成,正負相吸的庫侖作用會使得質子與電子無限接近。根據測不準原理,當電子在無限接近質子時,其位置就十分明確,也意味著電子的動量不確定度會趨向於無窮大。因此,電子的動能將會很大,顯然不是穩定的狀態。(2)若是電子停下來,動量就幾乎是零,然而其位置的不確定性就會很大。在這種狀況下,庫侖作用導致的位能將趨近無限大。顯而易見,這也不是穩定下來的好方法。(3)在測不準原理的協調下,電子以一種有點亂又不會太亂的方式,巧妙平衡動能與位能間的競爭,而呈現一個穩定平衡的狀態。無論電子的位置,或是電子的動量,都處在有點亂而不是太亂的狀態,這就是氫原子的基態。

當然,這只是費曼給出的一個通俗的解釋,在量子力學裡如果要完全解釋這個問題,肯定要有更嚴格的計算。顯然,林教授這門熱統計<a href=http://www.tw17.com.tw><font color='#FF0000'><u>物理</u></font></a>課堂上沒有太多的計算,但是學<a href=http://www.tw17.com.tw><font color='#FF0000'><u>科學</u></font></a>不僅僅要精通其數學語言,還要學會用不同面向去質疑正確解答,如此,才能真正的站在巨人的肩膀上,好好檢視自己做學問的態度和眼光。(就讀清華大學工學院學士班四年級)

質疑才能學好科學

清華大學物理系林秀豪教授問了全班一個問題:原子為何是穩定的?最簡單的氫原子由一個電子和一個質子所組成的,相信許多人從國中接觸到理化課就學過,但是,從未拿「穩定性」去質疑過老師。當下,班上許多同學提出很多很棒的答案,從各個理論的角度切入,試著解釋氫原子具有一個自然穩定的基態:因為電子在軌域上以駐波形式運動,有人說因為用量子力學的機率解釋存在,有人答因為電子沒有軌跡,所以就不可能放出電磁波等等。當下,連我也覺得很正確,很動聽。但回到問題的核心,為何原子是穩定的?這些林林總總的解釋,總有揮之不去的盲點。

充滿了矛盾和質疑的理論,在課堂上被熱烈討論,到最後,我們曾經深信不疑的理論,其正確性都是值得懷疑的,氫原子模型的提出者——波耳,頓時間變成這個世界上最不負責任的科學家。林教授在課堂上提醒大家:學物理要注意不能被某些假象和錯覺所矇蔽,進而失去正確的識別和判斷,更不能對某個理論及其締造者產生盲目崇拜。

我們可以試著這樣去瞭解原子的穩定性:(1)氫原子由帶正電的原子核與帶負電的電子構成,正負相吸的庫侖作用會使得質子與電子無限接近。根據測不準原理,當電子在無限接近質子時,其位置就十分明確,也意味著電子的動量不確定度會趨向於無窮大。因此,電子的動能將會很大,顯然不是穩定的狀態。(2)若是電子停下來,動量就幾乎是零,然而其位置的不確定性就會很大。在這種狀況下,庫侖作用導致的位能將趨近無限大。顯而易見,這也不是穩定下來的好方法。(3)在測不準原理的協調下,電子以一種有點亂又不會太亂的方式,巧妙平衡動能與位能間的競爭,而呈現一個穩定平衡的狀態。無論電子的位置,或是電子的動量,都處在有點亂而不是太亂的狀態,這就是氫原子的基態。

當然,這只是費曼給出的一個通俗的解釋,在量子力學裡如果要完全解釋這個問題,肯定要有更嚴格的計算。顯然,林教授這門熱統計物理課堂上沒有太多的計算,但是學科學不僅僅要精通其數學語言,還要學會用不同面向去質疑正確解答,如此,才能真正的站在巨人的肩膀上,好好檢視自己做學問的態度和眼光。(就讀清華大學工學院學士班四年級)



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