登陆注册
6276000000002

第2章 黑体辐射原理的发现

“普朗克是一位保守的物理学家”,人们常常这样评价。

这样一个保守的物理学家,是20世纪杰出的自然学者之一,如果以重要性而论的话,继伽利略与牛顿、爱因斯坦之后,开启物理学新时代的正是普朗克。

在18世纪末,很多科学家没有意识到原子的存在。到了19世纪中期,人们得到了原子的重量,但是无法对原子观测。

还有一个实际困难,即如果原子组成物体,那么无限细分物体的观念就要受到限制,而原子的自由度也要受限制,不然就会出现即使是寻常的温度升高也需要无限大的能量。为了解决这样的问题,很多理论在经典力学与电磁理论下谨慎地说明了一些现象,没有脱离人们的传统认识。

然而,有一个问题却久久地困扰着人们。

这不是一个原子问题,而是一个古典的热力学难题——黑体辐射。

1893年,威廉·维恩提出一个数学公式。这种公式在光谱的短波部分使测定值与计算值完全相一致,然而用在中波和长波部分却无效。

1900年,英国物理学家为长波找到了一个规律。瑞利根据经典统计力学和电磁理论,推导出黑体辐射的能量分布公式,这个数学式子适用于长波,在短波部分却是无穷值,可相反的是,实验结果是零。

这个反差强烈的严重问题,被称为“紫外灾难”,因为紫外线是长波、中波与短波的分界波。

所谓黑体辐射,就是热学中一种对加热物的辐射研究。这种辐射具有较长的红外线到可见光在内的很宽的波长范围,是许多物理学家感兴趣的地方。

人们提出一系列问题:辐射的能与温度相关吗?辐射是平均分布在整个波谱范围内的吗?波谱的某些部分能量是否有多少的区别呢?

经过精密的测量,科学家发现,在波谱的一条窄带上辐射能量达到了最高值。人们用曲线描述辐射与波长的关系,精确的图形得出之后,就是为图形找到合适的教学描述了。上面两个数学公式就是想表达曲线的走向,然而全部能量分布的表达方式却始终找不到。

于是,普朗克开始着手研究这个问题。

1900年,马克斯·普朗克用拼凑的方法,得出一个适用于长波和短波的公式。但是他仍没有弄清这样做的理论原理。他说:“它开始时只有一个意义,即可能是被猜对了的一个定律,我后面的工作就是找出真正的物理意义。”

普朗克假定物体的辐射不是连续变化,而是整数倍跳跃变化。要是这个前提满足了,则一切问题就可以迎刃而解了。

他先引入一个不变数,就是普朗克常数。能量是一份一份以能量包的形式传递的,普朗克常数是能量和时间的乘积。加热体的辐射始终只能以这一常数的整数倍进行。

能量的传输是一份一份的,不是平稳和连续的,这一份,普朗克命名为guanta,出自拉丁词guantum,意为“量”。

量子理论的基本思想就是这么简洁。能量是以各含“多少”能量的粒子或粒子束的形式来传导。用一个通俗生动的比喻即能量不是水管里流出来的持续水流,而是从机关枪里射出的子弹,每一个子弹里包含若干小粒。

1900年12月14日,普朗克向柏林物理学会阐明了辐射公式。量子论正式诞生。仍然如原来提出的原子学说一样,普朗克将最小的不可分的能量块称为“量子”,也就是“能量子”。多少年来,在经典物理学的观念里“自然界是不会跳跃”的,自然现象是连续的。这是力学、热学和电磁场等都证实了的基本规律,微积分正是基于这种连续性思想的数学方法。

1918年,普朗克获得了诺贝尔物理学奖,他在领奖大会上谈到:“如果作用量子仅仅是个虚构的量,那么辐射定律的全部推论在原则上也就是幻觉,仅仅是毫无内容的公式游戏。与此相反,假若辐射定律的推导是建立在真实的物理思想基础上的,那么作用量子必然要在物理学中起重大作用。作用量子的出现宣告了前所未闻的崭新事物,自从莱布尼茨和牛顿创立微积分以来,我们的物理思考便建立在一切因果关系都是连续的假设上,看来新事物要彻底改造我们的物理思考了。”

尽管实验证明了普朗克理论的很多预言,但是这个奇特的思想仍然得不到公认。因为普朗克对于给定颜色的光波,是用每秒钟的振动次数(频率)乘以普朗克常数来计算能量的,人们认为他“用一个不可理解的假设——光波由振动产生,‘解释’了一个无法理解的现象。”

量子假说与人们几百年来的观念不符,连普朗克本人也在一片反对声中没敢向前走,甚至放弃了继续深入运用量子理论。

他曾经致力于将量子(作用量子)纳入古典物理学范围,但是毫无成效。

普朗克后来回忆说:“我想以某种方式把作用量子纳入古典理论的徒劳工作占去了好几年时间,耗费了我许多劳动。某些专业同行把它当作一种悲剧。我对此持不同意见,因为我认为通过这类彻底澄清而得到的收获是更为宝贵的。现在我了解到作用量子在物理学中所起的作用比我原先所设想的要大得多,从而充分理解到在处理原子问题时采用全新的观察和计算方法的必要性。”

爱因斯坦在1905年的论文中就有一篇是以普朗克的理论为基础的,后来沿着他们的思路和角度,出现的是量子力学一个又一个辉煌的名字:波尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克。

尽管作为先驱者的普朗克由于动摇而没能用充足时间深入研究,而爱因斯坦坚持自己的理念最终远离了热闹的量子力学,甚至成为量子力学的反对者,但是从相对论到量子力学一个又一个的观念被打破,一个又一个的迷惑随解随生,量子论也日益呈现了巨大的理论价值和迷趣。

同类推荐
  • 小村史记

    小村史记

    本书通过对老烟筒村王姓一脉中,以王二叶(20后)、王枰(50后)、王亮(80后)为代表的三代中国农民人生命运的刻画,生动形象地展示了中国农村波澜壮阔的变迁。在(1975—2015)这40年里,三代中国农民交集,小人物与国家命运紧密相联,善良与愚昧、智慧与狡诈、村规民约与法律法规,相互交织,相互作用,相互缠绵,虐心而向上。本书中,除代表人物外,作者以轻灵而厚重的笔法刻画了上百个农村小人物普通而不平凡的人生历程,犹如一部“小村史诗”,让人在乡村事中悟出人生,让人在乡村是是非非中读懂农村,让人在悦读快感中感受农民
  • 归乡何处

    归乡何处

    神级文明进行长达一万年的绝密实验中,余波扩散将两千年前的地球复制,粘贴在银河另一悬臂,四散的余波不仅波及地球,而且将离地球无穷远的某准神级文明的复古游戏核心传送了地球,不幸的是华巍被核心上的余波能量‘被‘穿越了,来到了新地球,幸运的是复古游戏在传送到地球后,错误的认证了华巍为使用者,最幸运的是,‘被‘穿越的不只他一个。汉末,血肉之躯,挣扎吧。
  • 大梁第一人

    大梁第一人

    苏小鱼在鼓浪屿冲浪,不幸被台风席卷,穿越到一个陌生的世界,大梁国,在这里他泡小姐,除恶霸。
  • 图清

    图清

    康熙二十八年,紫禁城太和殿,康熙坐在龙椅上踌躇满志地说道:“朕继位以来,灭南明、擒鳌拜、平三蕃、降台湾、抗罗刹、败准噶,大清千秋伟业将会永世流传!”下面一片谄媚声。同一时间,南方一个青年对着天空大喊道:“想活五百年的千古一帝,我来了,你的千秋伟业开始倒计时了!”
  • 书生点将录

    书生点将录

    古人云:“百无一用是书生。”但书生未必是书呆子。当乱世来临,恶徒横行之时,书生是否只能备受欺凌,忍看亲人挚友惨遭荼毒?不!当命势所迫,必须拿起刀、为爱人、为侠义而战时,书生也能成长为一世英雄。但横刀立马于乱世之中的勇气,不是一朝一夕得来的。也并非如段誉一般,凭着绝世好运就能有惊无险的出入江湖。机缘巧合固不可缺,但一将功成,却是历经劫难、备尝血与火的磨练,终至凤凰涅槃、浴火重生才有的。文以载道,胸有块垒,遂成此文。
热门推荐
  • 咒使

    咒使

    世间万物皆分阴阳。阴,即代表物质;相反,阳即代表能量,阴阳之间相生相克。阴之次元,顾名思义,就是由物质为主,能量为辅的空间这便是人类所生活的空间,在物质资源丰富的阴之次元里,人们选择了科技的发展。阳之次元则反之,在那里人们善于利用大自然的各种能量,将其化为自己的能力……世界分为三大空间:虚无、阴和阳上古时期,阴阳空间并存,由于特殊原因在几千年前分离,处于两个不同的位置。
  • 幻野仙踪

    幻野仙踪

    一次惊世巨变,引发玄门纷乱。一场旷世激战,挑起异族恩怨。一位少年突现,揭开千年谜团。迷离身世,无上绝学,波折爱恋。是真实,还是虚幻……
  • 能不能最后换你说爱我

    能不能最后换你说爱我

    花开花落花满天、携手同心永相连、鸟离巢穴有何盼、鸟归不入绕巢飞、鸟忆归巢永相随、仅此望巢而落泪、半年的时间几乎用尽了我全部精力、去经营自己的爱情,半年零一天、几乎让我抱憾一辈子她叫吴秋燕、我们相识在网络,那年单纯的我们、都相信了网络会成现实,彼此都很单纯的爱着,可谁也没想到,天不尽人意吴秋燕:“你会爱我到什么时候”?廖天宇:“知道我不能爱了”。吴秋燕:“我会爱你一辈子”。廖天宇:“我也会”。半年零一天,是我最幸福的时候。
  • 末世之生者为王

    末世之生者为王

    一群从天而降的外星来客,取代人类站在了食物链的最顶端。它们没有智慧,没有坚不可摧的身体,但它们却有一群最忠实的奴仆——丧尸,和最可靠的伙伴——植物。以新鲜血肉为食的丧尸席卷全球,不断进化,末日来临,人类百不一存;疯狂生长的植物,嚣张地鲸吞蚕食人和动物的生存空间,公路毁坏,大厦倾塌,现代文明消失殆尽。在这个疯狂的末世,生者为王。亲眼目睹这场灾难降临的叶馨言,拥有了一个天外来客五百年的记忆,以及空间能力。人类存亡的关头,她该选择独善其身,带着家人回归原始人类的生活?还是兼济天下,保住几千年积累下来的人类文明?
  • 跑男之新一代全能星

    跑男之新一代全能星

    前面就算是烂文,喜欢读者能看到后面,后面等于是重新开始写的,但是不一样,后面是制霸征服全球的娱乐界,所以,期待吧!呵呵!切看刘天如何完成他的传奇,再次跟他老婆见面的时候他的什么又会多几个女子呢?敬请期待《跑男之新一代全能星》当然名字有点不适合,所以就做《跑男之刘天传奇》也行的!可惜不能改了,呵呵!
  • 婳中有殇

    婳中有殇

    萧雨婳是著名的才女遇到总裁夏日殇,将会发生什么呢
  • 天印神童

    天印神童

    在天印大陆上,天印的存在,完全改变了人们一生的道路,一阶气修,二阶力修,三阶精修,也就是精神力的修炼,四阶速修,五阶攻修,六阶心修,七阶体修,八阶灵修和最高阶的九阶元修,这些,就是天印的根本所在,当他来到这世上时,他,又会与天印大陆碰出怎样的火花呢?大家也可以在QQ上与我交流,Q号:1915504180
  • 蛮神无双

    蛮神无双

    前一世,陆风因为身体原因,使得父亲劳碌一生,最后竟因没钱治病而死。这一世,玄天大陆的阿蛮也面临了相似的问题。但是,阿蛮发誓,一定要使身体健康强壮,一定要有无双的实力,一定要使父亲过得舒心。阿蛮说:“谁敢让我父亲一时不舒心,我就让他一世不舒心!”
  • 末世之战之最后的战线

    末世之战之最后的战线

    Thelastbattleline——最后的战线或许,他会告诉你,世界上没有什么所谓的幻想。人类最后的归宿,就只有他了!人类的命运,由他掌控!但是,没人会赞美他的举动!
  • 英雄联盟之一丝不挂

    英雄联盟之一丝不挂

    一套神奇的LOL英雄附身卡片!一个艾欧尼亚战火纷争的梦境!他,一个平凡的学生狗,一个苦恋无果的穷屌丝,却上演了一场宏大的丝血不挂还反杀的竞技游戏……命运,由你自己掌控!