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普朗克的量子恐怖在什么地方

(2016-12-20 23:46:13)
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分类: 光子•量子

普朗克的量子恐怖在什么地方

存在之轻 2016-11-30 14:01

普朗克的量子恐怖在什么地方

黑体是指能完全吸收外来电磁辐射,既无反射也无透射的物体。从定义可以看出,黑体和质点、刚体等等,都只是理论上的抽象。根据物理理论,物体只要有温度,就会不断以电磁波的形式向外辐射能量,当然黑体也不例外。

19世纪下半叶,由于工业特别是冶金工业发展的需要,人们越来越重视对热辐射和黑体辐射研究。在实验中已经可以精确测定热辐射和波长的能量关系。现实迫切需要对黑体辐射的理论加以完善,并进一步指导实践。

在实验数据的基础上,维恩从经典热力学理论出发,假设气体分子辐射频率只与其速度有关,并根据统计物理,推导出了黑体辐射的维恩公式:普朗克的量子恐怖在什么地方。然而,这个公式的问题在于只在高频辐射端和实验数据吻合得很好,在低频端并不适用。

科学家们为此伤透了脑筋,既然黑体辐射讨论的是电磁波的发射问题,电磁学中已经知道,带电粒子或电流作简谐振动时就将辐射电磁波,黑体辐射问题就应该在电磁学的基础上讨论解决。据此,瑞利和金斯两人从能量均分理论和经典电动力学出发,推导出了另一套黑体辐射公式:

普朗克的量子恐怖在什么地方,即瑞利-金斯公式。然而这个公式偏偏只在低频有效,在高频端却不适用,即所谓的“紫外灾难”。

这下科学家更伤脑筋了,其核心在于,到底如何建立一套完整的黑体辐射公式。作为一个经典热力学科学家,普朗克也投入到了这项烧脑的研究中去。作为一个传统物理学家,普朗克也是按照经典的研究方法开展工作的,即从基本的物理定律出发,演绎和构建新的理论体系。然而,不管他是从经典热力学出发,还是从电动力学出发,都难以构建起黑体辐射的完整体系。传统的物理理论在这一领域好像失灵了。普朗克的研究陷入了僵局,他一干就是六年,却始终一无所获。

就在普朗克几乎要绝望的时候,他忽然灵机一动,去他的基础理论吧,我先把公式凑出来再说。这时,维恩公式和瑞利-金斯公式不再是暨待修正或推倒重来的公式,而变成了普朗克加工的素材,他的工作也纯粹变成了一场数学游戏。普朗克加加减减、拼拼凑凑,通过插值法竟然真的凑出了一套公式,可以分别在低频和高频端满足维恩公式和瑞利-金斯公式。这就是著名的黑体辐射的普朗克公式:普朗克的量子恐怖在什么地方

得到公式后,普朗克开始按预想寻找理论解释。然而,这一找不要紧,普朗克发现找来找去,他不得不承认一个假定,即电磁辐射的能量是按最小能量单位的整数倍进行的,他将这个最小能量单位称为能量子,后人改称为量子。这个假定太富于革命性了,在它刚被提出时,没有人赞同它。的确,在经典物理学的思想里,能量是连续的。而在量子假说中,能量只能是一份一份地被发出来,这看上去是不可思议的。

事实上,普朗克本人都不喜欢这个假定。在他小心翼翼地提出量子假说后,仍然花费了15年的时间试图找到能从经典物理学导出的方法来代替量子假说。但始终没有成功,只有采用量子假说,黑体辐射的理论才能与实验完美地结合。

对于我们普通大众来说,离散的能量带来的震撼可能还不够。那么这个理论到底恐怖在哪里呢?那就是打破了经典物理学的连续性根基。单以能量而言,比如我们看到温度从1度上升到3度,那么自然会认为温度会经过其中的任何一个值,那么如果是离散的,那么温度越过的那些空白到底是什么?如果能量不是连续的,那么时间、空间也就存在着不连续的可能,而这可能颠覆整个经典物理学的大厦。我们知道,牛顿的封神之作叫《自然哲学的数学原理》,这部书构建起了完整的经典物理学大厦。这里自然哲学我们可以理解为科学,数学原理就是微积分,也就是说,经典的物理学体系是以微积分为基础的。而学过微积分的都知道,“连续”、“光滑”在微积分中有多么多么的重要。而现在,“连续”出了问题,“光滑”更无从谈起,经典物理的大厦面临倒塌的危险。而这才是普朗克的量子恐怖的地方。

但科学发展的车轮滚滚向前,量子假说顽强地生存了下来,并催生出了崭新的量子力学。对于普通大众来说,我们仍生活在经典物理的世界里,一切似乎没什么变化。但当我们深入到微观的世界,我们就会发现这样的理论有多么的震撼。由于量子的出现,在那个世界,经典的物理大厦或许已经倒塌。


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