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晴空万里,乌云两朵(第二朵,共两朵)


紧接上回(“晴空万里,乌云两朵(第一朵,共两朵)”),笼罩在经典物理学大厦上的第一朵乌云(迈克尔孙实验结果和以太漂移说的矛盾)。

第二朵乌云将在这篇文章内揭晓,它就是——能量均分定理与黑体辐射的矛盾。而这朵乌云,最终也降下了“量子理论”的雨滴。


很多事情,就是在不断的探索之中变得越来越明了。

而物理呢?

这门学科发展的道路往往是在“前人的现象—后人的质疑—后人的实验—后人的结果—再后人的质疑—再后人的实验—······”。

到底结果是不是更加明了了呢?

笔者骄傲地告诉你

——我不知道


言归正传,19世纪在热学研究过程中,科学家发现能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释时,得出了与实验不等的结果,尤其是黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

喜欢物理的小伙伴对“黑体”一词应该并不陌生。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射,吸收率是100%的理想物体。“黑体辐射”的概念在1859年由基尔霍夫提出。


在同样的温度下,不同物体的发光亮度和颜色(波长)不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强,比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80%左右。真正的黑体并不存在,但是,一个表面开有一个小孔的空腔,则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射,在腔里经过多次反射和吸收以后,不会再从小孔透出。

黑体辐射的研究基础是热辐射,热辐射作为十九世纪发展起来的新学科,得到了热力学及光谱学的支持,也用到了电磁学和光学的新兴技术,因而得到了快速的发展。

紫外灾难是指:用于计算黑体辐射强度的瑞利金斯定律在辐射频率趋向于无穷大时,计算结果和实验数据无法吻合。


19世纪末,卢梅尔等人通过著名实验——黑体辐射实验,发现黑体辐射的能量不是连续的,它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来,这个实验的结果是不可思议的。

1908年,卢梅尔和普林舍母举了一个经典且浅显的例子来解释这个矛盾:熔融的钢的温度约为1700K,它可以发出非常强烈的光。在瑞利-金斯理论下,辐射能量密度与绝对温度成正比,故室温300K左右时,黑体辐射的能量应为高温下的300/1700,这个推论与实验结果相差甚远。

那故事到底是如何展开的呢?

黑体辐射实验的结果是对是错呢?

请听笔者娓娓道来。

1893年,德国物理学家维恩较早提出能量分布定律,并推导出黑体辐射能量按波长分布的公式,即维恩位移公式。

但由于物理学家的推论均是以经典物理为基础,维恩公式与实验物理学家的实验结果并不完全一致,而是只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。温度越高,偏离越严重。

英国物理学家瑞利认为能量是一种连续变化的物理量,因此在高温和长波条件下,麦克斯韦-玻尔兹曼的能量均分原理应该是仍然有效。

后来,经物理学家、天文学家金斯的修正,以能量均分定理为基础的黑体辐射公式被建立起来。

但是,从瑞利-金斯公式推出,在短波区(紫外光区)随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,这和实验数据相差十万八千里,是荒谬的。

这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。

而“紫外灾难”也被后人看作是整个经典物理学的“灾难”。

但奇迹就是:在科学家锲而不舍的探索之下,物理总会得到又一次巨大地发展。


普朗克看到黑体辐射公式遇到了一次又一次的瓶颈而无法解释,反观瑞利-金斯公式在长波方向的正确性。

他决定:探求另一条道路,来解释短波方向的辐射定律——能量子假设。

但普朗克的黑体辐射公式里所引入的这个假设,却极其不符合经典物理理论。

“能量是不连续的吗?简直可笑!”经典物理的支持者们带着怀疑和嘲笑接踵而至。

但是,面对越来越多的实验证明了普朗克的能量子假设的正确性之后,越来越多的物理学家转变了态度,选择接受这个新兴的理论。



量子理论的大门由此被敲开,并逐渐成为20世纪乃至现在最重要、最热门的物理学科。




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