这个公式推导过程很严格,但不幸的是,它和实验(这个测量实验也包含了科学家的智慧,有兴趣的可以了解下,搜索黑体辐射是可以找到的)结果不符合。并非完全不符合,对于普通的波长区间来说是符合的,但短波的区间内不符合。我们知道紫外线就是短波,所以这个事件就被叫做“紫外线灾难”。
于是出现了另外一个公式,而这个公式其实没什么推导原理,就是根据实验结果,按照经验给出的(你说猜的也成),它叫做“维恩公式”。这个公式在短波部分很符合实验结果(因为就是按实验结果凑的嘛),对于普通波长区间又不符合。
于是同一个物理事件,需要两个公式来描述,真是一件头疼而糟糕的事情。科学家当然是希望能够找到一个正确统一的公式来解决这个问题。
上边提到的普朗克完成了这个工作。但没想到的是,这么一个小事情引发了物理学的巨大革命。
日期:2013-03-17 13:06:48
五、无意间铸就潘多拉魔盒的钥匙
1900年普朗克获得一个和实验结果一致的纯粹经验公式,就是普朗克公式。说他是纯粹经验公式,是因为他得到这个公式的过程实在没什么理论依据。他观察上面说的瑞利-金斯和维恩公式,希望能够把他们统一,就是说希望能够找到一个公式,使它在短波时可以近似为维恩公式,而普通波长时可以近似为瑞利-金斯公式,这样在所有的情况下就可以都符合实验结果了。他摸索这个公式的过程是怎样的呢?
当时对辐射的测量工作做的最多的是一个叫做鲁本斯的科学家,据说普朗克几乎每天下午四点都去鲁本斯家里喝咖啡,并拿自己的公式和他的实验结果做对比,如果不符合晚上回家就修改。就这么删删改改的“凑”了两个月,终于得到了与实验结果完美符合的公式。
公式是得出来了,也肯定是正确的,因为实践是检验真理的唯一标准嘛。但要发表它,总得搞出一套说的通的推导过程和科学依据,总不能发表的时候说我这是凑出来的吧!
于是他就盯着自己的公式研究,他发现这个公式可以分为三部分
波长小区间的能量=波长范围内的振动数*未知部分1/未知部分2。
这个“波长范围的振动数”和上边所说的瑞利-金斯公式中的是一样的。而未知部分2非常的眼熟,它非常像热力学中一个叫做“熵“的东西。我们可以把熵看做表示无序度的一个量,比如一盒火柴,你把它摆放整齐,就可以认为熵很低,如果搞得很乱,就可以认为熵很高。那就剩下未知部分1了,它是这样的(一个固定的常数*电磁波的频率)。且慢,对比瑞利-金斯公式还少了一样东西,那就是每个波动的能量,那么无疑,未知部分1肯定就是波动的能量了。把无序度和这个能量一杂合,他认为这就是一种类似于空气分子的“光子空气”。每个光子的能量就是(一个固定的常数*电磁波的频率)。
于是就按照这个解释发表了,虽然这个解释并不完美,比如爱因斯坦是这样评价的:“普朗克先生运用玻耳兹曼等式的方式在我看来在这一点上是令人费解的,他引进状态的几率而竟没有给这个量下个物理定义如果我们接受他的这种做法,那么玻耳兹曼等式简直没有一点物理意义”。我们不去管他的话中的具体含义,但是说这个公式的推导不那么有说服力是肯定的了。但是,符合实验结果就是硬道理。
而正因为这个公式,包含固定能量(固定常数*频率)的“量子”的概念首次被提出,而这个固定常数也被人叫做“普朗克常数”。
其实,就连普朗克自己,也认为自己的这个公式和概念只不过是权益之计,适用面很窄,也就仅仅适用于这个实验数据而已。他相信以后一定会找到更合理和适用面更宽的方式来解释这个问题。
然而,事情出乎所有人的意料,就是“量子”这个概念,成了打开量子理论这个潘多拉魔盒的钥匙,而使用这把钥匙的人,叫做阿尔伯特?爱因斯坦。
日期:2013-03-17 14:43:10
六、爱因斯坦与量子理论
我们提到爱因斯坦,首先想到的肯定是“相对论”。而且大部分人也知道爱因斯坦非常抵触量子理论,最有名的就是那句“上帝不会掷骰子”,甚至会认为这是他的错误,为他感到遗憾。
然而事实往往不像我们看到的那么简单。爱因斯坦是真正发展量子理论的第一个人,他获得的唯一一个诺贝尔奖也是因为量子理论。当然相对论没有获得诺贝尔奖不是因为相对论不够伟大,而是因为相对论还缺少“足够确凿”的证据。当然爱因斯坦后来反对量子理论也是事实,而且这个反对还非常强烈,他和玻尔关于量子理论的论战可以称作是科学史上最伟大的论战。但是我们不能简单地把这个归结成爱因斯坦的错误,或者他的固执,因为爱因斯坦之所以反对量子理论,是因为他比常人更聪明,看的更远,想的也更多。我这么说是有根据的,后边会提到爱因斯坦在这次论战中给我们后人留下的遗产,而这个遗产将给我们展现一个多么神奇的东西!这个东西就叫做“量子纠缠”,一个被称作“上帝效应”或者“幽灵效应”的超乎人类想象的真实存在。
当然,现在我们还是要把视线拉回到普朗克提出辐射公式的年代。
日期:2013-03-17 15:46:47
七、另一个令人头疼的问题。
同辐射存在的问题一样,当时完美的物理学还有一个不能解释的现象:光电效应。
光电效应是在1887年被德国物理学家赫兹发现的,它指的是这么一个现象:当光照射某些物质时,会有电子激发出来,通俗地说就是会有电子飞出来。
乍看起来,这也没什么好奇怪的,物质吸收光的辐射,获得能量,电子能量增多就挣脱了原子的束缚飞出来了嘛。话是这么说,但凡事就怕较真二字,一较真就会发现这个现象可没那么简单,没那么符合常理了。
光电效应的实验有着这样的特点:
1,飞出来电子的动能和光强没有关系,反而是和光的频率成正比。频率越高,动能越大。
2,当频率比某一个值低时,不管你的光强再大,光再亮,照的时间再长,也永远不会发生光电效应。
3,只要频率高于2中所述的那一个值,不论光有多弱,也会发生光电效应。
4,从光照射到物质,只要频率够大,就会立即发生光电效应(时间间隔不超过10的-9次方秒)。
如果我们把辐射电磁波想象成连续不断的传递能量而电子吸收足够的能量后就飞出来的话,上边的特点就完全解释不通。
如果有朋友不知道光强和频率的区别,这么说就可以明白了:频率代表电灯的颜色,比如发出荧光灯发白光,钨丝灯发的泛红色的光等等;而光强就是电灯的亮度。现在再考虑下前边的特点应该就会感到奇怪了吧:就是你的电灯只要颜色不对,就是亮瞎眼,物质也是纹丝不动。只要颜色对,就是昏天暗地一丁点的亮度也照样发生光电效应。
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