登陆注册
10691200000044

第44章 危机的乌云

到19世纪末,经过力学、热力学与统计物理学、电磁学和光学各分支学科的迅猛发展。经典物理学体系已经在几乎所有方面都取得了巨大的成功。当时在许多科学家心中普遍存在着一种乐观的情绪,认为经典物理学看来似乎已经很完善了,宏伟的科学大厦已经基本建立起来了,当然还有一些小问题没有解决,后辈的物理学家只要对现有的理论进行一些小小的补充和修正就能够解决了。的确,那时经典物理学已经成为一套相当完美的体系,人们能够用它来解释大到天体运行,小到烧一壶开水等形形色色的物理现象。

1900年4月27日,英国物理学家开尔文(W。Thomson,1824—1907)在著名的题为《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》的演说中说:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了;但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云。”开尔文所说的一朵乌云指的是迈克尔逊—莫雷实验的“零结果”,它否定了以太的存在;另一朵乌云指的是热辐射的“紫外灾难”,它冲击了电磁理论和统计物理。正是这两朵小小的乌云,引发了物理学史上一场伟大的革命。

物理学进入19世纪80年代以来,人们在实验中发现了一系列令人困惑的现象,经典理论对此显得无能为力。其中现象之一,就是迈克尔逊—莫雷实验。

1881年,美国实验科学家迈克尔逊进行了著名的“以太漂移”实验。他设计了光的干涉仪。利用了“零点法”,假设地球是在以太海洋中白转的。以太风必然在干涉仪中引起干涉条纹的移动。但是,迈克尔逊无论怎样实验都观察不到干涉条纹及其移动。

1887年,他和美国化学家莫雷做了一套更准确的干涉仪重复这一实验,将装置浮置于水银之上的很重的石板上,以防震动干扰。考虑到地球公转,他们四季重复实验;考虑到地球自转,他们白天、黑夜进行实验。但所有的结果都与预想的结果相反,始终测不到干涉条纹的移动。

经过不懈努力,迈克尔逊于1887年12月宣布实验测得以太“漂移速度”为零。这一否定性的实验结果说明地球和以太之间不存在相对运动。这就是物理学史上有名的“零结果”。人们曾试图从各个角度对此作出说明,但都难以自圆其说。看来,人们原先对光传播所构想的物理图像是不正确的,使许多持有光是以太波动观点的物理学家大失所望。客观上,这一实验的结果,否定了长期以来人们相信的以太和以太风的存在。

“第二朵乌云”,指的是黑体辐射实验和理论的不一致。热辐射是普遍的自然现象,物体在任何温度下都会以电磁波的形式向外辐射能量,其量值可以通过实验测定出来。由于绝对黑体在受光照达到热平衡时将会把能量全部以热辐射的形式发送出去,黑体的热辐射要比相同温度下其他任何物体的热辐射强,所以黑体是研究热辐射的理想模型。因此,通过研究黑体辐射来揭示热辐射现象的本质和规律,是19世纪末物理学的一个重要课题。

问题是,物体的辐射能量和温度究竟有着怎样的函数关系呢?

最初对于黑体辐射的研究是基于经典热力学的基础之上的,而许多著名的科学家在此之前也已经做了许多基础工作。美国人兰利(Samuel?Pierpont?Langley)发明的热辐射计是一个最好的测量工具,配合罗兰凹面光栅,可以得到相当精确的热辐射能量分布曲线。“黑体辐射”这个概念则是由伟大的基尔霍夫(Gustav?Robert?Kirchhoff)提出,并由斯特藩(Josef?Stefan)加以总结和研究的。到了19世纪80年代,玻尔兹曼建立了他的热力学理论,种种迹象也表明,这是黑体辐射研究的一个强大理论武器。

在此基础上,德国的维尔赫姆·维恩(Wilhelm?Wien,1864—1928)的黑体辐射研究取得了重要的进展。维恩发现随着辐射体温度的升高,辐射的峰值会向短波方向移动,即所谓的“位移定律”。

1893年,维恩提出了理想黑体辐射的位移定律:λmaxT=常数。该定律指出,随着温度的升高,与辐射能量密度极大值对应的波长向短波方向移动。由于辐射通量密度与辐射能量密度之比为c/4,所以在测出对应辐射通量密度极大值的λmax后,就可以根据维恩位移定律确定辐射体的温度。光测温度计就是根据这一原理制成的。

接着,维恩研究了黑体辐射能量按波长的分布问题。他从热力学理论出发,在分析了实验数据之后,得到了一个半经验的公式:

即维恩公式。其中,Eλ为在波长λ处单位波长间隔的辐射能量;C1和C2是两个经验参数,通过符合实验的曲线来确定;T为平衡时的温度。维恩公式在短波波段与实验符合得很好,但在长波波段与实验有明显的偏离。

以后,英国物理学家瑞利(Lord?Rayleign,1842—1919)根据经典统计物理学推出另一公式,它在长波段(低频辐射部分)与实验相符合,但在短波段(高频辐射部分——紫外光区)完全不能适用。按公式计算的预测值,在紫外一端辐射应趋向无穷大,而实验数据的结果却趋于零。这显然是荒谬的。经典物理学的理论在这里陷入困境和危机。这就是有名的“紫外灾难”。“紫外实验”成为飘浮在物理学上空的又一朵乌云,正是它引来了量子论的提出。

量子理论的提出者是德国的普朗克。普朗克(Max?Carl?Ernst?Ludwig?Planck,1858—1947)出生于德国基尔(Kiel)。1867年,他随全家移居到慕尼黑。1879年,普朗克拿到了慕尼黑大学的博士学位,随后他便先后在基尔大学、慕尼黑大学和柏林大学任教,并接替了基尔霍夫的职位。普朗克的研究兴趣本来只是集中于经典热力学的领域,但他读到了维恩关于黑体辐射的论文后,对此表现出了极大的兴趣。在普朗克看来,维恩公式体现出来的这种物体的内在规律、和物体本身性质无关的绝对规律,代表了某种客观的永恒不变的东西。

1894年,他从研究黑体辐射问题开始,从维恩推出的有关黑体辐射能量密度的半经验公式得到启示,把电磁学方法和热力学中熵的概念结合起来,得到电磁熵的定义式。1900年,普朗克找到了与所有实验数据均相符合的辐射定律的普遍公式。他将从气体理论导出的玻尔兹曼方程应用于一振子集合,并假定它们的能量只能以ε的分立倍数出现,然后从维恩的位移定律出发,推断出熵是E/v的函数,从而导出了能量量子和频率之间的著名关系式:E=hv(是组成黑体的带电谐振子的频率),引入了以他名字命名的常数h,即著名的普朗克常数。

在导出这个公式时,他大胆地提出了一个和“经典物理学关于能量过程必定是连续的”结论截然相反的假说,即能量的交换是不连续的,是一份一份进行的,能量的交换只能是hv的整倍数。hv为能量交换的最小单位。称为“能量子”。1900年12月14日普朗克在德国物理学会年会上公布了他的这一工作。从能量子假说出发,普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式,解决了“紫外灾难”的问题。

量子论的提出使得物理界几百年来信奉的“自然界无跳跃”的原则受到了猛烈的冲击,因此人们对普朗克的辐射公式多半表示怀疑,或漠不关心。在20世纪最初5年里,普朗克的工作几乎无人问津,而他本人又因循守旧,仍想从经典力学出发来推出一个人们接受的辐射公式。

同类推荐
  • 西方科技十二讲

    西方科技十二讲

    《西方科技十二讲》从历史、社会、经济、哲学和文化的维度,来透视科学和技术,概述西方科学技术事业发展的历程,及其与社会经济互动的特点,以便帮助读者更深刻、更全面地理解科学技术,从而为全面提高公众,特别是大学生的科学素质做一点服务工作。全书可分为四个部分,第一部分主要是介绍西方科学事业发展的社会制度化历程。第二部分主要是将科学技术嵌套在国家经济系统中,介绍西方技术创新活动的发展。第三部分主要是介绍西方科学技术事业发展的政策、人才培养和科技共同体运行的机制。第四部分主要是介绍西方科学技术的学科发展的特点。
  • 梦是怎么来的

    梦是怎么来的

    你的梦源自你的心灵结构,你制作它们。你的某个部分创造了它们,并知道每一个梦的意义。只要你研究你的梦,努力学习参与整个制作历程,你就更能明白它们的意义。梦与梦境自从这个世界开始有人类,梦也就来到这个世界。人们总是把梦放在一个特殊的地位上。我们的神话、圣经和各种文学里都可以找到它。在人类各种心灵活动中,“做梦”可以说最奇妙、诡谲、多姿而令人着迷。
  • 地理知识

    地理知识

    地球上的生命是从哪里来的?现代大多数科学家认为最原始的生命是细胞。地球上的原始细胞(即原始生命)又是哪里来的?现代科学分析有这样一个演化过程:有机分子——蛋白质——原始细胞。原始细胞的进化又分为:前细胞——疑似细胞——原始细胞。那么,地球上的有机分子是哪里来的?
  • 未解知识之谜总集(求知探索系列丛书)

    未解知识之谜总集(求知探索系列丛书)

    《未解知识之谜总集》共分五章,包括人体生理之谜、趣味人体、古怪人类探秘、神奇的心理感应现象、世间奇人异事。
热门推荐
  • 无情刃

    无情刃

    盛君是一个孤儿,从小被养父抚养成人。他亲身父亲一直下落不明。他母亲在最后的生命时间里生出了他。他的养父是一个医者,从小就教盛君学医,盛君很好学。一次无意的上山采药在一个偏僻的山洞找到了一把剑,秘籍。盛君非常好奇。并每天用剑练习。最后又有高人指导。这把剑,惹来了多少杀身之祸。但是盛君总是与死神擦肩而过。最终他成为了武林界的一霸,万万没有想到是的是这把剑既然是...............
  • 天基战士

    天基战士

    战争的开端是和平,和平的结束是战争当人们沉浸在和平中时战争的祸患早已发出了枝芽,蛋糕的不公平分配是万恶的开端。为什么我们要承受不公平的分配,遥想当年秦皇汉武时的万邦来朝为何现在之能忍气吞声。既然这样那便拿起手中的武器让我们向世界宣战!!
  • 降妖笔记

    降妖笔记

    几百年前一场门派内乱,为抢夺一本降妖经书自相残杀,抢夺中,书被撕烂!拿到残卷的那几人,又开创了属于自己的门派,分四大门派,东有灭尸,西有驱魔,南有伏鬼,北有降妖。时至今日这些残卷一代代相传,最后传到了爷爷手里,可爷爷死的很离奇古怪,成为门派的掌门人就如同被下了,死咒,一般,如果找不齐剩下的降妖经残卷,都会死的很惨,于是我跟着二叔踏上这条寻找降妖经残卷的不归路!其间发生了一些闻所未闻,胆战心惊的离奇事情,足以让观者惊心,闻者乍舌,这条惊险的旅程将要走多久呢?听我一一道来!
  • 天机玄谜

    天机玄谜

    一个埋藏在历史长河中的天机,隐藏了无数不可思议、不可告人的秘密,引来了无数人的牺牲。四大盗墓门派,发丘、摸金、搬山、卸岭为了探寻这个天机,让后代人背负了无尽的宿命……秦皇陵地底下深处的深渊,引出了埋藏在世界各地的天机线索,一切的秘密逐步被揭开。天机,究竟是什么?
  • 塔罗女神探之幽冥街密史

    塔罗女神探之幽冥街密史

    中俄边境,幽冥街东头的圣玛丽教堂中,被神父收养的男孩频频被害,死相残忍又诡秘。幽冥街的西头,与潘小月开设的赌场有关联的人亦纷纷莫名死亡,并被做成人刺在赌坊后院示众。神父、赌坊掌柜、白化病患儿、流莺、老千……卷入案件之人越来越多!杜春晓一面手持塔罗混迹于赌场深入调查,一面与她的“老友”斯蒂芬进行着终极智慧较量。随着真相浮出水面,一段幽冥街最黑暗肮脏的岁月也被曝光无余,它影射着杜春晓的黑暗过去,也诉说着自人性转兽性的无奈与苦痛……
  • 被颠覆的命运

    被颠覆的命运

    当她一觉醒来,发现自己所认知的一切,顷刻颠覆,她将如何选择,是做她,还是他?莫蔚,一个善良柔弱、骨子里却又坚韧隐忍的现代小女子,当一夕之间,世界颠覆,究竟是真的救赎,还是新的轮回诅咒?骤然由女变男,她恐慌、她震惊、她质疑、她痛苦、她愤懑、她绝望,可她却无力改变!面对新的身份,她将如何适应?面对前身遗留的烂摊子,她将如何解决?面对她不可推卸的责任,她又将如何背负?面对命运的戏弄,到底是反抗到底,还是顺应时势,她犹豫了,踟蹰了,挣扎了……穿越千年时光,当她变成他,且看她如何在艰难中抉择,在煎熬中跋涉成长……
  • 轻微夏天漠浅忆

    轻微夏天漠浅忆

    “姐,我好想快点长大,因为这样就可以更好的保护你啦”“小傻瓜,姐姐等你长大”他们本身名义上的姐弟,六岁那年,他被她家收养,然后爱上了这个比她大五岁的姐姐,故事掀开了一桩桩或唯美、或辛酸、或痛苦、或绝望、或完整的结局……
  • 闪婚之小妻难养

    闪婚之小妻难养

    相爱三年的男友,竟然当她的面向姐姐求婚!亲妈亲弟弟,为了家族钱财,竟然对她弃之敝履毫不留情!以为这样就能将她踩在脚底,鄙夷耻笑么?错!坐着劳斯莱斯,挽着冷峻男伴,精致礼服加身,特种部队开道!华丽逆袭,璀璨回归!
  • 刑事侦查心理学

    刑事侦查心理学

    该书作者在潜心犯罪心理学等学科教学研究二十多年的基础上,近四五年来同武伯欣教授一道或带领学生,将理论研究应用于侦破实践,应用犯罪心理分析与测试技术,协助各地公安机关等部门,侦破了不少重特大疑难案件,从而在此基础上将理论研究与侦破实践相结合,并参考借鉴国内外的有关研究,撰写了《刑事侦查心理学》一书。
  • 红妆十里别暮衣

    红妆十里别暮衣

    霍明玉本是一名刑警队员,在一次追踪通缉犯时被偃晶带到古代,醒来已是欧阳家三小姐——欧阳明玉。为找回在家里的地位以及尊严,更是为自己的娘亲报酬,在一次家宴上稍有保留的展示了风采,引来各方的注意,后受到司马娇娇的挑衅,结果狠狠地把司马娇娇教训了一顿。司马娇娇一直在找欧阳明玉麻烦,后来险些毁容。李淳安听说这件事之后,虽然疑心为何欧阳明玉的性情大变,却也有些惊喜,他渐渐的不再讨厌欧阳明玉……【情节虚构,请勿模仿】