黑體輻射原理的發現

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黑體輻射原理的發現

「普朗克是一位保守的物理學家」，人們常常這樣評價。

這樣一個保守的物理學家，是20世紀傑出的自然學者之一，如果以重要性而論的話，繼伽利略與牛頓、愛因斯坦之後，開啟物理學新時代的正是普朗克。

在18世紀末，很多科學家沒有意識到原子的存在。到了19世紀中期，人們得到了原子的重量，但是無法對原子觀測。

還有一個實際困難，即如果原子組成物體，那麼無限細分物體的觀念就要受到限制，而原子的自由度也要受限制，不然就會出現即使是尋常的溫度升高也需要無限大的能量。為了解決這樣的問題，很多理論在經典力學與電磁理論下謹慎地說明了一些現象，沒有脫離人們的傳統認識。

然而，有一個問題卻久久地困擾著人們。

這不是一個原子問題，而是一個古典的熱力學難題——黑體輻射。

1893年，威廉·維恩提出一個數學公式。這種公式在光譜的短波部分使測定值與計算值完全相一致，然而用在中波和長波部分卻無效。

1900年，英國物理學家為長波找到了一個規律。瑞利根據經典統計力學和電磁理論，推導出黑體輻射的能量分布公式，這個數學式子適用於長波，在短波部分卻是無窮值，可相反的是，實驗結果是零。

這個反差強烈的嚴重問題，被稱為「紫外災難」，因為紫外線是長波、中波與短波的分界波。

黑體輻射原理的發現

所謂黑體輻射，就是熱學中一種對加熱物的輻射研究。這種輻射具有較長的紅外線到可見光在內的很寬的波長範圍，是許多物理學家感興趣的地方。

人們提出一系列問題：輻射的能與溫度相關嗎？輻射是平均分布在整個波譜範圍內的嗎？波譜的某些部分能量是否有多少的區別呢？

經過精密的測量，科學家發現，在波譜的一條窄帶上輻射能量達到了最高值。人們用曲線描述輻射與波長的關係，精確的圖形得出之後，就是為圖形找到合適的教學描述了。上面兩個數學公式就是想表達曲線的走向，然而全部能量分布的表達方式卻始終找不到。

於是，普朗克開始著手研究這個問題。

1900年，馬克斯·普朗克用拼湊的方法，得出一個適用於長波和短波的公式。但是他仍沒有弄清這樣做的理論原理。他說：「它開始時只有一個意義，即可能是被猜對了的一個定律，我後面的工作就是找出真正的物理意義。」

普朗克假定物體的輻射不是連續變化，而是整數倍跳躍變化。要是這個前提滿足了，則一切問題就可以迎刃而解了。

他先引入一個不變數，就是普朗克常數。能量是一份一份以能量包的形式傳遞的，普朗克常數是能量和時間的乘積。加熱體的輻射始終只能以這一常數的整數倍進行。

能量的傳輸是一份一份的，不是平穩和連續的，這一份，普朗克命名為guanta，出自拉丁詞guantum，意為「量」。

量子理論的基本思想就是這麼簡潔。能量是以各含「多少」能量的粒子或粒子束的形式來傳導。用一個通俗生動的比喻即能量不是水管裡流出來的持續水流，而是從機關槍裡射出的子彈，每一個子彈裡包含若干小粒。

黑體輻射原理的發現

1900年12月14日，普朗克向柏林物理學會闡明了輻射公式。量子論正式誕生。仍然如原來提出的原子學說一樣，普朗克將最小的不可分的能量塊稱為「量子」，也就是「能量子」。多少年來，在經典物理學的觀念裡「自然界是不會跳躍」的，自然現象是連續的。這是力學、熱學和電磁場等都證實了的基本規律，微積分正是基於這種連續性思想的數學方法。

1918年，普朗克獲得了諾貝爾物理學獎，他在領獎大會上談到：「如果作用量子僅僅是個虛構的量，那麼輻射定律的全部推論在原則上也就是幻覺，僅僅是毫無內容的公式遊戲。與此相反，假若輻射定律的推導是建立在真實的物理思想基礎上的，那麼作用量子必然要在物理學中起重大作用。作用量子的出現宣告了前所未聞的嶄新事物，自從萊布尼茨和牛頓創立微積分以來，我們的物理思考便建立在一切因果關係都是連續的假設上，看來新事物要徹底改造我們的物理思考了。」

儘管實驗證明了普朗克理論的很多預言，但是這個奇特的思想仍然得不到公認。因為普朗克對於給定顏色的光波，是用每秒鐘的振動次數（頻率）乘以普朗克常數來計算能量的，人們認為他「用一個不可理解的假設——光波由振動產生，『解釋』了一個無法理解的現象。」

量子假說與人們幾百年來的觀念不符，連普朗克本人也在一片反對聲中沒敢向前走，甚至放棄了繼續深入運用量子理論。

他曾經致力於將量子（作用量子）納入古典物理學範圍，但是毫無成效。

普朗克後來回憶說：「我想以某種方式把作用量子納入古典理論的徒勞工作佔去了好幾年時間，耗費了我許多勞動。某些專業同行把它當作一種悲劇。我對此持不同意見，因為我認為通過這類澈底澄清而得到的收穫是更為寶貴的。現在我了解到作用量子在物理學中所起的作用比我原先所設想的要大得多，從而充分理解到在處理原子問題時採用全新的觀察和計算方法的必要性。」

黑體輻射原理的發現

愛因斯坦在1905年的論文中就有一篇是以普朗克的理論為基礎的，後來沿著他們的思路和角度，出現的是量子力學一個又一個輝煌的名字：波爾、德布羅意、海森堡、薛丁格、狄拉克。

儘管作為先驅者的普朗克由於動搖而沒能用充足時間深入研究，而愛因斯坦堅持自己的理念最終遠離了熱鬧的量子力學，甚至成為量子力學的反對者，但是從相對論到量子力學一個又一個的觀念被打破，一個又一個的迷惑隨解隨生，量子論也日益呈現了巨大的理論價值和迷趣。