普朗克常數簡史

2020-12-05 源科幻

1900年10月7日的夜晚,一個天才的想法在馬克斯·普朗克的頭腦中閃過,他設法解釋了熱物體輻射能量的方式。在19世紀整個後半葉,熱體發出的光的波長分布與其溫度的關係,始終是物理學的謎題之一。每個熱體發出光,並且當溫度增加時光的特性改變。我們熟悉可見光區域的光,相應於彩虹的顏色,但發生的波長也可以太長或太短,以致人眼看不到。比紅色光線波長還要長的光叫做「紅外線」,可以用作夜視鏡。更長波長的光響應於無線電波。同樣,波長比藍色光短的光叫做紫外線,波長更短的光通常叫做「伽馬射線」。在室溫下未點燃的煤塊發射的光在光譜的紅外部分。但是,如果我們把它扔到火爐中燃燒,它將開始發出紅色光。這是因為當煤炭溫度上升時,它輻射的平均波長減少,最終進入我們的眼睛能看到的範圍。這個規則是,物體越熱,它發出的光的波長越短。隨著19世紀實驗測量精度的改進,很明顯,沒有正確的數學公式來描述這一觀察現象。這個問題通常被稱為「黑體問題」,因為物理學家將完全吸收,然後又重新發出輻射的理想物體叫做「黑體」。問題是眼中的,因為它揭示出無法理解任何物體和每個物體發出光的性質。

普朗克在他就任柏林理論物理學教授前,一直在熱力學和電磁學領域努力思考這個問題和相關的問題許多年。在普朗克到達之前,這個職位是給玻爾茲曼和赫茲的,但兩人都拒絕了。對普朗克來說這是幸運的,由於柏林是黑體輻射實驗研究中心,普朗克所潛心進行的實驗工作對他後來的理論成果起到了關鍵的作用。物理學家與同事之間有廣泛的和隨意的交談時,他們往工作得最好。

我們能清楚地記住普朗克發現的日期和時間,是因為1900年10月7日星期日,他和他的家人與同事海因裡希,魯本斯共度了一個下午。在午餐時,他們討論了到目前為止解釋黑體輻射細節的理論模型的失敗。到了晚上,普朗克寫下一個公式,用明信片寄給魯本斯。最後證明這是一個正確的公式,但它的確是非常奇怪。普朗克在嘗試了他能想到的一切之後,把它描述為「一個絕望的行為」。真的不清楚普朗克是怎麼想出他的公式的。亞伯拉罕·派斯在他寫的卓越愛因斯坦傳記《上帝是不可提摸的》中寫道:「他的推理是瘋狂的,但他的瘋狂具有神的智力,是只有最偉大的過渡人物才能帶來的科學。」普朗克的建議是令人費解的和革命性的。他發現只有假定發出光的能量是由大量較小的能量包組成,才可以解釋黑體的光譜。換句話說,總能量是用一個大自然的新的基本常數為單位量子化的。普朗克稱此為「作用量子」。今天,我們稱它為普朗克常數。

普朗克公式的實際意思,雖然他當時沒有認識到,光總是取能量包或量子的形式

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    普朗克常數定義了我們宏觀實在物理學的尺寸級別,指引了通向奇異量子世界之路。而且微觀世界的量子表現能在宇宙的各種尺度觀測到。實際上,只需要測量陽光的顏色,就能觀測到這種量子表現的效果。甚至還能藉此測量普朗克常數。
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    本文大致分為兩個部分,第一部分按照歷史發展的順序簡單回顧普朗克常數的提出和量子力學的發現過程,第二部分按照個人理解簡單介紹普朗克常數在物理學框架中的地位或意義。希望能滿足對量子物理了解程度各不相同的讀者。
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  • 普朗克常數首次測出:最新版瓦特天平 NIST-4 立功
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