關於蒲朗克的量子化假說一些故事

2021-06-26 23:32:41 字數 2446 閱讀 9291

對「任何實驗現象的歸納必須事先帶有某種假定」的反駁

關於蒲朗克量子化假說,要從黑體輻射談起。所謂黑體,就是指對電磁波只吸收不反射的物體,實驗室以空腔的開口做為黑體的模型。只要空腔裡面的形狀夠複雜,從開口處入射的電磁波會在空腔內多次反射最終被吸收,而不會反射出去。

(注意:這裡的黑體指的是空腔的那個開口,而不是空腔

)。黑體的熱輻射在

19世紀下半葉是乙個有趣的研究領域。從眾多輻射資料可以總結

出一條規律,那就是黑體輻射與溫度有關,而與空腔材料無關

在紛繁複雜的實驗資料中,維恩首先發現了黑體輻射的乙個規律:以輻射波長為橫座標,以輻射強度為縱座標,做乙個黑體輻

射的曲線,這個曲線有乙個最大值,即在某乙個波長處,輻射強度最高,此波長的兩邊,輻射強度都是下降的,我們把輻射強

度最大的波長稱為

「最大輻射強度波長」。

黑體處於不同的溫度下,輻射曲線不同,但有乙個共同的規律,那就是隨著溫度的

公升高,最大輻射強度波長會逐漸往短波長方向移動。

通過對實驗資料的擬合,維恩發現溫度跟最大輻射強度波長的四次方成反比,這就是著名的

維恩位移定律

(這是乙個經驗規律

)。維恩並沒有滿足以此,同時維恩不愧是

資料處理的超級高手

,他根據黑

體輻射的實驗曲線,資料擬合出乙個輻射公式,物理學史上稱之為

維恩經驗公式

(經驗公式的含義,就是該公式不是以理論維基

礎匯出,而是純粹根據實驗資料做數學擬合而得出的

),這個公式在短波區跟實驗吻合非常理想,而在長波區則有一定的偏差。 而

瑞利-金斯

則根據經典物理學理論,匯出了黑體輻射的理**式,這個公式在長波區跟實驗比較接近,但在短波區連走勢都不同。前面說過,實驗現象是最大輻射強度波長兩邊輻射強度都是下降的,而

瑞利-金斯公式表明,輻射強度在短波區則是繼續增加的!!!

由於走勢的完全不同發生在紫外區,所以物理學史上稱之為

紫外災。

蒲朗克-我們的主人翁這時候登場了,他綜合維恩經驗公式和瑞利金斯公式的特點,「湊」

出乙個新的公式

(沒錯,他就是湊的

),這個公式可以兼具兩個公式的優點。蒲朗克在

2023年10

月19日在德國

的一次物理學學術會議上公布了這個公式,另一位做黑體輻射的哥們--

魯本斯正好在這個會議上,他正好大幅度提高了測量精度,手上有最新的實驗資料還沒公布,於是當晚他拿蒲朗克的公式跟自己的最新實驗資料一對照,發現符合得太完美了!於是他第二天激動的通知了蒲朗克。

這時候的蒲朗克公式還沒有理論依據,由於符合得太過完美,使得蒲朗克下定決心:

「不惜一切代價,一定要找到理論依據。」!!

經過蒲朗克兩個月的努力,他發現湊乙個

量子化假設

(假設輻射的能量不是連續的,而是乙份乙份的輻射

),根據

經典熱力學與

統計力學的能量均分定理

,可以匯出他的公式,他於

2023年12

月份就報道了這一結果。而量子化假設嚴重偏離了經典物理;因此,這一假設提出後的

5年時間內,沒有引起人的注意,並且在這以後的十多年時間裡,蒲朗克很後悔當時的提法,在很多場合他還極力的掩飾這種不連續性是

「假設量子論

」,並且做了近

7年的努力希望把這一假設給消滅掉!!

5年後愛因斯坦用

光量子化假設

解釋光電效應的時候,蒲朗克還是堅定的反對者之一,並且調侃愛因斯坦是

「在思辯中迷失了方向」。

(這一調侃的背景,是愛因斯坦自己並不做實驗,但特別會分析別人的實驗結果。其中最轟動的是愛因斯坦推導出

布朗運動的平均自由程公式

,使得布朗運動成為了

波爾茲曼分子運動論

的實驗支援,布朗運動比分子運動論要早幾十年,連波爾茲曼最絕望的時候都不認為布朗運動是他運動論的實驗支援,

直到愛因斯坦超人的「思辯

」,不過那已經是波爾茲曼因絕望而自殺的第二年了)。

從這個例子我們看到,維恩位移定律,維恩經驗公式都是基於實驗事實的總結歸納,而得到的

純經驗公式

。就連提出

量子化假說的蒲朗克

,也是對實驗資料

(以維恩經驗公式為代表

)和現有理論綜合湊出來的蒲朗克公式。量子化假說的提出,並不是如步兵宣稱的

「任何實驗現象的歸納必須事先帶有某種假定

」,而是先得到公式,因為公式跟實驗符合得太完美,蒲朗克為了對得起這麼完美的符合,誓死找理論支援的過程中,被逼出來的假說。而且,

這麼天才的假說提出者本人,在其後的

10多年內,都是極力反對的!!

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