1900年是20世纪的第一年|物理学的大厦已经建成( 二 )


一个物体之所以呈黑色 , 是因为它能吸光而不反光 。 显然 , 最黑的物体能把照射到它表面的所有光都吸收掉 , 一点儿都不反射 , 这就是“黑体” 。
最开始人们用涂黑的铂片作为黑体来研究 。 后来 , 德国物理学家维恩想出来一个更巧妙的办法来制作黑体:找一个内壁涂黑的耐热的密闭箱子 , 在箱子上开一个小孔 , 因为射入小孔的光能被完全吸收 , 所以这个小孔就是一个“黑体” 。
1900年是20世纪的第一年|物理学的大厦已经建成
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空腔小孔黑体
当时人们通过实验已得出了黑体辐射的光波波长与辐射能量之间的关系曲线 , 对于一个理想的热辐射来讲 , 这条曲线是确定的 , 只随温度变化 。
1900年是20世纪的第一年|物理学的大厦已经建成
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不同温度下的黑体辐射能谱曲线(https://www.chem17.com/tech_news/detail/2195430.html)
但是在理论解释上 , 却找不到一个合适的公式来描述这条曲线 。 物理学家们通过经典的热力学和统计力学推导出两个公式 , 分别叫维恩公式和瑞利-金斯公式 , 但这两个公式只能分别解释曲线的一半 , 都无法给出全部曲线的能量密度分布 。 经典物理学在这个问题上 , 似乎无能为力 。
到1900年 , 普朗克研究黑体辐射问题已经6年了 。 身为热力学专家 , 顶着科学院院士的光环 , 奋斗6年仍然一无所获 , 普朗克承受的压力也是巨大的 , 付出和回报似乎不成比例 , 能否取得成果还是未知数 , 难道要在这个问题上耗一辈子?
耗一辈子就耗一辈子!普朗克下定决心 。 解决一个重大问题胜过解决10个普通问题 。 普朗克知道 , 这个问题对整个物理学至关重要 。 他决定 , 无论付出什么样的代价 , 都要找到黑体辐射的理论解释 。
普朗克非常清楚 , 经典物理学是无法解决这个问题的 。 看来 , 必须要做出一些改变 , 这个改变是大是小 , 还不得而知 , 但是 , 必须迈出这一步 。
于是 , 普朗克决定抛弃经典物理的条条框框 , 先凑一个公式出来 。 不管公式的来由是什么 , 先找到一个能符合实验曲线的公式 , 然后再来寻找这个公式背后的物理内涵 。
普朗克从维恩公式入手 , 结合6年来早已烂熟于心的实验曲线 , 经过一番推敲 , 最后 , 利用数学上的内插法 , 他竟然真的凑出了一个公式 , 这个公式可以完全解释整条黑体辐射曲线 , 分毫不差!这一结果让普朗克欣喜若狂 , 但更让他紧张焦虑 , 他已经看到了希望的曙光 , 但似乎又处在黎明前的黑暗中 , 他必须找到这个公式背后隐藏的物理奥秘 , 去迎接黎明真正地到来 。
接下来的几个星期 , 是普朗克一生中最忙碌最紧张的几个星期 , 他的全部心思都花在了这个公式上面 , 他不满足于仅仅出于凑巧找到这个公式 , 他的目标是把这个公式推导出来 。 他的大脑不停地高速运转 , 日夜推算这个公式背后的秘密 , 渐渐地 , 一幅完全意想不到的图景在他的脑海中清晰起来——能量可以是不连续的吗?他不断地问自己 。
在经典物理学中从来没有人问过这个问题 , 或者说从来没有人意识到这是一个问题 。 所有人都下意识地认为能量一定是连续的 , 就像我们在数学中处理一条光滑的曲线一样 , 可以取到曲线上任意一点的值 。 但是 , 普朗克脑海中的图景却不断地告诉他 , 要想把这个公式推导出来 , 能量就必须不连续!最终 , 普朗克痛苦地做出决断 , 接受能量的不连续性 , 不管这和经典物理是多么格格不入 。
1900年12月14日 , 在柏林科学院的会议上 , 普朗克宣读了题为《黑体光谱中的能量分布》的论文 , 在这篇论文中 , 他提出了石破天惊的能量量子化假设:电磁辐射的能量不是连续的 , 而是一份一份的 。 他将这一份一份的能量单元称为“能量量子” 。 从此 , 量子理论正式诞生了 。