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h是什么?

不难看出“紫外灾难”是怎样解决的。对于很高的频率,辐射的一个能量量子很大,根据统计力学方程,仅有很少的振子具有这么高的能量,因此,只有很少的高能量子被辐射出来。对于极低的频率(对应长波长),辐射的低能量子很多,但每分量子具有的能量很小,将它们全部都加起来也不太多。只有在中间的频率范围中,才会存在大量的具有中等大小的能量块,它们总和形成了黑体辐射谱曲线上一个峰。

普朗克发表在1900年12月的发现虽提出了更多回答不了的问题,但是未激励起物理界的热情。普朗克关于量子理论的早期的文章没有明确的模型(也许这正反映了他不得不在他所喜爱的热力字中引入这个理想时的疑惑)。在很长时间中许多(差不多是大多数)知道这个工作的物理学家仍将其视为数学技巧,其本身具有很少或不具有物理意义,只是一种消除“紫外灾难”的办法。普朗克自己肯定是有疑虑的。在1931年写给罗伯特·威廉·伍德的信中,他回顾1900年的工作时写道:“我认为这是一种无可奈何的事……无论付什么代价,不管多大,都必须给出的一种理论解释。” 他仍认为自己碰上了一种有意义的东西,据海森伯说,普朗克的儿子在柏林郊区的格朗纽沃德散步时,讲到他父亲当时是怎样评价自己的工作时说道:这种发现可能与牛顿齐名。

20世纪初,物理学家们沉浸于吸收包括原子辐射在内的新发现,普朗克解释黑体辐射曲线的“数学新技巧”与这些发现相比并不是至关重要的。的确,与居里和卢瑟福相比,普朗克工作的被认可所经历的时间要长得多,直到1918年普朗克才因此项工作获得了诺贝尔奖(这部分是因为对一种新理论突破的认可需花更多的时间;新发现一种新粒子或一种X射线马上就会有所轰动,一种新理论在得到全面的公认之前必须经过时间的考验及实验的验证)。普朗克的新常数h有点特别,它是一个很小的常数6.6×10-34焦耳/秒,这也难怪,因为如果它再大一点的话,很明显在物理学家对黑体辐射理论产生疑问之前就会被发现。奇怪还在于h的测量单位,能量(尔格)乘以时间(秒)。这种单位称为“作用量”,并不具有一般的经典力学特性,并没有“作用量守恒”与质量守恒及能量守恒相比拟。但是作用量具有一个特别有趣的性质,其他物理量中只有熵与它相似。一个常作用量是一个绝对恒常量,它对于时空中的所有观察者都是相同的大小。它是个四维常数,仅在爱因斯坦发现相对论之后它的意义才明确地显出来。

因为爱因斯坦是进入量子力学舞台的第二个演员,也许值得离开主题去谈谈他的相对论。狭义相对论将三维空间和一维时间放在一起看作连续的时空。以不同速度在时空中运动的观察者观察测量经过的棍子,会得到不同的长度。棍子可以认为是存在于四维时空的,当它在时间中“通过”时会在四维时空中形成一个超矩形,这个超矩形的高是棍子的长度,宽是渡越过的时间。此矩形面积的测量单位是长度乘以时间,这个面积对所有观察者来说都是相同的,虽然他们测量到的长度和时间是不一致的。同样,作用量(能量×时间)是能量四维等效量,作用量对所有观察者都是相同的,虽然他们测量到的能量和时间是不相同的。在狭义相对论中,有一个作用量守恒定律,它与能量守恒定律一样地重要。普朗克常数看来很怪,只是因为它发现于狭义相对论之前。

这也许是强调了物理学的神奇本性。1905年爱因斯坦发表的科学三大贡献中,其中之一的狭义相对论好像与布朗运动和光电效应非常不同。可是它们均组成了理论物理的框架,虽然爱因斯坦是以其广义相对论出名的,可爱因斯坦最伟大的科学贡献是其在量子理论上的工作,量子理论通过光电效应跳出了普朗克的研究工作。

普朗克在1900年的工作的革命性在于它展示了经典物理的一个极限。这个极限到底是什么并不重要。有些现象仅仅靠牛顿工作构造的经典想法不能解释,仅这个事实足以将物理学推向新世纪。可是普朗克工作的最初形式比现代解释具有更多的局限性。很多冒险故事中,英雄在最后关头在悬崖峭壁边上奇迹般地脱险了,归为一句老话:“只一……就得救了。”许多通俗读物在描述量子力学诞生故事时读来正像是在科学上一跳就脱离了危机。“在19世纪末,经典物理走入了死胡同。由于普朗克发明了量子,物理学终于得救了”。但情形远非如此,普朗克只是提到原子中的电振子可能是量子化的。他的意思是说:这些振子仅能辐射出具有特定大小的能量,是因为它们内部的某种东西阻止它们吸收或发出渐变的能量的辐射。

在伦敦银行的自动取款机就是这样做的。当我们提款时,只要是5英镑的整数倍,任何数目的钱都可以从这台机器中取出。自动提款机不能给我们这中间数目的钱(也不能给5英镑以下的数目的钱),但这并非说中间数目,如8.47英镑的钱不存在。普朗克本人并未提出辐射是量子化的,他似乎很担心量子理论的深层含意。在以后的几年里,在量子理论发展中,普朗克对它的创立做出了很多贡献,但是他一直花很大的力气试图发展出一套将这一新观念与经典物理相调和的理论。他并没有改变想法,不认为从经典物理得出的黑体辐射方程是大大地向前走了一步。他是根据热力学和电动力学合在一起导出的方程,二者均属经典理论。普朗克一心一意努力寻求量子观点与经典物理之间的调和理论。实际上表示他已从习惯的经典观点作了深远意义的转移。他的经典思想背景是那么深入,难怪量子力学的进一步的发展只能是新一代物理学家创造的。这些新物理学家并未有固定模式,又不执着于旧的观点,在原子辐射的新发现的激励下,在旧的和新的问题中寻求新的答案。 UGQkyBFCjSxcF/d1/7CyC9t81RXA1U2AY1SdPa6z/xJ5y+moFZU64FnN9GkueZ+z

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