经典物理的困境与两大难题
18~19世纪,由于物理学的蓬勃发展,几乎可以成功地解释自然界中的所有现象。由此,物理学家信心十足地宣称,物理学的大厦已经建好了,剩下的只是简单的修修补补。然而,事情并没有想象中的那么简单。仍然有两个问题,一是“黑体辐射☢️”问题,另一个则是“以太”问题。这两个问题犹如达摩克里斯之剑,高悬在物理大厦之上,实在不能令所有的物理学家安心。
维恩公式与瑞利-金斯公式的局限
早在1983年,物理学家维恩(W.Wien)假设黑体辐射☢️能谱分布与麦克斯韦速率分布相类似,得到了一个公式,后被称为维恩公式。维恩公式只在波长较短(频率较高)的地方吻合,但是波长较长(频率较低)的地方与实验结果相去甚远。
另外,1900-1905年,瑞利(Lord Rayleigh)和金斯(J.H.Jeans)用不同的方法得到了另外一个公式,后被称为瑞利-金斯公式。瑞利-金斯公式在波长较长(频率较低)的地方与实验结果相近,但是在波长较短(频率较高)的地方趋向无穷大。这一结果,完全背离了黑体辐射☢️的实验结论,又因为在波长较短的地方(紫光波长短,频率高),因此,被人们叫做“紫外灾难”。
普朗克的突破与能量量子化假说
恰巧的是,普朗克(Plank)利用内插法将两个公式衔接在了一起。说白了,就是借助数学手段,硬是凑出了一个公式,后被称为普朗克公式。这一公式,与实验的结果十分吻合。在针对这个硬凑的公式进行了深刻的思考之后,普朗克不得不放弃了一些经典物理学的观点,转而认为:①黑体辐射☢️的能量不是连续的,而是分立的。②这些分立的能量是某一最小能量ε(ε被称作能量子)的整数倍,即ε、2ε、3ε、……、nε。n为正整数,成为量子数。
因此,频率为ν(希腊字母,读作“纽”)的谐振子的最小能量为ε=hν(h是普朗克常数,h=6.626×10^(-34) J·s)。
量子观念的确立与普朗克的贡献
尽管这样不连续的假设与经典物理学的理论格格不入,物理学家认为这是是荒谬的、不可思议的,甚至普朗克本人也都难以相信,但是不连续的假设在后续更多的实验中站住了脚跟,成为了一条不证自明的定理。
由于普朗克发现了能量子,因此他成为了量子力学的奠基人,也于1918年获得了诺贝尔物理学奖。普朗克获得诺奖是实至名归的,他的发现,打破了经典力学的观念,将人类传统的思维方式砸得粉碎,解放了旧思想的束缚,助理了物理的发展!