從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》

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從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》

古典熱力學的擁護者——馬克斯.普朗克

普朗克的故事始於柏林的威廉皇帝學會物理系,就在 20 世紀到來之前。

普朗克是普魯士科學院的院士,非常保守。他沉浸在古典物理的傳統方法中,並且是熱力學的熱情擁護者。

事實上,從 1879 年(愛因斯坦誕生的那一年)發表的博士學位論文,到 20 年後他在柏林的教授生涯,他幾乎只致力於熱力學定律相關的問題。他認為熵的第二定律比一般所認為的還要更深入、廣博。

從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》普朗克想以熱力學解開黑體問題。圖/《大話題:量子理論》

黑體問題的絕對性和普遍性吸引了普朗克。看來合理的論證表明,在熱平衡狀態下,輻射強度和頻率的關係曲線應該與腔體的大小或形狀無關,也應該與腔體的材料無關。

該公式應該只包含溫度、輻射頻率和一個或多個通用常數,這些常數在任何腔體或腔體顏色下,都是相同的。

找到這個公式,就意味著在理論中發現一個相當根本的關係。

歷史已經證明普朗克的見解甚至比他所想的要深入得多。1990 年,科學家使用 COBE 衛星測量了宇宙邊緣的背景輻射(即大爆炸遺留的輻射),並發現與他的黑體輻射定律完全吻合。

從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》科學家後來發現宇宙背景輻射與普朗克定律完全符合。圖/《大話題:量子理論》

前原子時代的物質模型

普朗克知道他的朋友海因里希・魯本斯和費迪南德・科爾鮑姆的測量結果非常可靠。

普朗克首先在腔壁上引入電振子*的概念,在熱攪動下來回振動腔體壁。(*注意!此時對原子仍一無所知。)普朗克假定所有可能的輻射頻率都會出現。他也預期溫度更高時,平均輻射頻率也會增加,因為腔壁受熱會使振子振動得愈來愈快,直到達成熱平衡為止。

從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》普朗克假設頻率會隨溫度增加。圖/《大話題:量子理論》

電磁學完整解釋了輻射的放射、吸收與傳播,卻沒有說明熱平衡時的能量分布。這是熱力學的問題。普朗克做出了某些假設,找出振子的平均能量與熵之間的關係,從而得出一個計算輻射強度的公式,他希望這個公式能符合實驗結果。

普朗克試著利用歸納的方式,改變對輻射熵的表達方式,最後得出了可描述整個頻率範圍輻射強度的新公式。

從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》普朗克以歸納的方式得到了能描述整個頻率範圍的新公式。圖/《大話題:量子理論》

海因里希・魯本斯也參與了這場歷史性的研討會。他立刻回家將自己的測量結果與普朗克的公式比對。經過一整晚的努力,他發現數據與公式完全符合,隔天一早便通知普朗克。

普朗克找到了正確描述輻射定律的公式,很好。但他現在能利用這個公式,找出潛藏其中的物理嗎?

從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》普朗克的新公式能符合實驗數據。圖/《大話題:量子理論》
從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

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正文完
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