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主题:【原创翻译】《量子》----第一部·量子 -- 奔波儿

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家园 【原创】《量子》----第一章·勉为其难的革命者(7)

维恩的发现说明如果通过测量波长的峰值(即某一温度下最强辐射的波长)算出该常数,就可以反过来通过测量温度得到峰值波长。另一方面,维恩的公式也可以用来解释拨火棍烧红以后其颜色随温度变化的现象。当温度较低时,拨火棍释放的是主要是自红外线开始的长波长辐射。随着温度的升高,其释放的辐射的峰值波长会变短,也就是说会逐渐向短波长“移动”。相应的,拨火棍的颜色从红色慢慢变成橙色,然后是黄色,最后变成了蓝白色,这时在可见光谱以外还存在着紫外线。

作为一名出色的理论家同时又是经验丰富的实验员,维恩迅速地使自己成为物理学家这一濒危物种中的一员。需要说明的是,维恩是利用业余时间发现的这一位移定律,而且是在未得到PTR的出版许可前就以私人通信的名义发表了论文。当时,维恩在PTR的光学实验室工作,是奥托·努玛(Otto Lummer:1860~1925)手底下的一名助理实验员,他日常工作就是为黑体研究做一些试验。

他们的第一个任务是造一个光谱仪,这个仪器将被用来对比不同光源(例如:煤气灯,电灯)所释放的光强度,即在一定波长范围内所释放的能量大小。1895年的秋天,努玛和维恩发现了一个新的改进型中空黑体,可以将其加热到恒定的温度。

白天,维恩和努玛在实验室研发黑体,到了晚上,维恩继续待在实验室琢磨基尔霍夫那个能够预测黑体辐射的方程。1896年,维恩发现了他的公式,汉诺威大学的弗里德里希·帕邢(Friedrich Paschen:1865~1947)用其收集的黑体短波长能量数据证实了公式的准确性。

同年6月,维恩发表了自己这一关于能量辐射分布的定律,并同时也离开了PTR,在亚琛技术学院(Technische Hochschule in Aachen)谋了一个助教的位子。凭借他在黑体辐射上的这一发现,维恩最终于1911荣获了诺贝尔物理学奖,但当时他的离去却给努玛留下了繁重的工作,因为努玛需要做更多的测量,以在更高温度和更广范围内进一步验证维恩的公式。开始是与费迪南·考尔鲍姆(Ferdinand Kurlbaum:1857~1927)后来是与恩斯特·普林斯海姆(Ernst Pringsheim:1859~1917)合作,努玛花了两年时间,最终于1898年研发成功一种用电加热的黑体,这种设计方式极富艺术想象力。该黑体能够被加热到1500摄氏度,这是整个PTR花费十多年苦功才修得的成果。

努玛和普林斯海姆将测量的结果画在图上,其纵坐标为辐射的强度,横坐标为辐射的波长,他们发现随着波长增加,辐射强度逐渐上升到峰值,然后开始下降。黑体辐射的能谱曲线看上去就像是海豚的背鳍。温度越高,辐射强度变化就越剧烈。另外,这一曲线还显示出随着温度的上升,峰值的波长向紫外线的方向移动。

1899年2月3日,努玛和普林斯海姆在德国物理协会的会议上报告了他们的结果。努玛对包括普朗克在内的与会的物理学家们宣布,他们的实测结果证实了维恩位移定律的正确性。但是,这一定律背后到底反映出什么呢?不清楚。尽管总体上实测结果与理论值吻合较好,但是在频谱的红外区域存在着误差。原因之一可能是实验误差,但要真正解决这个问题,还需要继续做实验,看看更广范围的波长和温度下结果何如。

在三个月的时间中,帕邢对努玛和普林斯海姆实验中所没有覆盖的低温区域进行了测试,他发布的观测结果也证实了维恩定律的正确性。普朗克对此深感振奋,他在普鲁士科学院的会议上宣读了帕邢的论文。维恩定律给普朗克留下的极深的印象。对普朗克而言,探寻黑体辐射的能谱分布背后所隐藏的理论实质上就是寻找统治大自然的绝对真理,“因为我一直认为科学研究的最高境界就是探求自然的绝对真理,所以我有些急不可耐了”。


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