主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 48045

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2018-05-27 19:58:50
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奔波儿
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【原创翻译】第一章·欲拒还迎的革命者(1) 44

马克斯·普朗克在回顾他漫长的一生时,曾经这么写道“新的科学真理并不是靠说服反对者来取得胜利的,而是因为那些反对者都逐渐故去,而新的一代人慢慢熟悉了这种新的理论,并渐渐成长起来。”按照一般的俗套,普朗克应该“铤而走险”为自己写一份科学讣告,宣布放弃他长期以来所珍视的那些物理理论。普朗克外套深色西装,内着浆洗过的雪白衬衣,打着黑领结,看上去就像一位标准的普鲁士公务员,但是“在他硕大的额头下,有一对洞悉一切的眼睛”。他做事属于典型的老派风格,无论是从事科学研究,还是做其他事情,他都小心谨慎。“我的格言就是”他对自己的学生说:“提前仔细考虑好每一个步骤,然后,如果你觉得你能为自己的决断负责,那就冲吧,什么都甭想拦住你。”普朗克并不是一个轻易改变自己想法的人。

在整个20世纪20年代,普朗克在学生面前总是保持着一成不变的态度和仪容,正如有人后来回忆,“真让人不可思议,迎来这场革命的人居然是这个人。”的确,就是这位欲拒还迎的革命者自己也不敢相信这一事实。正如他自己所承认的,他喜欢“平稳地过渡”,而避免“未知的冒险”。他坦承自己缺乏“对于智慧火花的快速应变”,为此他经常要花费数年时间才能将新的理论与自己根深蒂固的保守思想调和在一起。在他42岁的时候,普朗克于1900年的12月提出了解释黑体辐射分布规律的数学公式,这一发现无意间点燃了量子革命。

任何物体,只要足够热,就能辐射出热量和光,其强度和颜色会随着温度发生变化。如果将拨火棍的一端放在火上烤,首先会变成暗红色,随着温度升高,会变成樱桃红,接着是亮黄橙色,最后变成蓝白色。如果将拨火棍从火上拿开,棍子会逐渐冷却,其颜色会反向变化直至不再发出任何可见光。然而这时候,棍子依旧能够释放出肉眼无法分辨的热辐射。如果让棍子继续冷却,过上一段时间,连这种不可见的辐射也将消失,人们这时就可以触摸拨火棍了。

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1666年,时年23岁的艾萨克·牛顿(Isaac Newton:1643~1727)发现,如果让一束白光通过三棱镜,白光会分解成一条七色光带:红,橙,黄,绿,蓝,靛,紫。红色和紫色是否界定了光谱或者人类所肉眼所能观察到的光线?这个问题在1800年有了答案。那一年,已经有了异常灵敏和精确的水银温度计,德国天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel:1738~1822)将这样一个温度计放在一束七色光谱前面,他发现当他缓慢移动温度计从紫光开始一直到红光,温度是一路上升的。让他吃惊的是,当他将温度计移到红光外侧一英寸时,温度继续上升。他的这一发现后来被命名为“红外辐射”(Ultrared Radiation),这种光辐射对于肉眼是不可视的。1801年,德国化学家约翰·里特(Johanna Ritter:1776~1810)利用硝酸银接触光线会变暗的特点,发现在七色光谱的另一端,即紫光外侧也存在着不可见光---“紫外辐射”(Ultraviolet Radiation)。

很久以来,陶瓷工人们就熟知,每当物件被加热到特定的温度时,就会发出特定颜色的光。1859年,德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫(Gustov Kirchhoff:1824~1887)时年34岁,他在海德堡大学(Heidelberg University)任教期间,开始着手研究这一现象。为了简化分析过程,基尔霍夫构思了一个能够完全吸收和释放辐射的理想状态的物体,也就是“黑体”的概念。他这个构思非常巧妙,因为一个能够完全吸收辐射的物体,不会反射出任何光线,所以看上去是黑色的。但是,任何一个完全释放辐射的物体只要被加热到能够释放出可见光时,其颜色可以是除了黑色以外的任意一种颜色。

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基尔霍夫所假想的黑体是一个简单的中空物体,在其外壁上存在一个小孔,可见光或不可见光辐射可以通过小孔进入黑体内部,实质上小孔就是这个所谓“黑体”的关键所在。在黑体内腔,光线在内壁上被反复反射,直至完全被吸收。另外,该黑体的外壁应该是绝热的,当其被加热时,内壁释放出辐射,并充满黑体整个内部空间。

开始的时候,内壁就像一个烧红的拨火棍一样,呈现为樱桃红色,但实质上呢?这个时候,真正释放的能量主要是红外辐射。接着,当温度继续上升时,内壁变为蓝白色,辐射波长将覆盖红外线到紫外线整个光谱范围。这时,小孔就成为一个完美的辐射释放体,因为,通过该小孔可以采样到当前温度下黑体内部所释放的所有波长的辐射。

基尔霍夫在数学上分析了陶瓷工人们在陶瓷窑中观测到的辐射现象。根据基尔霍夫定理的描述,黑体内腔的辐射频段和强度与黑体的构成材料无关,也与其形状和尺寸等其它因素无关,而仅仅取决于温度。就这样,基尔霍夫非常巧妙地将拨火棍问题简而化之---在某一特定温度下,黑体所释放的辐射光谱的频段与其强度之间有什么关系?在该温度,黑体所辐射的能量为多少?这就是著名的“黑体问题(Blackbody Problem)”。为了找到这个问题的答案,基尔霍夫及其同事需要完成大量的工作,包括测定黑体辐射从红外线到紫外线各个波长上的能量大小和频率范围,以及推导出温度与能量之间的关系式。

这一假想的黑体实际上是不存在的,尽管基尔霍夫无法通过做实验来推进自己的研究,但他却给物理学家们指出了一条正确的道路。他假想中的黑体的物理特性与其构成材料无关,也就意味着用以描述其特性的数学公式只应该包含两个变量,即:黑体的温度和其所释放的辐射的波长。因为过去大家认为光是一种波,所以想区分出不同的颜色和色调,只需要知道其波长,也就是相邻波峰或者波谷之间的距离。波的频率被定义为一秒之内,经过任一个固定点的波峰或者波谷的数目,因此频率是与波长成反比的。波长越长,则频率越低,反之亦然。但是,还有另外一种等效方法可以测定波的频率,也就是一秒之内,波上下起伏(波动)的次数。

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要想构建一个真实的黑体,存在很多难以克服的技术障碍,另外,当时也没有能够足够精密测定辐射能量的仪器,导致物理学家们在其后四十年之内举步维艰。这种停滞一直持续到十九世纪八十年代,当时德国公司想研制一种更加高效的电灯泡,以击败他们的英美竞争者。而想实现这一目标,有一个前提条件,就是需要测定黑体的光谱,并找到基尔霍夫设想中的方程式。

在电器工业迅猛发展的年代,人们创造了一系列新发明,包括电灯、发电机、电动马达、电报等,而这一长长的列表上最后一个就是白炽灯。随着这些新发明不断涌现,人们普遍而迫切地感到有必要设定一套电学单位和标准。

1881年,来自22个国家的250位代表汇聚在巴黎,参加第一届国际电学单位制定大会(International Conference for the Determination of Electrical Units)。包括伏特、安倍等单位先后被与会者定义和命名出来。但是,在亮度这一重要指标上,大家没有达成一致意见,这对节能照明设备的生产产生了不利影响。在任一温度下,黑体均为最佳的光能释放体,它(在理论上)能够通过消耗最少的热能来释放出最大的亮度,因此是用以标定和制造电灯泡的最佳参照。

作为工业家和电动机的发明人,维尔纳·冯·西门子(Werner von Siemens:1816~1892)写道:“在这场国与国之间的激烈竞争中,最先下手并能最先投入生产的国家就能一掌乾坤。”为了独占鳌头,德国政府在1887年建立了Physikalisch-Technische Reichsanstalt(PTR),也就是“皇家物理技术研究所”。西门子在柏林郊区的夏洛腾堡(Charlottenburg)捐出一块土地,建在这儿的PTR被视为德意志帝国与英国和美国一较高下的法宝。经过十年以上的修建,PTR全部建筑群才完工,而PTR也成为世界上装备最为优良也是最昂贵的研究所。它的使命就是通过发展各种标准和测试新产品,帮助德国站在科学应用的最前沿。制定一个能得到国际上广泛承认的亮度标准成为PTR优先考虑的使命。在十九世纪九十年代,PTR开展黑体研究的驱动力就是发明一只更好的照明灯泡。这一研究导致了一个人在无意间发现了量子,这个在正确的时间和正确的地点出现的正确的人就是普朗克。

第一章·欲拒还迎的革命者(2)


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