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2020-01-01 08:46:43

「m8游戏」科技日历 | 一次“打脸”引出的诺贝尔奖,开辟了物理学的新时代

m8游戏,1918年12月10日,第一次世界大战的滚滚硝烟依然飘扬在空中,全球科学界的目光却聚焦在了一个中立的小国。当天下午,诺贝尔颁奖典礼正式在瑞典首都斯德哥尔摩的蓝色音乐厅举行,瑞典国王亲自将印有诺贝尔浮雕像的诺贝尔物理学奖章交到马克斯·普朗克手上,作为他“颠覆”物理学旧世界的表彰。

故事还要从一场著名的“打脸”说起。

19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂,大家共同推举英国著名物理学家、“开尔文勋爵”威廉·汤姆生发表新年祝词,于是他说出了那段至今仍为人津津乐道的论断:“19世纪物理学大厦已经全部建成,今后物理学的任务只是修饰和完美这座大厦。”

当时他说这番话的依据是,19世纪提出的三大物理学理论体系——经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学已经几乎完美地解释了地球上万事万物运行的规律。物理学家们相信,这个世界的基本原理几乎已经被人类所掌握。

当然,他当时也提到,物理学“美丽而晴朗的天空”还飘浮着“2朵乌云”。后续的事实证明,正是这2朵小小的乌云,最终酿成了一场大风暴,颠覆了经典物理学体系。

当时他说,“第1朵乌云”和“光的波动理论”有关,源于迈克尔逊-莫雷实验结果推翻了当时流行的以太漂移学说;“第2朵乌云”和麦克斯韦-玻尔兹曼理论有关,指的是“黑体辐射”理论。

最终,第1朵乌云演变出了相对论,第2朵乌云变成后来的量子力学,新的力学体系将物理学带进了崭新的量子时代。

而普朗克之所以能成为新物理学大厦的奠基人,一是历史的行程到了这一阶段,另一方面,其个人奋斗也是非常重要的。

普朗克自幼家室良好,曾祖父和祖父都是哥廷根的神学教授,父亲是法学教授,叔叔也是哥廷根的法学家和德国民法典的重要创立者之一,可谓书香世家。有了这一基础,他在中学时能接触到先进的科学知识,并被数理吸引,就不足为奇了。

不过在大学的时候,他在学习物理方面曾经遇到“阻碍”。事实上,当时和开尔文勋爵持同样观点的人不少,其中就包括普朗克的老师。他慕尼黑大学的物理老师p.约里曾劝他不要学纯物理,认为“理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度”。

他的另一位老师、柏林大学的g·基尔霍夫也表示“物理学已经无所作为,往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已”。

但是普朗克有自己的坚持,他回复称自己“并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础”,并把目标放在了“黑体辐射”上。

众所周知,任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。

例如在锻造过程中,随着温度升高,金属会发光,而且在不同温度时发光的颜色有所不同,从物理角度上看就是温度不同时铁块发出的光——电磁波的一种——的频率和强度都有所不同。这种电磁波的特性和物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射。

而黑体就是对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体,也就是真正“黑”的物体。这种物体现实中并不存在,之所以将其构想出来,科学家们是为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律。而之所以要研究这个,又是来源于第二次工业革命之后人们制造照明设备的需求。

然而,就是在对黑体研究的过程中,科学家们发现,经典物理学失效了。当时和黑体辐射实验最相近的公式是瑞利-金斯定律,在波长较长时,这个公式的结果基本上可以贴合实验结果。然而接下来,随着频率上升,黑体辐射会持续上升,直至趋近放出无穷大的能量,这显然是不可能的。

由于这条公式是在短波区出现了巨大且无法解决的偏差,短波区即紫外区,奥地利物理学家保罗·埃伦费斯特将其称作“紫外灾变”。光从这个名字,就能看出这件事在物理学界的重要性。

在此之前,德国物理学家威廉·维恩曾提出过维恩位移定律,这一定律在高频短波区高度吻合试验数据,然而在低频部分又彻底失效了。这难倒了整个物理学界。

不过,普朗克实际上在1900年就提出了正解。在一篇只有3页纸的论文中,他阐述了一种全新的思想:“物质辐射或吸收的能量根本不是连续的,而是分成一份一份进行的,计算时只能取某个最小数值的整数倍。”

他给这个最小数值取名“能量子”。

有趣的是,由于这个新理论对经典物理学进行了彻底的颠覆,过于惊世骇俗,不仅物理学界前期对其并未重视,普朗克本人也不太有信心。在很长时间内,他只把“量子化”理论当作“权宜之计”,还试图从经典物理学中寻求解释。

不过,随着经典物理学的持续失败,后续研究陆续发现,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善,最终量子力学体系得以确立。

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