新的科学真理不是靠说服反对者,并使他们看到光明而获胜,而主要因为反对者终于死去了,熟悉这一真理的新的一代成长了。 ——普朗克,量子物理的奠基者 瑞利的黑体辐射公式是根据经典物理学的理论推导出来的。根据经典电磁理论,当一个带电粒子以频率ν振动时,它就会发出这个频率的电磁波,所发射的电磁波的能量取决于振动粒子的振动幅度,可以取大于零的任意数值。结合经典的统计物理学理论,就可以推导出由大量振动粒子组成的系统在确定的温度下所发射的电磁波的能量密度随频率或波长的分布。所得到的结果正是瑞利的黑体辐射公式。 如果经典物理学的观念和理论是正确的,据此推导出来的公式应该与实验数据基本相符。现在,理论公式完全违背了实验事实,要么是理论有问题,要么是实验做错了。但是,几十年的实验数据的积累告诉人们,问题不应该出在实验方面。另一方面,经典电磁理论与经典统计物理学理论在解释许多自然现象方面也卓有成效,人们不愿意相信这些理论是错误的。那么,问题究竟出在哪里呢?理论公式与实验数据相背离,给经典物理学的观念和理论带来了强烈的冲击,人们感到,经典物理学出现了重大的危机。由于这个原因,后来人们常常把由瑞利公式带来的无穷大称为紫外灾难。在科学发展的历史中,理论与事实相背离往往是新的科学思想出现的契机。由于用经典物理学的观念和理论推导出来的公式与实验数据完全矛盾,而普朗克的经验公式却与当时最精密的实验数据完全一致,这使人们意识到,在普朗克公式的背后一定隐藏着一些尚未被知晓的科学原理。1900年整整一年,普朗克都在思考这个问题。最终发现,只要做一个很简单的假设,就能够轻而易举地从理论上推导出他的经验公式。 这个假设是这样说的:一个以频率ν振动的带电粒子只能按照能量等于ε=hv的整数倍一份一份地吸收或者发射频率为v的电磁波。其中h是一个常数,叫做普朗克常数,在国际单位制中,它的数值等于6.626×10⁻³⁴焦耳·秒。这就意味着,频率为ν的电磁波的能量不能取任意数值,而只能取一系列特定的允许值,这一系列被允许的数值必定是hv的整数倍。hv被称为能量量子,即能量的基本单位,它是振动的带电粒子能够将其热运动能量转变为辐射能的最小值。1900年12月14日,在德国物理学会的一次会议上,普朗克公布了他的这个想法。通常就把这一天当作量子理论的诞生日。马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858~1947),德国物理学家,主要从事热力学和黑体辐射的研究。1900年提出量子化假说,为量子物理学的发展奠定了基础。 | 
| 普朗克的量子化思想诱发了20世纪自然科学的一场重大革命,催生了物理学的一个重要分支领域:量子物理学。由于这个重大的贡献,普朗克被授予1918年度的诺贝尔物理学奖。 | |
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自从牛顿以来,人们就相信,一个粒子的能量可以取任意的、连续变化的数值。然而,根据普朗克的假说,粒子的能量只能取一组特定的允许值,相邻的两个能量允许值相差一个能量量子的能量值。这无疑是对牛顿的连续性观念的背叛。因此,当人们津津乐道于普朗克给出的公式的同时,却对他的量子化的想法噗之以鼻,认为那是胡说八道。即使普朗克本人也认为,自己的想法离经叛道,在之后的好几年中竭尽所能地要把量子概念去掉,用经典物理学的观念和理论把他的公式重新推导出来。然而,这种努力却以失败告终。没有人知道,普朗克的量子化思想是向不能纳入经典物理学框架的未知世界迈出的第一步。
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