普朗克关于Wien定律的工作
W.Wien的上述工作很快得到实验的肯定。“Wien位移定律”的有效性在直至4000
的条件下未受到任何怀疑[4]。自1897年起,普朗克[5]着手探求其更严格的理论基础。
Max K.E.L.普朗克1858年4月23日生于德国基尔城一个大学教授的家庭里。在大学中,随K.T.Weiestrass、G.R.Kirchhoff和H.F.von Helmholtz学习数学和物理。在此期间,他还自学了R.Clansius的《热力学》,这给予他日后的工作以巨大的影响。他尽可能独立地研究这部著作,“直到我自己能说服自己为止。”1879年7月28日他以关于热力学第二定律的研究获慕尼黑大学哲学博士学位,次年6月14日再以热力学研究获venia legendi(学位)。在后一研究中,他引用了熵的概念去处理不同温度下弹性力对物体的作用问题。
1883年,普朗克的好友M.B.Weinstein翻译的Maxwell的《论电与磁》出版了,这在当时德国物理学界引起了很大的兴趣。普朗克很自然地把他关于热力学不可逆过程的研究与Maxwell的类似研究加以对比,这种对比的结果表现为他1887—88年的一系列讲演,其中明显地援用了电磁理论,尤其是H.Hertz的实验及其对Maxwell理论的简化。普朗克的这些工作,从物理学史的角度而言,构成了他1896年以后工作的先声。
普朗克对热辐射的兴趣,从晚近发现的手稿可知,起源于Tyndall的论著[6]。但不同于后者,普朗克引进了振子图景来处理热辐射的平衡问题。从Hertz的工作出发,他得到
这儿U=U(v,T)是在温度T时振子的平均能量。(https://www.daowen.com)
然后,普朗克转而从热力学角度进行研究。在他早先的工作中,他已认定,“熵增原理必须推广到所有的自然力,……不仅仅是热的和化学的过程,而且是电的和其他的过程。”[7]1899年[8],他引进了如下的辐射过程的熵的表达式
由此易得
这儿e,a,b都是常数。
引进这一猜想的具体途径可以追述如下。首先,普朗克认为,由热力学推得的Wien定律的可靠性必须予以充分重视,也就是说,任何新理论,必须包含此定律在内;其次,由电磁理论推得的(1)式uν=
v2U也无可置疑,这两点联合的结果即是U=C·vexp(-
),C和β是常量。由此式解出
,并留意
=
,积分即得普朗克所猜想的式子。
然而普朗克当时处理的途径是由相当任意地写出的熵式(2)与式(1)联立推出Wien定律的。乍一看来,这似乎是由Wien定律出发的某种循环推论。但是,普朗克所做的,是把Wien关于一个函数形式的经验性猜测变为由系统的熵变出发的一种假定,有其深刻的物理意义。他认为[9]:问题的核心不是强度公式本身,而是把它和辐射能量、频率和熵联系起来。下一步,显然是给出作出(2)式这种假定的依据。