对普朗克公式的进一步分析
世纪交替的那几年,对物理学说来是怎样的多事之秋啊!Wien对热辐射的研究引导出了函数φ(
),对此的进一步分析使普朗克得出S=
ln(
)的要求,而长波段的实验结果更使这一要求扩展为
=
。为给出其物理意义,普朗克不得不提出了量子化的能量U=P∊。然而,分立的能量在经典物理学看来无论如何是太离奇了,而且h的作用量量纲也使人大惑不解。大部分人觉得,真理好像越来越远了。
但实验对普朗克的支持是强有力的,而在ν→0和ν→∞时普朗克式向Rayleigh式和Wien式优美的过渡也令人折服。将(8')与(4)作形式的对比,可知对普朗克公式有
即〈∊ν〉是v的函数。这就意味深长地指出,能量均分原理的使用肯定是紫外灾难的原因。联系到Kelvin勋爵[24]把能量均分的理论视作动力学理论上空的乌云,就更容易使人相信普朗克定律的深刻意义。
但是,A.Einstein[25]在1906年指出,普朗克的上述工作在逻辑上不自洽。因为从分立能量U=P∊导出的关于能量U的表达式(7')是借助于由Maxwell理论而来的(1)式才得到(8')。如所周知,Maxwell理论的一个基本前提是能量取连续值,而(7')由之导出的能量分立的要求显然与此相悖。困难发生在为取得(8')式的两个方向推导的联接点上,Einstein认为,这表明这危机决不会被轻易克服。
与否定能量量子化的意见相反,Einstein[26]不是要求放弃量子化的能量,而是认为必须把量子化一直推广到辐射中去,提出了光子的概念及光二象性。
然而量子化的物理图景,直至1913年N.Bohr[27]提出原子模型才逐步为人认识。进一步的研究又导致了描述上更为重大的困难,这些困难一直引导向量子力学的建立和哥本哈根解释的提出,这些研究因此构成物理学理解量子过程、探讨其认识论特征的第一次认真的尝试。
原载《华东师范大学学报》1981年第3期
[1]J.Stefan,Wiener Berichte 79(1879)391.
[2]L.Boltzmann,Wiedemannsche Annalen der Physik,22(1884)291.
[3]W.Wien,Ibid.,52(1894)132
[4]e.g.F.Paschen,Ibid.,60(1897)662,以及F.Paschen und H.Wanner,Berliner Berichte(1899).
[5]M.Planck在这方面的工作,分五次发表在Berliner Berichte上,即1.Feb.4,(1897),p.57;2.July8,p.715;3.Dec.16,p.1121;4.July7,(1898),p.449和5.May18,(1899)p.440,其摘要发表于Ann.d.Phys.1(1900)69.
[6]M.Planck阅读的是J.Tyndall《作为一种运动形式的热》(1865)的德译本(1867),由Helmholtz译。
[7]M.Planck,Abhandlungen und Vorträge,1,382.
[8]参见p.247注释2的第5篇文章。
[9]见von Laue《物理学史》,范岱年、戴念祖译,p.120。
[10]O.Lummer und E.Pringsheim,Verkandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft,1(1899)23.
[11]Ibid.,p.171.
[12]Lord Rayleigh,Phil.Mag.,Ser.5,40(1900)539
[13]J.Jeans,Phil.Mag.,10(1905)91.
[14]见DBS.12 p.12.
[15]M.Plank,同第243注释②,2(1900)202.
[16]M.Planck,Nobel Lectures,Physics,(1901—21),pp.407—18,Elserier Publishing Co.(1967).
[17]M.Planck,Nobel Lectures,Physics,(1901—21),pp.407—18,Elserier Publishing Co.(1967).
[18]M.Planck致R.W.Wood,Oct.7,(1931),这封未刊行的信今存美国物理研究院“物理学史及其哲学”中心,这儿引的汉译见R.Resnick《相对论和早期量子论中的基本概念》,许国保校,p.158(https://www.daowen.com)
[19]op.cit.W.Heisenberg,Physica and Philosophy,p.35.
[20]见DBS.12,p.12.
[21]见第246页注释②,下面的引语亦见于此。
[22]M.Planck,On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum,VDPG(同于第243页注释②)2(1900)237.
[23]Max von Laue,Memorial Address,delivered on Oct.7,(1947)at the Albani Church,Göttingen,op.cit.Scientifie Autobiography.p.10.
[24]Lord Kelvin,Phil.Mag.,2(1901)1.
[25]A.Einstein,Ann.d.Phys.,20(1906)199.
[26]Idem,Ibid.,17(1905)132,英译见AJP 33367.
[27]N.Bohr,Nobel Lectures,Physics,1922—41,esp.p.13;Idem.Phil.Mag.,26(1913)1.