普朗克如何得出黑体辐射定律?

作者: Brandon R. Brown

来源: 返朴

发布日期: 2021-09-12 08:00:00

德国物理学家普朗克在解释黑体辐射曲线时得出普朗克定律,标志着物理学进入量子时代。普朗克通过引入量子概念,成功解释了黑体辐射的规律,奠定了量子论的基础,尽管他本人最初是经典的拥护者。

德国物理学家普朗克在解释黑体辐射曲线而得出普朗克定律,从此物理学进入了量子时代,因此普朗克也被公认为“量子理论之父”,尽管他本人在当时仍然是经典的拥护者。作为20世纪最伟大的物理学家之一,普朗克拥有杰出的学术成就,不仅是奠定了量子论的基础,更是热力学领域大师,对“熵”等概念的理解超越所处时代。

但同样作为一个爱国者,他的一生是复杂的,在纳粹当政时,他坚定地支持了爱因斯坦,资助受迫害的犹太科学家;但也曾在一战时期签下德国为侵占比利时辩护的《文明宣言》。而在漫长的一生中,普朗克更是遭遇过诸多不幸。对于一位人类文明史上的重要人物,普朗克的研究及其本人需要学习和解读。《普朗克传:身份危机与道德困境》正是这样一本著作,本文仅节选于普朗克职业生涯的一个短暂的节点,只是众所周知现代物理学发展的里程碑。

普朗克的急剧转变发生在1894年,是年他从一位坚定却谈不上杰出的物理学家变成被庄严载入史册的马克斯·普朗克。他之前的教授与朋友亥姆霍兹提名普朗克成为柏林科学院的正式成员。亥姆霍兹称时年36岁的马克斯“为物理学做出了重大的贡献”。亥姆霍兹写道:“最为瞩目的是,他在物理化学领域取得了成就,没有像化学家那样可悲地依赖着原子的概念。

”普朗克使用纯热力学,假定只有连续物质(没有颗粒或原子),并以纸笔计算来探讨纯粹的热力学——从相变到流体导电行为的一切。直到1894年,他的整个职业生涯都在热力学领域的研究上,尤其对热力学第二定律和熵格外执着。普朗克把自己的全部注意力都转移到了黑体辐射的神秘而普遍的曲线上,他将其视为热力学与新力学的完美战场。由于物体发出的光的亮度和颜色恰恰取决于温度,所以热力学将是关键。

他还需要一些玻尔兹曼和麦克斯韦的新方法,黑体中的分子涉及某种统计学事实,它们的能量和振动情况不同,但却通过某种方式产生精确的发射光光谱。普朗克的谐振子各自具有一个固有频率,这就意味着每个谐振子能够且仅能与各自对应的某一种色光作用。普朗克的目的是要把抽象的电子谐振器先吸收光,再把光发射到空腔的过程建模。他以此为主题的第一次演讲是在普鲁士科学院进行的,题为《吸收与发射》。

他希望通过计算出的最终辐射光谱能够与观测到的实验测量值相匹配的同时,还能证明光谱最大化了空腔的熵,从而证实并支持热力学第二定律。1900年的秋季见证了两位德国“威廉”的离世。8月,在工人领袖威廉·李卜克内西去世后,超过10万名工人在柏林的街道举行了庄严的默哀游行活动,工人阶级自此出现。

即使在皇帝谴责李卜克内西是德国公敌的情况下,这次被称为“沉默钢铁”的游行仍冷却了这座城市,且令当时巨大的阶级分化浮现出来。及至9月,另一位与马克斯关系密切的“威廉”也去世了,他就是马克斯的父亲,在慕尼黑去世。在慕尼黑料理完丧事以后,普朗克回到柏林继续他安排得满满的讲课。在他父亲刚刚去世的几周里,普朗克的头脑中顿悟闪现。这次灵感突现是发生在他回到柏林的办公室路上?是在一次讲课的时候?

甚至是在他自慕尼黑回柏林的火车上?不论哪种情况,总之普朗克清晰地看到了大自然一直以来渴望揭示的数学形式。这种优雅的形式打动了他,他写出了一个新公式,似乎可以避免维恩早先猜想中出现的问题。1900年12月,他提出了自己的新证据和新理论。从历史上看,物理学家认为这标志着量子论的诞生。据报道,他的听众对此不以为意,他们很难跟上普朗克的思路,穿过他那崭新的数学之林。

为了得到这个“十月等式”,马克斯把谐振子的能量划分为相等的小份额:“无论如何,我们采取这种看法——并且这是整个计算中最重要的一点——认为(能量)E是由一些完全确定的、有限而又相等的部分组成。”一旦他把谐振子的能量当作一组袜子、卡片或分子这样分离的物体来处理,那就能用1877年玻尔兹曼的方法,在一条康庄大道上,向新的黑体公式进军。

UUID: 835389f6-f3c8-4243-9bfd-360a90b9ae9a

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/返朴公众号-pdf2txt/2021/返朴_2021-09-12_​普朗克如何得出黑体辐射定律?丨展卷.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0104 元