[原创]宇宙的精灵（通俗量子力学史）

asd123 · 发表于 2011-10-26 22:42:59

第 91 楼等

453139594 · 发表于 2011-10-27 00:40:14

第 92 楼真是太棒了！谢谢楼主^_^

haoma · 发表于 2011-10-27 02:37:29

第 93 楼转至第90楼第 90 楼神人无功 2011/6/28 18:14:34 的原帖：谢各位朋友的鼓励支持!今晚拼了老命也要完成一节.回灌水大仙:仁兄客气了!序言里已经说了,转载就是了,只要不收我推广费就行,呵呵!上网以来,我就一直待在凯迪社区,其他的论坛我都不熟,所以只能劳驾您了.建议转载时使用伯拉图做的封面,用图的立意很准确,英文翻译很好,不过要注明设计者.谢谢啦!有鸭梨了，神人推荐必属精品。封面是书籍版式（竖向），现做一个网络版式（横向）并压缩了分辨率。=600){this.height=parseInt(this.height*600/this.width);this.width=600;this.style.cursor='pointer';}">

453139594 · 发表于 2011-10-27 04:34:45

第 94 楼（第一章）三话说维恩1895年闹意见离开了研究所，这个所一下子就失去了顶梁柱，像掉了魂似的。事有湊巧，所里一个科学家鲁本斯（H. Rubens）正好是普朗克的好朋友。当时普朗克在热力学研究领域已经是声名赫赫，因此鲁本斯很自然就想到把他请来作理论顾问。而普朗克呢，也正在致力于热辐射的研究，现在全世界最好的热辐射实验室向他开放，那不是瞌睡碰到了枕头吗？好事儿！一拍即合。普朗克对维恩的公式第一眼就不爽。他可是根正苗红的知识分子，走的是牛顿以来的经典路线，公理方法。维恩的公式则是用经验方法拼凑出来的，看公式里的两个常数就可以知道。要知道，在科学体系中，任何一个常数都是一个上帝的秘密，只有推导出来的东西才是属人的。普朗克用经典方法把维恩的公式重推一次，形式上很漂亮，但效果不行。维恩模式和瑞利—金斯模式的沦陷把普朗克推到了一个绝境。黑体辐射！基尔霍夫提出的这个问题跟普朗克的年龄几乎一样老，普朗克本人也为它从小普熬到了老普。咋就这么难捏？普朗克和他科学界的同仁们把牛顿武器库的刀枪剑戟，斧钺钩叉，镋棍槊棒，鞭锏锤抓，拐子流星，十八般兵器通通用上了，楞是攻不下这个城堡！拿着维恩和瑞利两个方案，就像相对象的老光棍拿着两张玉照——这个相貌挺好，但身材丑陋；那个婷婷玉立，芳容却惨不忍睹。唉，真是急死人呐！常言道狗急跳墙猫急上房人急上床，到了1900年这个当口，熬不住的老普（42岁啦！）就打算“孤注一掷”（普朗克原话）啦。就是说，放弃一贯坚持的严密推导的经典路线，anything goes（什么都行）。手头不是有两张玉照吗？拿到电脑上PS一下，把这个的头接到那个的身子上，搞一个人造美女抚慰一下受伤的心灵。老普真就这么干了。他使用所谓数学的“内插法”，把两个公式很机巧地拼接在一起，使得在短波范围，维恩干活而瑞利歇着，一到长波范围，维恩又会自动通知瑞利换班。PS来的嘛，所以这是一个半经典半经验的公式——　　u = Cλ5/（ee/λT-1）普朗克是在1900年10月19日在柏林物理学会上提出上述公式的。还是“近水楼台”之利呀。翌日清晨，好友鲁本斯就庆冲冲地跑到普朗克家报喜——处处都与实验结果符合得相当满意！实验继续进行，研究所的同事们也有过虚惊，但最后都发现是计算错误所至。再接下去，做得越精密就符合得越好！（图1.4）捷报频传！可是普朗克却高兴不起来。忠贞不二地辛勤耕耘了六年却一无所获，放纵一回就生下了这聪明漂亮的孩子，他的亲爹到底是谁，俺又怎么给他报户口呀？现在普朗克捧着这成功的公式，却莫名地生出缺乏归宿感的惶恐。普朗克毕竟是理论物理学家，他的使命要求他必须为这个公式找到在物理学的公理体系中的位置，发现这个公式的物理学意义。普朗克一生中最具划时代意义的工作从现在起才真正开始。这项工作，用普朗克自己的话说，是花掉了他“一生中最紧张的几个星期”；而这项工作成果的重大影响力所及，如果一定要加个期限，到今天为止至少可以说110年。从公式的字母缝隙挤身进去，就遭遇一个阴森恐怖的鬼域。在维恩峡谷，积郁着最厌恶“分子”和“几率”之类的异味，让人的心脏骤跳骤停，欲死还活，乍活又死。登上瑞利山麓，连续性的馨香沁人心脾飘飘欲仙。可没几步突然脚下一空，以与时间的平方成正比的加速度向一个无底深渊坠落、坠落、坠落！受不了啦，受不了啦！忽然一片祥云飘来轻轻托起，心率又恢复了踏实和平稳。多么熟悉的味道呀，亲人呐，恩人啊！咦？不对，风起的青萍之末竟是昔日避之惟恐不及的间断性河谷……在这个神秘山谷中游历了一番，惊梦醒来发现手中攥着一只魔瓶，揭开盖子，只见一缕青烟，幻化出一个小精灵——e=hv多漂亮一个小精灵呀！窈条曼妙，婀娜多姿。e就是本书主人公的名字，普朗克称之为“作用量子”（ Quantum of action ），现在我们昵称她为“量子”（ Quantum ）；hv就是量子本身；h是“普朗克常数”，等于6.626×10 -34焦耳·秒，一个很小很小的量；v就是我们已经熟悉的频率。普朗克发现，能量的吸收和辐射，不是连续不断地，而是一份一份分立地进行的。能量分割的的最小极限，就是这个hv。每一份量一定是hv的整数倍。为了使这个假定成立，普朗克发现，必须引进之前他十分厌恶的波尔兹曼的分子假设和统计方法。他假定在辐射体的表面，包含着像振动的小弹簧一样的“振动分子”或“谐振子”，这些谐振子只能吸收或发射一个个的能量包。就像吃馒头，你可以吃一个，两个，三个，N个。你说来半个，两个半，对不起，我这馒头掰不开，刀砍斧剁也分不开。当然馒头有大有小，取决于频率（v）的高低，高频的馒头就大，低频的馒头就小。饭量大的可以吃大馒头，饭量小的可以吃小馒头，但你千万不要说吃半个。维恩倒是知道馒头要一个一个地吃，但不知馒头有大有小。在高频端吃大馒头中间歇那么长时间正合适，到低频端吃小馒头还这么歇就吃不饱啦，因此就出了“红外事故”。瑞利和金斯不懂得馒头要一个一个吃的道理，在低频端连续吃小馒头还勉强杠得住，在高频端还这么干就撑死啦，于是就发生了“紫外灾难”。像是挺有道理，但这种跳跃式的能量变化听起来怪怪的。就好比天气预报说明天气温会从摄氏40度降到0度，上班时你就会带上几件衣服，因为你相信气温会从40度经过39、38直到2、1最后才到达0度，所以有机会一件一件地加衣服而不至于感冒。但普朗克现在要告诉你的是，气温会在某一瞬间，没有任何中间过程，直接从40度跳到0度。那我们就只好在40度的高温下穿着棉袄等待这一恐怖时刻的到来。（这得感谢普朗克，他给出的h非常小，如果h足够大，情形还真会是这样）普朗克不是愤青，也不是一个爱标新立异的人，但也是被逼无奈呀！除此之外，没有其他的解释。多少年后，普朗克在总结当年的心态时说，我是一个性情平和的人，不喜欢吉凶未卜的冒险。但社会上和科学界都很需要这么一个公式，而且我自己被折磨了整整六年。科学嘛，要奋斗就会有牺牲。所以除了热力学第一定律和第二定律，我打算牺牲任何一条我原先信以为真的物理学定律，无论付出什么代价，都要把黑体辐射的新公式拿下。风萧萧兮易水寒，壮士一去兮不复还！1900年12月14日本来一个平平常常的日子，与其他天拥有着同样的长度，却由于普朗克这一豁出去，就被赋予了伟大的深度！1919年由量子理论先驱者之一的德国物理学家索末菲提议，把这一天定为“量子理论的诞辰”。这一天，普朗克在柏林物理学会上宣读了论文《正常光谱能量分布律理论》，公布了自己的研究成果，得出一个革命性的结论：整个计算中最为关键的一点——能量是由确定数目的、彼此相等的、有限的能量包构成的。呯！在静谧安祥的牛顿夜空，响起了反叛的第一枪。

bbsadmin00 · 发表于 2011-10-27 06:32:00

第 95 楼图1.4 维恩、瑞利—金斯和普朗克黑体辐射公式与实验的比对一目了然。按说公式的实践效用，维恩的与普朗克的无本质区别，维恩也可能成为量子共和国的孙中山。区别仅在于，维恩没有发现自己公式的物理意义。按说瑞利—金斯公式如此大的实验误差，根本不该在科学史上留下爪印，但他们使用的方法是最符合科学审美的，所以大家会为这个公式的失败而痛心疾首。看来科学家们都是“重色轻友”的。呵呵！=600){this.height=parseInt(this.height*600/this.width);this.width=600;this.style.cursor='pointer';}">[此贴已经被作者于 2011/6/29 11:43:16 编辑过]