普朗克的发现:经典物理学、量力力学的矛盾——世纪之交的能量团

发布时间:2025-05-25    来源:纵览网

19世纪,物理学界有人提出了一个神奇的电烤炉模型实验。20世纪初,英国物理学家通过计算发现:不同温度下,电烤炉里面辐射波携带的能量都是无限大!

根据热力学公式,物理学家计算得出电烤炉内,每种不同波长的电磁波传递能量的多少。物理学家得到的结果很简单:每种波携带的能量相同(这是因为,能量由烤炉内的温度决定)。

事实上,炉内的电磁波都是相同的,它们都带着相同的能量。但是,炉内存在无限种不同波长的波,每种波都携带着相同的能量!因此,无限种不同波长的波就会有无限多的能量。这就是量子力学和经典物理学的第一次碰撞!

在1900年,普朗克提出了自己的设想,缓解了无限能量这一矛盾,也为他赢得1918年的诺贝尔物理学奖奠定了基础。为了方便理解这一设想,小编先为大家举一个例子:

小明和一群人(假设是无限多的人)挤在一间寒冷的仓库中(假设仓库足够大)。仓库门口安装着数字自动调温器,它可以调节房间内的温度。但是,仓库的老板十分吝啬,暖气费高得可怕。

上调到50华氏摄氏度(10摄氏度),50元/人;55华氏摄氏度(12.8摄氏度),55元/人,以此类推。因为屋里有无穷多的人,只要打开调温器,老板就会赚无穷多的钱(人数乘以费用)。

不过,小明仔细想了想,发现了一个bug。因为老板人数太多,老板不想给无限多的人找零钱!于是,它采用了一种办法——信誉收费。如果A能拿出55元,他就付55元。不然,A只需要付他拿得出来,又不需要找零的数额。

小明想来:大家都需要缴费,但又不能交得太多。于是,他把大家的钱先集中起来,然后根据下面的方式分配:A全拿1分的硬币,B全拿5分的硬币,C全拿1角的硬币,D全拿2角5分的硬币……以此类推,1元、5元、10元、20元、50元、100元、500元等。

当分配完毕后,小明将温度调到了85华氏度(约27摄氏度)。当老板来了,A给老板8000枚1分硬币、B给老板1600枚5分硬币,C给老板800枚1角硬币,D给老板320枚2角5分硬币,E给老板80枚1元硬币。

到了拿50元的人,只需要给他1张(两张大于80元,需要找钱),而剩下的人拿的都是100及以上的,他们的面额最小的也超过了应缴纳的80元,便可以不需要缴费。因此,老板临走时,最多只拿走了690元。

普朗克正是用这种类似的办法,把电烤炉中无限大的能量缩减到一个有限的情况。他设想:电烤炉中,电磁波带来的能量跟仓库需要缴纳的费用是相同的。能量是一团一团的(我们假设),它是某个基本能量团的1、2、3倍……

为了更好地解释,普朗克假设:电磁波的基本能量团,就是它携带的最小能量(由频率决定)。换句话说,他假设波所具有的最小能量正比于波的频率!高频短波就等于大能量,低频长波就等于小能量。

事实上,长波的辐射与短波的辐射,前者本就缺乏足够的能量;我们可以用大海来类比:汹涌的波涛,都是起伏的短波;平静的海面上才会出现荡漾的长波。

普朗克通过计算证明:这些波的能量团,彻底消灭了所谓无限大的能量的荒唐结果!这就说明:当电烤炉加热到一定温度时,根据热力学公式得出:每种波都贡献了相同的能量。但是,如果某些波携带的最小能量超过了它应该提供的最大值,它就不会对总能量有贡献!

普朗克假设:波的最小能量正比于波的频率。因此,当观察电烤炉中的高频短时,总能找到最小能量大于所需能量贡献的波!这就像那些拿着100元、500元面额纸币的人,事实上,它们并不能为所需要的能量带来贡献!

因此,只有有限的波能对电烤炉里的总能量有所贡献;所以,总能量也是有限的。这相当于:只有有限的人能缴纳费用,仓库只能收到有限的金钱。不论是钱,还是能量,普朗克依靠增大的基础单位(面额增大、频率增加),让无限大回归到有限。

在消除这一无限大的结果中,普朗克作出了重要贡献。人们相信他的理论不仅仅因为他的猜想,更因为普朗克的方法,计算得出的能量与实验结果是一致的!他还在计算中调节了某一个参数,从而准确预测任意温度下电烤炉的总能量。

这就是著名的普朗克常量h,以J(焦)为能量单位,h=6.62607015×10-34 J·s(国际计量大会通过的精确数);若以eV·s(电子伏特·秒)为能量单位,h=64.1356676969×10-15 eV·s。

根据普朗克的观点,波的能量是一点点传播的。但这一点(普朗克常量)实在太小了。不过,这一点点之间,又好似光滑连续流动一般。根据他的论断,这些能量团随波频率增大(波长减小)而增大,而这是解决无限大能量问题,最关键的一点。

我们看到:普朗克的量子假说不仅是回答了烤炉的能量问题,还推翻很多大家认为理所当然的世界观!因为普朗克常量太小,所以只有在微观世界中,才会发生偏离我们日常生活的事情。


作者:纵览

【返回列表】