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【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】

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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!
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