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哎呀!我们就要失业了!物理学已经无事可做了,该转哪行呢!哎——忙惯了,突然清净下来,还真有点不适应呢!
不是吧!我的儿呀!你竟然说要立志从事物理学工作?!有没有搞错呀!没出息的家伙!物理学已是巅峰了!还凑什么热闹?!
……
然而,事情真的能如物理学家们所愿吗?抬头看一眼天空,似乎,有一种不祥的感觉涌上心间。
牛顿大楼和麦克斯韦大楼固然宏伟,但是,时长日久,风吹雨打,铁打的也会有生锈的时候呀!难道,它们真的如此坚固吗?
经典物理学这座大厦表面上看起来固然金碧辉煌,但是却有一种脆弱的感觉,尤其是那条天梯,是那么的不协调,看起来,总让人感到不太舒服。似乎遥遥欲坠,一有风雨来临,就要……
它是美丽的,但却是脆弱的。
它有辉煌的时候,但也会有衰落的一天。
似乎,这是很多事物的生存和发展规律。
气氛似乎一下子凝重了起来,所有人都感觉到好像将有什么大事要发生。哎,管那么多干什么呢?新的世纪就要到了,还是好好庆祝一下吧!
好的,从15世纪一直跑到19世纪,相信诸位都疲惫了吧?眺望远方,正慢慢飘过来两朵小乌云。或许,它们也会引发暴风雨呢?谁又知道呢?
好,大家放下包袱,咱们到路边的旅店去休息一会儿,唱唱卡拉OK吧……
(接下来将是第二章 《一朵乌云引发的革命》)
第二章 《一朵乌云引发的革命》
好啦!好啦!赶快放好麦克风了!拿好行李,咱们该继续上路了!
上一章,我们说了经典物理学的成长历程。从哥白尼到伽利略,再到笛卡儿,之后还有牛顿大哥,恩,麦克斯韦也功不可磨哟,对了,还有热力学的那帮兄弟们,名字没记住多少个是吧?不要紧,呵呵,咱们重点要聊相对论,等你学习热力学了再来记也没问题!
是的,那时侯所有的物理学家都为经典物理学大厦赞不绝口。然而,后来的事实给他们当头一棒。这幢大厦表面上看起来非常雄伟美观,却是极其的不坚固。正如上一章的标题所云,是“脆弱”的!特别是那条天梯,注定要在一场暴风雨中坍塌,并引发了可怕的整幢大厦的毁灭。现在,它已经遥遥欲坠了……
1900年4月27日,特别的一天。
英国的伦敦市,特别的城市。
阿尔伯马尔街,特别的地方。
所有物理学家的目光都聚焦到了这里。此时,这里正举行一场世纪之交的物理学报告会。
在雷动的掌声中,一位白发苍苍、已是76岁高龄的老头走上了讲台,面对台下千万的听众,他清了请嗓子。
他就是开尔文勋爵。德高望重的他将要做一场题为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。
他谈道:“动力学理论断言,热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……”
这两朵小小的、令人不安的乌云实在是太出名了!以致几乎每一本说到这个时期的物理学科普都会提到。这两朵小乌云,跟牛顿的苹果一样,是物理学舞台上的明星。其中一朵小乌云指的是黑体辐射的相关问题,它属于20世纪另一伟大理论——量子物理的范畴。在这里,就简单地介绍一下,太过详细诸位就要判我跑题了~0~
首先,我们先来解决什么是黑体的问题。还是很小的时候,我们就知道,我们之所以可以看到一个物体的颜色,是因为它反射了这种颜色的光进入我们的眼里。不错,红色的物体是由于其反射的红光进入了我们的眼睛,而白色,则是所有颜色的光都进了眼里,黑色呢,却是没有任何光走进眼睛,所以才看起来“黑黑的”。
黑体,便是这样的一个物体:它吸收了所有所有到达它表面的光线。这样说有点抽象,咱们来看一个近似的示例。想象一个不透明、里面是空腔的球体。好的,现在,我们在这个球上开一个小洞。于是,光就会从这里射进去;并且,光线在里面被来回反射,最后,几乎没有能够再从里面射出来的了。这样,当我们企图从小孔中一窥球内的世界时,由于几乎没有光线出来,就会看到黑乎乎的一片。这样小球就相当于一个黑体的模型了。
还有,任何一个物体,在任何的温度下,都会辐射出电磁波。这是由于分子、原子受到热激发而发射出来的。比如说,热热的阳光射到一个物体上,这个物体的分子、原子就会获得“热热”的太阳能,就会产生激发,便发出了热辐射,或者说电磁波。所以,黑体也会发出电磁波。对吧?没问题吧?黑体也是由分子、原子组成的嘛!再想想,那个“吸收了所有所有到达它表面的光线”跟这个不太一样喔!
我们还清楚,不同颜色的物体吸收光的本领是不同的。所以,在炎热的夏天,我们外出时,都会换上颜色浅一点的衣服;而冬天则相反。因此,深色较浅色能吸收更多能量。
而物理学家基尔霍夫告诉我们,在一样的温度下,吸收辐射强的家伙,发射辐射的能力也更劲些。恩,那当然是黑体那小子最拽了!
于是,人们就毫不犹豫地选择了黑体作为研究对象。人们很早就弄清楚了物体的辐射能量和温度之间的关系,那就是物体的辐射能量跟温度的四次方成正比,这是由斯特藩和玻尔兹曼共同的努力成果。
而且,从图象还可以知道,随着黑体温度的升高,物体的辐射能量和温度之间的关系曲线的峰值还向短波(或高频)的方向移动。那么,这些峰值跟波长有什么联系呢?这个问题问得好,要知道,正是这个问题引来了那朵小乌云。
在这个问题上,很多人进行了不懈的努力。其中,德国的维恩给出了一个效果不错的公式。然而,可笑的是,他的公式在较短的波长内与实验结果符合得相当好,在长波里却与实验严重不符。看来,这个公式得抛弃了。
另外,瑞利和金斯又给出了另一个公式,却也遇到和维恩公式同样的尴尬场面。瑞利——金斯公式,在长波范围内大唱凯歌,但是在短波阵地里溃不成军,甚至当波长趋于0的时候,还直逼无穷大。由于紫外线处于短波中,这中尴尬还被称为了“紫外灾难”。
看来,真够“黑色幽默”了。一个此优彼劣,一个此劣彼优。这就是“黑体辐射”这朵小乌云了。
那两个结合起来不就行了吗?嘿嘿,说起来容易,但要真用数学、物理来解决这个问题,还真很困难呢!N多科学家投身于其中,但都是“一去不复返”。最后,还是德国的一位精英解决了这个问题。他的名字叫做普朗克。
面对这个两难的局面,普朗克苦思冥想还是丈二和尚摸不着头脑。最后,他心一横,既然无法从一些物理假设出发,用数学推导出一个所以然来;那么我就不要物理假设基础了,管它呢,俺先弄个符合整个波长范围的公式出来再说!
结果还真就给他找到了。不过后来当他再去深思这个公式后面的意义之时,竟然找到了它的基础——能量是一份一份的,而不是之前所认为的连续的。于是,“量子”来到了人间。
好了,打住!该收笔了!咱们得去说我们最关心的另一朵小乌云,正是它带来了狭义相对论。不过,在这之前,我还得交代一下。
其实,量子理论可以说是物理学上最令人动容、迷茫的篇章。它的结论令人三思不得其解,往往与我们哲学观相悖。它的思维方式、解决问题的方法更是与我们之前完全相反。从它诞生到今天,关于它的讨论从来就没有停止过。而值得我们注意的是,作为20世纪物理学的一大支柱的它竟然与另一支柱——相对论相抗衡,两家的哲学观不太一致,甚至有一些是相反的,这两个家伙有着不可逾越的鸿沟。但是,它们却在自己管辖的领土内策马扬鞭,大放异彩,绝对没有第二家可以替代。
如何在这两者之间搭起桥梁,是物理学的一大目标。
在这里,还是让我们先来体会相对论的“君威”……
上回说到,第一朵小乌云是量子物理学中“黑体辐射”——或者叫“紫外灾难”——的相关问题。它的散去带来了20世纪物理学的一大革命,催生了量子物理学。并且深深影响我们至今,从VCD到DVD,从手机到电脑,从化学到核能……无不需要量子物理学。
而开尔文所说的另一朵小乌云则指的是一个实验——麦克尔孙…莫雷实验,它是由麦克尔孙和莫雷两位物理学家作出的,涉及的是光