讓物理學(xué)家困惑不解的難題

現(xiàn)在我們就來看這兩朵烏云。第一朵烏云是黑體輻射，黑體輻射就是當(dāng)一個物體處于熱平衡狀態(tài)時候的平衡熱輻射。為什么要研究這個問題呢？這個問題和煉鋼有關(guān)系。

1870—1871年的普法戰(zhàn)爭，法國戰(zhàn)敗。戰(zhàn)敗一方面導(dǎo)致了巴黎公社起義；另一方面，按照當(dāng)時的和約，法國向普魯士割地賠款，法國當(dāng)時把阿爾薩斯和洛林這兩個地區(qū)割讓給了普魯士。這兩地割讓給普魯士至關(guān)重要，因為它們靠著普魯士的魯爾區(qū)，魯爾區(qū)有煤礦，沒有鐵礦，這兩地有鐵礦，沒有煤礦，現(xiàn)在都?xì)w了普魯士。而且普魯士還得到了一大筆戰(zhàn)爭賠款，于是普魯士就決心發(fā)展工業(yè)，要把普魯士從一個以生產(chǎn)土豆為主的國家，變成一個以生產(chǎn)鋼鐵為主的國家，實現(xiàn)工業(yè)化。

工業(yè)化很重要的一個標(biāo)志就是發(fā)展鋼鐵工業(yè)，發(fā)展鋼鐵工業(yè)就需要煉鋼。煉鋼的主要技術(shù)是控制爐溫，而爐溫怎么測量？把溫度計擱進(jìn)去行嗎？不行！擱進(jìn)去它就化了。于是人們就在爐子上面開了一個小孔，讓熱輻射出來。出來以后人們發(fā)現(xiàn)，在不同溫度的輻射能譜不一樣。輻射的能量在不同波長的分布可以描成一條曲線，這條曲線在圖1-2中用一系列圓點連成的線來表示。在不同溫度的時候，曲線的“高低胖瘦”不一樣。根據(jù)曲線的“高低胖瘦”就能判斷爐溫。

圖1-2　黑體輻射曲線

當(dāng)時德國的物理學(xué)家維恩得出一個維恩位移定律［式(1-1)］。根據(jù)這個定律，熱輻射的能量密度取最大值時對應(yīng)的波長λ_m和溫度T的乘積是一個常數(shù)，也就是說，只要測出了這條曲線的λ_m，你就可以知道這條曲線所代表的溫度。

λ_mT = b

(1-1)

為什么會出現(xiàn)這么一條曲線？大家不清楚。當(dāng)時英國也在發(fā)展鋼鐵工業(yè)，英國的兩個物理學(xué)家，瑞利和金斯（金斯主要研究天體物理）給出一個理論，想解釋這條輻射曲線。他們認(rèn)為煉鋼爐的爐壁上面的物質(zhì)，可以看成一個個小單元。當(dāng)時原子論還沒有被大家完全接受，有一部分物理學(xué)家已經(jīng)承認(rèn)原子是物質(zhì)的最小微粒了，認(rèn)為最小的輻射單元是原子。還有一些人不承認(rèn)原子論，但是也承認(rèn)存在最小的輻射體。當(dāng)時的物理學(xué)家認(rèn)為，這些輻射體就像一個個諧振子，類似彈簧，放出輻射時振動減弱，吸收輻射時振動加強(qiáng)。根據(jù)這樣一個模型，瑞利和金斯計算出了一條曲線，即圖1-2上面的這條曲線。

這條曲線在長波波段跟實驗符合得很好，但是在短波波段就走向了無窮大。因為短波是紫外光的分布范圍，所以這個問題在物理學(xué)上就叫作紫外災(zāi)難。為什么會出現(xiàn)這么一個跟實驗不符合的、理論計算的無窮大結(jié)果呢？不清楚。

維恩給出了另外一個模型，這個模型的曲線在短波波段跟實驗符合得不錯，但是在長波波段就偏離了實驗點，如圖1-2所示。

這個時候，德國的理論物理學(xué)家普朗克提出了一個人們意想不到的理論。他在研究這些曲線以后發(fā)現(xiàn)，如果認(rèn)為諧振子在輻射能量和吸收能量的時候是不連續(xù)的，或者說一份一份的，就會得到與實驗相符的結(jié)果。當(dāng)時物理學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識到熱輻射跟光都是電磁波，一般認(rèn)為電磁輻射是連續(xù)的，所以熱輻射也應(yīng)該是連續(xù)的，這個能量怎么可能是一份一份的呢？大家不清楚。但是普朗克發(fā)現(xiàn)，只要假定諧振子在輻射和吸收的時候能量是一份一份的，那么描出的這條曲線就能跟實驗符合得很好。