一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式

上期回顧:



《披著科學外衣的天方夜譚:一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式》

【原文題目】《量子世界奇遇記(番外):普朗克公式如何融合維恩和瑞利金斯公式》

一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式


* * * * * * * * * * * * * * * *

1900年代,德國的工業繁榮發展。在冶金、電氣等行業,急切需要知道能量和輻射的定量關係。例如,當時有一家電燈公司,想要知道如何用最少的能量讓電燈發出最亮的光芒。因此它委託柏林大學的著名物理學家——馬克思 普朗克教授,去解決這個問題。

這個屬於黑體輻射的領域。這個領域已經有不少人仔細研究過。當時的理論主要有兩個:維恩公式和瑞利-金斯公式。如果有時間,不妨翻到頂部去看一下之前的文章,在這裡長話短說:它們倆都只在一半的範圍內生效。對於由實驗測量出來的黑體輻射的波長和能量曲線,維恩公式能在短波的範圍內很好的符合,但在長波範圍內不準;瑞利和金斯的公式在長波範圍內符合,但在短波範圍內遠遠的超出了預期的結果,甚至可以得到黑體可以輻射出無窮大的能量的結論。

普朗克經過縝密思考,運用數學工具,巧妙地把它們融合在一起,這就是普朗克公式。它宣告了量子論的誕生。下面我們要來看一下普朗克公式是如何融合兩個公式的。

維恩公式長這樣:

一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式

瑞利-金斯公式長這樣:

一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式


普朗克融合的公式——普朗克公式,長這樣:

一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式


好了,讓我們重申一下我們的目標。

維恩的公式在短波段有效,瑞利-金斯公式在長波段有效。波長在公式中用λ表示。這意味著,普朗克公式在λ比較小的時候,它將會等價於維恩公式,而在λ比較大的時候,它將會等價於瑞利-金斯公式。

一、普朗克公式近似維恩公式

一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式

二、普朗克公式近似瑞利-金斯公式

一分鐘瞭解如何“拼湊”大名鼎鼎的普朗克公式

(注:所謂藍色部分是指hc/λkT,所謂紅色部分是指虛線圈的部分)

瞧,這就是普朗克的魔術!在短波段,普朗克公式搖身一變,化身為在短波段有效的維恩公式;在長波段,普朗克公式又使了個神通,化身為在長波段有效的瑞利-金斯公式!它就像一座橋樑,不多不少地剛好把兩者的優點融合起來,同時把兩者的缺陷一揮而散。

三、結語

上面都是數學的技巧。普朗克公式的真正核心在於引入了離散值h,它被稱為普朗克常數。現在,它是物理學中的基本常數,也是我們這個世界運作的普適常數之一。它的值約為6.626×10-34 J·s,是一個很小的數值。不過,無論它多小,只要它不為零,就能說明這世界並不是連續的,而是離散的。

普朗克的發現推開了量子世界的大門。無獨有偶,另外有一位大神馬上也要登場。他從另外一個現象中也發現了類似理論,而且更為顛覆。如果說黑體輻射只是在飯桌上輕輕敲打桌面,那這位大神簡直是把桌子掀翻了。舊世界從此告別,新世界宣告誕生。



下期預告:

量子世界奇遇記(四):大神之諭


分享到:


相關文章: