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光的简史21: 黑体辐射理论陷入困境 1890年,维尔赫姆•维恩进入德国帝国技术研究所,成为赫尔姆霍兹实验室的主要研究员。他准备一展他在理论和实验物理方面的天赋,彻底解决黑体辐射这个问题。 维恩从经典热力学的思想出发,假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的,然后通过精密的演绎,他终于在1896年提出了那个著名的维恩分布公式。很快,另一位德国物理学家帕邢对各种固体的热辐射进行了测量,结果很好地符合了维恩的公式,这使得维恩取得了初步胜利。 然而,维恩却面临着一个基本的难题:他的出发点似乎和公认的现实格格不入,换句话说,他的分子假设使得经典物理学家们十分地不舒服。因为辐射是电磁波,而大家已经都知道,电磁波是一种波动,用经典粒子的方法去分析,似乎让人感到隐隐地有些不对劲,有一种南辕北辙的味道。 果然,维恩在帝国技术研究所的同事很快就做出了另外一个实验。当把黑体加热到1000多华氏度的高温时,测到的短波长范围内的曲线和维恩公式符合得很好,但在长波方面,实验和理论出现了偏差。 维恩公式在长波上的失效,引起了英国物理学家瑞利的注意,他试图修改公式以适应频率和温度在高温长波下成正比这一实验结论,最终得出了他自己的公式。不久后另一位物理学家金斯计算出了公式里的常数, 这就是我们今天所说的瑞利-金斯公式。 这样一来,就从理论上证明了频率和温度在高温长波下成正比的实验结果。但是,瑞利-金斯公式是一个拆东墙补西墙的典型。因为非常具有讽刺意义的是,它在长波方面虽然符合了实验数据,但在短波方面的失败却是显而易见的。当波长趋于零,也就是频率趋向无穷大时,能量辐射也将不可避免地趋向无穷大。 这个戏剧性的事件无疑是荒谬的,因为谁也没见过,任何物体在任何温度下这样的释放能量辐射。这个推论后来叫做“紫外灾变”。显然,瑞利-金斯公式也无法给出正确的黑体辐射分布。 我们在这里遇到的是一个相当微妙而尴尬的处境。我们的手里现在有两套公式,但不幸的是,它们分别只有在短波和长波的范围内才能起作用。 总之,在黑体问题上,如果我们从经典粒子的角度出发去推导,就得到适用于短波的维恩公式。如果从类波的角度去推导,就得到适用于长波的瑞利-金斯公式。鱼与熊掌不能兼得,长波还是短波,那就是个问题。#物理 #科普 #知识
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