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第5部分(第1/4 页)

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氪笱а�啊T诤5卤ぁ⒏缤⒏�桶亓执笱Ф裙�怂�难�吧�闹�螅��髟�1887年进入了德国帝国技术研究所(Physikalisch TechnischeReichsanstalt,PTR),成为了赫尔姆霍兹实验室的主要研究员。就是在柏林的这个实验室里,他准备一展他在理论和实验物理方面的天赋,彻底地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1883年提出了他的辐射能量分布定律公式:

u = b(λ^…5)(e^…a/λT)(其中λ^…5和e^…a/λT分别表示λ的…5次方以及e的…a/λT次方。u表示能量分布的函数,λ是波长,T是绝对温度,a;b是常数。当然,这里只是给大家看一看这个公式的样子,对数学和物理没有研究的朋友们大可以看过就算,不用理会它具体的意思)。

这就是著名的维恩分布公式。很快,另一位德国物理学家帕邢(F。Paschen)在兰利的基础上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(PTR)的同事很快就做出了另外一个实验。卢梅尔(OttoRichard Lummer)和普林舍姆(ErnstPringsheim)于1899年报告,当把黑体加热到1000多K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。很快,PTR的另两位成员鲁本斯(Heinrich Rubens)和库尔班(Ferdinand Kurlbaum)扩大了波长的测量范围,再次肯定了这个偏差,并得出结论,能量密度在长波范围内应该和绝对温度成正比,而不是维恩所预言的那样,当波长趋向无穷大时,能量密度和温度无关。在19世纪的最末几年,PTR这个由西门子和赫尔姆霍兹所创办的机构似乎成为了热力学领域内最引人瞩目的地方,这里的这群理论与实验物理学家,似乎正在揭开一个物理内最大的秘密。

维恩定律在长波内的失效引起了英国物理学家瑞利(还记得上次我们闲话里的那位苦苦探究氮气重量,并最终发现了惰性气体的爵士吗?)的注意,他试图修改公式以适应u和T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(J。H。Jeans)计算出了公式里的常数,最后他们得到的公式形式如下:

u = 8π(υ^2)kT / c^3这就是我们今天所说的瑞利…金斯公式(Rayleigh…Jeans),其中υ是频率,k是玻尔兹曼常数,c是光速。同样,没有兴趣的朋友可以不必理会它的具体涵义,这对于我们的故事没有什么影响。

这样一来,就从理论上证明了u和T在高温长波下成正比的实验结果。但是,也许就像俗话所说的那样,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λ趋于0,也就是频率υ趋向无穷大时,大家可以从上面的公式里看出我们的能量辐射也将不可避免地趋向无穷大。换句话说,我们的黑体将在波长短到一定程度的时候释放出几乎是无穷的能量来。

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地释放能量辐射(如果真要这样的话,那么原子弹什么的就太简单了)。这个推论后来被加上了一个耸人听闻的,十分适合在科幻小说里出现的称呼,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。这的确让人们非常地郁闷,就像你有两套衣服,其中的一套上装十分得体,但裤腿太长;另一套的裤子倒是合适了,但上装却小得无法穿上身。最要命的是,这两套衣服根本没办法合在一起穿。

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