原創(chuàng) 宿非凡 物理與工程

常數(shù)在烏云-4.14話h

作者:《物理與工程》雜志《量子世紀年》?？瘓?zhí)行副主編，研究內(nèi)容超導量子計算，微納加工，中國科學院綜合極端試驗平臺微納加工與新儀器評審專家，《物理與工程》雜志《量子世紀年》?？瘓?zhí)行副主編。

“從狩獵時代到農(nóng)業(yè)時代，人類用了10多萬年的地球；從農(nóng)業(yè)時代到工業(yè)時代，用了幾千個地球年；從工業(yè)時代到原子時代，只用了200個地球年；之后，他們只用了幾十個地球年就進入了信息時代。這個文明有可怕的加速進化的能力！”

——《三體》

1900年4月27日，在倫敦街道上，每個人都踩著第一批帶雨的懸鈴木枯葉，書報亭的頭條熱烈討論遠東義和團體運動以及東交民巷大使館的情況。對來自歐洲各地的科學家來說，這是一個永遠銘記的日子?！癟he beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds."76歲的開爾文勛爵（Lord Kelvin）上面這句話，考慮到當時大家對經(jīng)典物理建筑的信心，這兩朵“物理陽光明媚天空中的小烏云”可能并沒有讓科學家比4月份的花粉過敏更難過。我們所說的兩朵烏云，是指邁克爾孫-莫雷實驗和黑體輻射研究中的困境。所謂兩朵烏云，是指邁克爾孫莫雷實驗和黑體輻射研究中的困境。當時臺上臺下的科學家可能沒有意識到這兩個小烏云會給我們的世界帶來一場風暴革命，最具探索精神的科學家會被扔進“無人區(qū)”，開始近30年艱苦的荒野生存。

第二朵烏云與我們今天的話題直接相關(guān)。對于科學家來說，黑體輻射是一只只會下物理金蛋的鵝，孵化了一系列重要的行業(yè)，如量子力學、固體量子論、受激輻射、量子統(tǒng)計、量子計算等。物理學上所謂的黑體，是指能夠完全吸收外部輻射的物體。簡單來說，在一個空心球上打開一個小孔，在內(nèi)壁涂上吸收輻射的涂料。當我們從小孔向內(nèi)觀察時，這個小孔看起來絕對是黑色的，因為光基本上不能從小孔中反射出來，這就是黑體。我們在生活中都看到過這樣的事實。如果我們在火上烤一塊鋼，當它達到一定溫度時，顏色會變得暗紅甚至橙黃色。物理學方面，就是物體的輻射頻率與溫度有一定的函數(shù)關(guān)系，再物理一點問，輻射頻率與溫度有什么定量函數(shù)關(guān)系？許多科學家在這個問題上做過工作，最著名的應(yīng)該是威廉·維恩。（Wilhelm Wien）與瑞利-金斯（Rayleigh-Jeans）2組人。

維恩 1864年1月13日，我出生在東普魯士。博士畢業(yè)后，我回到家鄉(xiāng)，準備繼承我的行業(yè)。1890年，德國帝國研究所科學家亥姆霍茲（Helmholtz）一份offer改變了他與世界的命運。當時，德國正在朝著工業(yè)化的目標快速前進，鋼鐵是工業(yè)化的重要問題之一，溫度是煉鋼的關(guān)鍵檢驗參數(shù)。換句話說，輻射頻率與溫度的函數(shù)關(guān)系是德國國家戰(zhàn)略物理的前沿領(lǐng)域。維恩計劃在亥姆霍茲的指揮下發(fā)揮他的才能。很快，他假設(shè)黑體輻射是一系列基于經(jīng)典熱學的麥克斯韋斯。（Maxwell）1894年，速度分子提出了輻射頻率與溫度的函數(shù)關(guān)系，即著名的維恩公式。一八九九年，維恩在帝國研究所的同事盧默（Lummer）和普林舍姆（Pringsheim）在實驗中，當人們發(fā)現(xiàn)黑體在1000K以上的高溫下處于短波長部分時，實驗與維恩公式的預(yù)測相符，但長波長部分相差甚遠。維恩公式在長波范圍內(nèi)艱難，很快穿過英吉利海峽，引起了遠在英國的瑞利的關(guān)注。瑞利隱約覺得，因為只是一個電磁波，維恩利用分子假設(shè)可能會出現(xiàn)一些問題，瑞利放棄了分子運動假設(shè)，簡單地從麥克斯韋的經(jīng)典理論中獲得了自己的公式。接著，他的合作者金斯計算了公式中的常數(shù)部分，完成了所謂的瑞利-金斯公式。故事到此為止，出現(xiàn)了第一個戲劇性的高潮。雖然瑞利-金斯公式在長波部分已經(jīng)滿足了實驗，但在短波部分卻出現(xiàn)了明顯的錯誤，因為根據(jù)他們的公式，當波長變短時，輻射的能量會無限增加。Ridikuius！(哈利·波特) 有趣的咒語)埃倫費斯特（Ehrenfest） 給這一小高潮起了一個更“三體”的名字——紫外災(zāi)難。

現(xiàn)在很明顯，如果從經(jīng)典顆粒的角度來看，我們可以得到一個適合短波的維恩公式，從經(jīng)典電磁波的角度來看，我們可以得到一個適合長波的瑞利-金斯公式。一個尷尬的是，兩個公式在各自的適用區(qū)域保持了良好的效果，但它們并不兼容，但除了粒子和波，我們還有什么？似乎一個巨大的秘密正在慢慢地暴露他的馬腳。這里科學家遇到的尷尬困境，就像吃火鍋一樣，清鍋非常適合喜歡北方傳統(tǒng)口味的人，而麻辣鍋是川渝地區(qū)的最愛。有時候東北人被迫吃辣，以后某個時候會有一些“災(zāi)難”。也許強迫嗜辣的朋友吃清湯會立刻造成一些“災(zāi)難”。謝天謝地，Elegant，我們有這個問題。 solution——鴛鴦鍋，而普朗克則是發(fā)明這種黑體輻射“鴛鴦鍋”的。（Planck）。

一八五八年四月二十三日，普朗克出生于德國基爾。據(jù)說普朗克早期的志向是成為一名音樂家，但當他成為一名中學時，他發(fā)現(xiàn)“ 從帝國大廈下跑到屋頂。 ，要一個鐘頭 ，跳下屋頂 ，只要8.8秒 “(花)這些復(fù)雜的現(xiàn)象背后，其實包含了如此簡單的守恒關(guān)系的轉(zhuǎn)變，然后他把一生的注意力集中在物理上，取得了巨大的成就。普朗克在1879年獲得博士學位后，先后在基爾大學和莫尼黑大學執(zhí)教。1887年，亥姆霍茲在柏林去世。普朗克接任了他的職位，開始在洪堡大學任教。同年，他成為了權(quán)威雜志《物理學年鑒》的理論物理顧問。隨著這一職位的巨大知名度，他處理中國戰(zhàn)略需求物理前沿領(lǐng)域的壓力也很大。1900年10月7日左右，普朗克研究了與黑體輻射相關(guān)的問題。在得知瑞利-金斯最初的結(jié)果后，普朗克開始陷入兩種不適應(yīng)的公式的頭腦風暴。經(jīng)過幾天的無進展，普朗克做出了一個中學生可能熟悉的決定——從他想要的答案往后推，試圖在長波和短波地區(qū)找到一個滿意的公式。為什么會有這個公式，不要費心。在巴洛克的大房子旁邊，金色的枯葉和路人被秋風吹起的風衣，讓夜晚生長的柏林變得美麗，一個偉大的歷史時刻正在慢慢展開:

利用數(shù)學方法，結(jié)合熵增加原理，普朗克試圖將兩個公式結(jié)合起來，盡可能地發(fā)揮其正確的作用。十月十九日，普朗克首次在德國物理學會會議上公布了他的Eureka equitation，同一天，科學家們對實驗結(jié)論和普朗克公式進行了仔細的檢查，所有的數(shù)據(jù)都表明公式與實驗是一致的。就連普朗克自己也沒有想到這個拼接公式的力量。迅速冷靜下來的普朗克意識到，這個公式的背后，一定隱藏著巨大的秘密，物理的烏云開始了風暴的考慮。普朗克于1900年12月14日在德國物理學會上公布了他的研究結(jié)果，輻射場的能量密度可以表示為

T是熱力學溫度， 玻耳茲曼是kB（Boltzman）常數(shù)， λ是光波長， c是真空光速。這一公式可以在短波極限下轉(zhuǎn)化為維恩公式，但是在長波極限下可以轉(zhuǎn)化為瑞利-金斯公式，哈，完美！

如果普朗克發(fā)現(xiàn)要得到這個公式，他必須承認能量在輻射和吸收時是不連續(xù)的，一個一個。這些能量就像不連續(xù)的人民幣一樣，有一個最小的單位。這個最小的單位被普朗克稱為能量子E。=hv ，即常數(shù)乘以輻射次數(shù)，其中h=4.14×10-15eV?S就是普朗克常數(shù)(有人會問，為什么要拿這個量綱，因為在另一個更熟悉的J?s（W?s2 ）其數(shù)值為6.63?！?0-34，找不到相應(yīng)的日期)。從拉丁文quantus演變而來的量子英語是quantus，本意是“多少”、“數(shù)量”，用來表示能量貨幣的最小單位，類似于一分錢，所有的貨幣交易都要以這個最小單位的整數(shù)倍率進行。是的，“量子”和“貞子”（Sadako）“這方面是相似的，不是粒子的名字。

長時間以來，普朗克本人就像一千零一夜故事中提到的漁民，親自打開封印魔鬼的瓶子，卻又被魔鬼嚇壞了。在他看來，所謂的量子化只是一個簡單的數(shù)學假設(shè)，物理意義很小。因此，當事實逐漸清晰地向他展示他發(fā)現(xiàn)的偉大之處時，普朗克陷入了消極悲觀的恐懼之中。在他死前出現(xiàn)的自傳中，他公開承認量子論的意義比他發(fā)現(xiàn)普朗克公式時想到的要多得多。但這一點也不能怪普朗克的Revolution?r wider Willen(革命者違背自己的意愿)，因為量子論太顛覆了。事實上，量子論的發(fā)展在一定程度上是在與其創(chuàng)造者的斗爭中螺旋進行的。

量子革命者違背自己的意愿

1900年12月，22歲的愛因斯坦，侯普朗克42歲，22歲。（Einstein）19歲的波恩剛畢業(yè)于蘇黎世理工學院。（Bron）17歲的薛定諤，夢想著成為一名科學家。（Schr?dinger）波爾15的波爾在高中長期占據(jù)年級第一位。（Bohr） 仍然擔心作文犯，法國88歲的貴族德布羅意羅（De Broglie）正如饑似渴地學習歷史，小泡利（Pauli）只有8個月大，海森堡將近10個月和20個月。（Heisenberg）和狄拉克（Dirac）各自出生于德意志和不列顛，至此一出空前絕后，跌宕起伏大戲的主要卡司全部到位。

今日是個好日子，日期與普朗克常數(shù)的前三位一致。在回顧了普朗克常數(shù)的歷史之后，我們又回到了現(xiàn)在的世界。目前，量子理論仍在為人類的進步保駕護航。量子理論不一定是最后一個理論，但并不影響你隨時打開智能手機享受它帶來的技術(shù)。令人興奮的是，量子計算、量子通信等前沿領(lǐng)域正在改變我們的生活。業(yè)內(nèi)人士普遍認為，我們將從經(jīng)典信息時代演變?yōu)榱孔有畔r代。斗膽續(xù)一篇文章開頭引用了“三體”這個詞，現(xiàn)在，是人類從結(jié)繩記事到現(xiàn)在，距離量子計算機最近的時刻。”

最后，我真誠地向大家推薦曹則賢先生的新書《黑體輻射:一只只能下物理金蛋的鵝》，詳細講述了本文所有未涉及的實際知識和參考資料，讀起來就像一個春風。早些年曹天元的《上帝擲骰子：量子物理史》也是一本難得的好書，值得一讀再讀。與許多標志性的儀式化(或巫術(shù)式)表演相比，要真實得多(北京大學科學傳播中心教授劉華杰)。

今日課后作業(yè)是江蘇2020年高考模擬題，我們將從答對的讀者中隨機挑選出一個驚喜獎！

一位杰出科學家的名字刻在德國哥廷根市公墓里，一塊簡單的矩形石碑上，他的墓志銘就是一行字，h=6.63×10-34J?s(普朗克常數(shù)值)，這是對她一生貢獻的最大肯定。

注:本文采用2017年國際計量委員會公布的普朗克常數(shù)值取三位有效數(shù)字，因此與普朗克墓碑上的數(shù)字略有不同。

歡迎各位讀者參加《物理與工程》量子世紀年征文活動，鏈接：CALL FOR PAPERS｜《物理與工程》征集量子世紀年

衷心感謝鄧輝副教授的熱情討論和建議。

有關(guān)宿非凡教師的文章：

約瑟夫森效應(yīng)和超導量子電路的基本物理原理量子、水熊蟲、薛定諤的貓方興未艾的量子計算和量子材料超導電路的量子化方法END，超導量子比特藕合和測控的物理原理

請點擊以下“藍字”標題查看更多精彩文章：

CALL FOR PAPERS｜2023年中國大學物理教育MOOC聯(lián)盟工作會議(擴大)和經(jīng)典案例交流會議《物理與工程》征稿量子世紀年 2023年全國高校物理基礎(chǔ)課程教育學術(shù)研討會會議記錄 會議記錄2023 2008年全國高校物理基礎(chǔ)課青年教師講座大賽在喀什大學舉辦全國大學物理實驗教學對口支持(智商援疆)研討會，在新疆師范大學舉辦王青教授:了解王中林教授“拓展麥克斯韋方程組”和“碰瓷”麥克斯韋:伽利略協(xié)變和洛倫茲協(xié)變磁場論熱點:運動介質(zhì)洛倫茲協(xié)變電磁理論優(yōu)秀論文、優(yōu)秀審稿專家、優(yōu)秀青年學者王青教授2021年《物理與工程》。清華電力學期末考試朱邦芬教授:“減負”誤區(qū)和2023年中國創(chuàng)新教育面臨的難題《物理與工程》第四期目錄樂永康:新冠肺炎疫情防控下，美國物理實驗教學與中美情況對比顧牡:對重新制定的《非物理理工科大學物理課程教學基本要求》的理解和感受，朱邦芬教授:從基礎(chǔ)科學班到清華學校物理班，朱邦芬教授:李學潛教授，探索培養(yǎng)一流的創(chuàng)新人才:物理是一種文化李學潛教授:如何幫助物理系學生跨越從高三到大一的坎穆認知課程:穆良柱:什么是ETA物理認知模型？穆良柱:什么是ETA物理教學法？吳國禎教授:我對國外研究生的經(jīng)歷印象——應(yīng)該寫清華大學物理系的“基礎(chǔ)班20年，學校班10年慶典”

21世紀，陳佳洱，趙凱華，王殖東，王亞愚教授，急需重建中國的工程物理教育:清華物理系本科人才培養(yǎng)理念與實踐葛惟昆教授:安宇教授，關(guān)于中外人才培養(yǎng)的一些想法:為什么傳統(tǒng)的課堂教學方式需要改變安宇教授:其實教學就是一個積累的過程。劉玉鑫教授:關(guān)于本科生物理基礎(chǔ)課堂教學和教材，我編了一些關(guān)于沈乾若的想法:美加課程改革，重挫理科教學。 C：《物理與工程》期刊是美國研究基金支持的物理教育研究及其對高等物理教育的影響，是專注于物理教育教學研究的學術(shù)期刊，1981年出版的中國科技核心期刊，歡迎大家踴躍投稿，期刊投稿采編平臺：

http://gkwl.cbpt.cnki.net

歡迎關(guān)注

微信微信官方賬號“物理與工程”

繼續(xù)滾動閱讀下一個輕觸閱讀原文。

物理學和工程向上滑動，看下一個

原標題：“烏云中的常數(shù)-4.14話h(文末有題，做題可能有獎)”

閱讀原文

本文僅代表作者觀點，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請在文中注明來源及作者名字。

免責聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請及時與我們聯(lián)系進行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com