辐射量子论与物理学危机

《辐射量子论与物理学危机》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、辐射量子论与物理学危机谭天荣发表于-2009-10-1711:10:00作者：谭天荣内容摘要：本文把普朗克的辐射量子论追溯到两个前提：第一，物质辐射是一个个原子辐射的迭加；第二，单个原子的一次辐射是一个“瞬间事件”，从而把它重新纳入经典物理学的框架。随后揭示连续性与不连续性的对立的相互渗透性；又以家族中的“辈分”和必然性的“等级”为例，指出自然界的“层次结构”，并从这种结构出发，考察了两个脍炙人口的科学疑难：数学中的“悖论”与物理学中的“热寂说”。最终从上述考察得出结论：物理学将因“量子”的问世而大难临头。关键词：经典物理学；辐射量子论；连续性与不连续性；形而上学；实证哲学；辩证

2、法；偶然性与必然性；层次；悖论；热寂说1.引言1900年，普朗克在研究黑体辐射的规律时，找到了一个与实验数据完全符合的公式——普朗克公式。随后，他又从这一公式得出结论：辐射场的能量不是连续地增加，而是跳跃地、一份一份地增加。换句话说，辐射场的能量有一个最小单位，称为“量子”，其能量与辐射的频率成正比，比例系数是一个普适常量，称为“普朗克常量”。普朗克的这种理论现在称为“辐射量子论”。普朗克的这种理论使得当时的物理学家们极为震惊，例如，爱因斯坦当时就说：“我要使物理学的理论基础同这种认识相适应的一切尝试都失败了。这就像一个人脚下的土地都被抽掉了，使他看不到哪里有可以立足的巩固基地。

3、”物理学家们认为，“量子”是完全超出经典物理学的崭新的概念，是一个根本违反经典物理学的革命性的概念，它表明能量不再是连续的，从而看到了物理世界不连续的另一面目。在一本新书（上帝掷骰子吗——量子物理史话，我在互联网上读到这本书）上，作者写道：“（‘量子’）这个假定，推翻了自牛顿以来200多年，曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界。这个假定以及它所衍生出的意义，彻底改变了自古以来人们对世界的最根本的认识。”“量子”诚然是一个划时代的发现，但它确实推翻了经典物理学吗？2.辐射的量子性与物质的原子性首先我们问：按照经典物理学的基本原理，物质的辐射应该是一个怎样的过程？从赫芝开始人们就知道谐

4、振子的辐射过程：如果一个谐振子持续地振动，它将连绵不断地发射电磁波，即连绵不断地辐射。在这一过程中，辐射场的能量随时间的改变是一个连续平滑函数。因此在遇到黑体辐射问题时，他们自然想到，辐射场的能量随时间的改变也大致如此。37不幸的是，他们在这里有一点小小的疏忽：辐射将带走能量，在谐振子振动过程中，有一个外部能源持续地向它供应能量。在黑体辐射过程中，辐射源是物质，而物质是由原子组成的，因此，黑体辐射问题可归结为原子的辐射问题。人们设想，在物质的辐射过程中，每个原子中的电子作某种周期运动并因此发射电磁波，从而每个原子的辐射都是一个像谐振子辐射那样的连绵不断的过程，但这样的过程要求有外

5、部能源，因此，他们实际上设想的是如下图景：每一个原子都伴随着一个外部能源，它向该原子源源不断地供给能量；或者有外部能源以其他方式向诸原子供给能量。但人们忘记了，原子过程与宏观过程有一点不同：在宏观过程中，我们可以人为地安排过程的外部条件，其中包括提供外部能源，而在原子过程中，一切过程只能是“自然的”，从而是“自给自足”的，特别是，根本不可能有外部能源。既然没有外部能源，原子就只能靠自身的能量减少来维持辐射。一个原子的能量是有限的，从而单个原子的辐射也只能是一个有始有终的有限过程。因此，即使按照经典物理学，这一过程也肯定会大大不同于谐振子的辐射过程。根据辐射量子论，在任意给定的一段

6、时间里，某一黑体发射的某种频率的能量总是某一能量单位?的整数倍。由于单个原子的辐射只能是一个有限过程，如果在这段给定的时间里，黑体中有5个相同的原子先后完成发射，每个原子发射了一份能量e，另外还有一个原子正在发射，但只发射了能量?的一半，则在这一段时间里，黑体发射的能量为5.5e，并不是?的整倍数。因此，仅仅从单个原子的辐射是一个有限过程，由大量原子组成的物质的辐射仍然会是一个连续过程，只不过描写能量随时间增加的曲线或许不太光滑。如果相对于给定的这段时间，单个原子辐射过程极为短暂，则在这段时间存在某一原子尚未完成辐射过程的概率很小。在极端情形下，如果单个原子辐射过程是一个“瞬间事

7、件”，即它是一个在一瞬间完成的过程，则在这段时间里不可能有原子尚未完成辐射过程。这样，在任意一段时间里，只能有整数个原子完成辐射。而这就得出了普朗克的结论：黑体辐射过程中能量的增加就是跳跃的，一份一份的。于是我们把普朗克的辐射量子论追溯到如下两个前提：第一，物质辐射是一个个原子辐射的迭加；第二，单个原子完成一次辐射是一个“瞬间事件”。这两个前提是否推翻了经典物理学呢？稍后我们再考察第二个前提，如果假定第二个前提已经成立，则从第一个前提我们得出结论：辐射场的能量不连续地增加因为辐射