辐射量子论与物学危机.doc

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辐射量子论与物学危机

辐射量子论与物理学危机 谭天荣 发表于 - 2009-10-17 11:10:00 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。” 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。 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

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