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物理史话之量子理论的引路人维恩
发布时间:2019-09-04
 

如果你在知乎上问:一个对物理一窍不通,基础非常差的人,如何获得诺贝尔物理学奖。我估计答案会是五花八门的,但是一个唯一的结论就是:痴人说梦。然而,世事无绝对,在物理学史上真的有这样的一个人,只用了3年时间就从一个对物理一窍不通的人到获得物理学博士学位,继而又为现代物理学中的量子理论打下了坚实的基础,并因此而获得了诺贝尔物理学奖,他就是本文的主角--德国物理学家--维恩。

物理史话之量子理论的引路人维恩

威廉·卡尔·沃纳·奥托·弗里茨·弗朗茨·维恩

威廉·卡尔·沃纳·奥托·弗里茨·弗朗茨·维恩于1864年出生在东普鲁士菲施豪森(现属俄罗斯)的地主家庭。1866年,维恩随父母迁往拉斯滕堡。维恩是家里唯一的孩子,家里又非常有钱,所以维恩的童年应该来说还是过得非常爽的,他的活动包括骑马、游泳和滑冰。1875年,维恩被送到当地的中学学习,但他迷恋于自由散漫的生活,热衷于玩耍而不是学习。由于他的各门功课基础薄弱,尤其是数学基础更差,1880 年,他被学校开除了。父母只好请来家庭教师,特别是请了一位非常有名的数学老师为他补课。之后,又把他送到柯尼斯堡的一所中学学习。1882年,维恩在母亲的劝说下,进入哥廷根大学学习数学和自然科学。由于他自由散漫惯了,觉得学生生活实在索然无味,而自己的数学基础又差,上课基本上听不懂。因此过了一个学期之后,他就开始离校游荡,后来又想干脆回家去当地主算了。但是回到家以后,他又吃不了干农活的那个苦,整天在田间游荡。最后家人劝说他还是回学校去学习,维恩只好同意。不过这次他决定去柏林大学学习数学和物理(估计他擅自离校的事,已经让哥廷根大学将他除名了)。然而这时的维恩对物理根本就是一窍不通,而且当时的他对自己的未来也毫无打算。但是让维恩没有想到的是,这次的柏林之行,竟让他的人生发生了翻天覆地的变化。

物理史话之量子理论的引路人维恩

哥廷根大学

维恩在柏林大学的第一年依然处于一种浑浑噩噩的状态之中。到1883年的冬天,一次很偶然的机会,他进入到了亥姆霍兹的实验室,这对维恩来说是一片全新的天地,这里的一切都深深地吸引着他。很多年以后,维恩回忆当时的情景时说:这是他第一次真正跟物理学建立了联系。他终于找到了自己感兴趣的事物,从此以极大的热情开始物理学习。但是不久之后,一次误会差点让维恩刚刚燃起的学习热情被彻底浇灭。当时亥姆霍兹的助手凯泽尔指责维恩做实验不认真,实验数据造假(估计维恩天性中的那种自由散漫是刻板到骨子里的德国人所最痛恨的),于是凯泽尔建议将维恩开除出物理研究所。维恩在随后的一个学期的确离开了柏林大学,去了海德堡大学专门学习了他非常缺乏的大量的物理学基础知识。但是到第二个学期,他又回到了亥姆霍兹的实验室。亥姆霍兹亲自对维恩进行了测试,随后给了他一个博士论文的题目。这对于一个经历过多次失败,在学校中从未得到过认可的维恩来说,简直是天大的鼓舞和鞭策。亥姆霍兹还因为维恩的物理基础差而特意给了他更多的关注,及时给予他指导和帮助。在亥姆霍兹的帮助之下,维恩用了两个学期的时间,顺利完成了博士论文,并于1886年获得博士学位。作为世界上最伟大的科学家之一,亥姆霍兹仅用3年的时间,使维恩从几乎不懂物理的一个糊里糊涂的年轻人变成了一个获得学位的博士,简直是一个奇迹。

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亥姆霍兹

维恩虽然获得了博士学位,但是在答辩时由于一个数学问题没有讲清楚,使得他刚刚建立起来的信心又遭到了巨大的打击。这时候亥姆霍兹和孔脱都劝维恩不要着急找工作(毕竟人家家里有地)。于是维恩回到家中,帮助父母照看农场,直到1889年。1890年,由于干旱,维恩的父母卖掉了农场,而这时候,经过几年恢复的维恩也已经重新建立起了自信,他回到了柏林,全身心地投入到科学研究中,成为了亥姆霍兹的助手。

19 世纪末,人们已经认识到热辐射和光辐射都是电磁波,并对辐射能量在不同频率范围内的分布问题,特别是黑体辐射,进行了较深入的理论和实验研究。1893年,维恩在热辐射研究方面取得了重大突破。他在前人研究的基础上从热力学和电磁学理论出发,根据多普勒效应和斯特凡-玻尔兹曼定律,推导出了理想黑体辐射的位移定律。该定律指出,随着温度的升高,与辐射能量密度极大值对应的波长向短波方向移动。光测温度计就是根据这一原理制成的。德国物理学家劳厄曾这样评价说:"维恩的位移定律是一个天才的成就,是经典物理学所能做出的最大进展"。1895年,维恩首先指出,绝对黑体可以用一个带有小孔的辐射空腔来实现。第2年,卢梅尔和普林舍姆实现了第一个实用黑体--空腔发射体,为他们的实验研究提供了所需的"完全辐射"。接着,维恩研究了黑体辐射能量按波长的分布问题。1896年,维恩在分析了实验数据之后,假定黑体的热辐射和气体分子类似,服从麦克斯韦速度分布律,导出了一个半经验的公式,即维恩公式。当时正是麦克斯韦电磁理论取得辉煌胜利的时候,而维恩把分子运动论规律应用到了电磁波里,用类似牛顿光粒子的理论来处理电磁现象,这种大胆的做法被当时的许多物理学家认为是离经叛道的,但是该公式与当时的实验结果却相当吻合,因此发表后立刻引起了物理学界的广泛关注,实验物理学家力图用更精确的实验予以验证,理论物理学家则希望把它纳入热力学的理论体系。

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辐射空腔

维恩在热辐射理论的先驱性工作对普朗克最终提出量子理论起到了积极的引导作用。1899年普朗克把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用,通过熵的计算,推出了维恩公式,证明了它的理论合理性,从而使这个公式获得了普遍的意义。然而维恩公式在短波波段与实验符合得很好,但在长波波段与实验有明显的偏离。而瑞利于1900年、金斯于1905年在作出振子能量按自由度均分的假定后导出的辐射公式则在长波段与实验结果相符,但在短波段则完全不符合实验结果。由于该公式完全由经典物理理论推导得出的,在逻辑上无懈可击,所以直接暴露了经典物理学在处理微观领域的局限性,经典理论与实验结果在短波段的这一严重分歧,物理学史上称为紫外灾难。也就是开尔文勋爵所说的两朵乌云中的"黑体辐射"那朵乌云。这充分说明经典物理还存在缺陷,从而促使普朗克对黑体辐射问题的研究,最终导致了普朗克量子论的建立。维恩也由于他的黑体辐射研究而获得了1911 年的诺贝尔物理学奖。正如劳厄评价的那样:" 他的不朽的业绩在于他引导我们走到了量子理论的大门口。"

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黑体辐射所满足的公式

1928年,维恩在慕尼黑去世,享年64岁。

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