普朗克常量要喫透,必須先喫下量子力學來龍去脈的瓜。本來這事是研究生頭疼的日常,題主何苦為難自己呢?

但是,當做一個科學的小八卦故事,我們也是可以講一講的。

先來一記重擊

作為普朗克常量誕生的量子論,量子是很難理解,它是艱深的數學和奇異的模型結合體,充滿了任性的實驗經驗和脫離客觀現實的假設。

量子論的奠基人之一玻爾(nielsbohr)說過:「如果誰不為量子論而感到困惑,那他就是沒有理解量子論。」

讓我們從光開始

很久很久以前,這是事實,不是一個故事慣用的開頭。

自古以來,光就被理所當然地認為是這個宇宙最原始的事物之一。古希臘時代的人們傾向於把光看成是一種非常細小的粒子流,簡單的說,光是由一粒粒非常小的「光原子」所組成的。17世紀中期,義大利數學家格里馬第,根據光的衍射實驗,第一次提出光的波動學說。

這就是潘多拉魔盒的起源,從此,物理學進入了長達數個世紀的波-粒之爭。

19世紀末,麥克斯韋第一次將光統一到電磁波理論中,同時也為幾百年的糾纏爭論,暫時劃上了句號。光的波動說變成了無可動搖的事實,順帶,經典物理走上了巔峯。

到這裡為止,都沒有量子論什麼事,一切都還十分的美滿幸福。

有光的地方就有烏雲

19世紀最後的年月裏,76歲的開爾文男爵的這段發言,令他在物理史上留下了永遠的印記,他是這樣說的「動力學理論斷言,熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽,顯得黯然失色了。」

這兩朵著名的烏雲,分別指的是經典物理在光以太和麥克斯韋-玻爾茲曼能量均分學說上遇到的難題。

簡單的說,指的就是人們在邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射研究中的困境。

今天我們知道,第一朵烏雲,最終導致了相對論革命的爆發。第二朵烏雲,最終導致了量子論革命的爆發。

我們的故事有點長,這時候主角才正式登場。

黑體輻射的困境

一個物體看上去是白色的,是因為它反射所有頻率的光波;反之,如果看上去是黑色的,則是因為它吸收了所有頻率的光波。物理上定義的「黑體」,指的就是可以吸收全部外來輻射的物體。舉個簡單的例子,一個空心的球體,內壁塗上吸收輻射的塗料,外壁上開一個小孔。從小孔觀察內壁,就是絕對黑色的,即是我們定義的「黑體」。

同學們研究黑體不是閑到無聊,而是根據黑體熱輻射效應,用這個原理,我們甚至可以坐在實驗裏,就能知道天上恆星的元素構成,對於研究宇宙的奧祕可是有著至關重要的作用。

但隨著研究的深入,我們遇到了一個尷尬的事實,當我們用數學方式來描述「物體的輻射能量和溫度究竟有著怎樣的函數關係」時,最終推論出兩套經驗公式,它們分別是維恩公式以及瑞利-金斯公式,這兩個公式分別只有在短波和長波的範圍內才能起作用,在各自的領域內,它們精確的和實驗吻合,可是一旦來到對方的界限中,它們則涇渭分明,無法溝通。但物理學的最高教義就是統一,同一個事實的描述,不可能需要兩個毫無聯繫的方程,這其中必定隱藏了什麼。

仔細分析裡面的奧祕,我們驚訝的發現,如果我們從經典粒子的角度出發去推導,就得到適用於短波的維恩公式。如果從類波的角度去推導,就得到適用於長波的瑞利-金斯公式。光這個古老的概念,究竟是粒子還是波?我們又回到了曾經困擾幾百年爭論問題的起點。

普朗克的發現

普朗克是個好同學,他決定徹底解決黑體輻射這個困擾人們多時的問題。他的目的也很簡單,從現存的兩個公式中,找出一個普遍適用的公式,徹底解決紛爭。普朗克對自己數學功底有很強的自信,他利用數學上的內插法,讓維恩公式的影響在長波的範圍裏盡量消失,而在短波里「獨家」發揮出來。

就是這個純粹出於湊數的公式,背後帶來了一場令物理界地動山搖的變革。

多年以後,普朗克在給人的信中說「當時,我已經為輻射和物質的問題而奮鬥了6年,但一無所獲。但我知道,這個問題對於整個物理學至關重要,我也已經找到了確定能量分佈的那個公式。所以,不論付出什麼代價,我必須找到它在理論上的解釋。而我非常清楚,經典物理學是無法解決這個問題的」。

普朗克發現,他必須拋棄經典物理的一些概念了,甚至完美無缺的麥克斯韋方程組也必須違背,他得接受一直不喜歡的統計力學立場,從玻爾茲曼的角度來看問題,把熵和幾率引入到這個系統裏來。然後,普朗克發現了一個事實,他必須做一個假定,假設能量在發射和吸收的時候,不是連續不斷,而是分成一份一份的!

正是這個看似極度平常的創舉,量子正式誕生!

普朗克的方程明確表示,能量必須只有有限個可能態,它不能是無限連續的。在發射的時候,它必須分成有限的一份份,它存在一個最小的單位。

結語

那麼,這個最小單位究竟是多少呢?從普朗克的方程裏可以容易地推算出這個常數的大小,它約等於6.55×10^-27爾格*秒,換算成焦耳,就是6.626×10^-34焦耳*秒。這個單位很小,以至於我們通常認為它好像就是連續的一樣。

而這個值,現在我們稱之為「普朗克常數」,用h來表示。同時,這也是人類目前理解的最小的單位,事實上,我們已經無法再往下劃分了。

有同學不服,認為腦洞無極限,我不介意這個觀點,但是請記住,思考和胡扯的界限,就是實驗。如果你能拿出成熟的理論加以實驗數據佐證,我不介意修改我的看法。在這之前,請閉嘴。

我是貓先生,歡迎關注,感謝閱讀。


普朗克常數,來源於普朗克對於黑體輻射公式的研究。對該常量的解釋,誕生了量子力學。而且,普朗克常量也是鏈接微觀粒子波粒二象的橋樑。

普朗克常量的來源

普朗克常量來源於人們對於黑體輻射的研究。黑體是物理學上面的專有名詞,指的是一個對於任何電磁波都吸收,而不會反射的物體。黑體吸收電磁波後會產熱,科學家們根據經典力學不同的理論,竟然得出來兩個描述黑體產熱和光波頻率的公式,一個是維恩定律,一個是瑞利-金斯定律。更為令人困惑的是,兩個定律竟然互不相容,一個在短波和實驗數據完美切合,一個在長波區域和實驗數據完美切合。這樣奇怪的事情,令科學家十分困惑,大家覺得一定是什麼地方出現了問題。

普朗克也是這些困惑科學家中的一員,他為了使得兩個公式可以相互融合,提出了內插法解決這個問題。於是,他靠著純數學的手段,真的還就猜出了一個公式,這個公式完全和實驗數據相符,沒有任何應用限制。但問題是,這個公式的物理學意義,竟然是要光的能量是一份份的發射,每份能量為hv,其中h就是普朗克常數。利用普朗克推出的這個公式,可以計算出h的值,就是6.626×10^-34 J·S。剛開始,普朗克對此解釋也很不能接受,但公式又正確無疑。

普朗克常量再小會出現什麼情況?

我們的世界存在很多常數,比如c、萬有引力常數G等等,這些常數構成了我們的世界。每個常數看似沒有任何聯繫,但是卻又相互完美切合。任何一個常數的大小都是剛剛好,輕易改變任何一個常數,帶來的都是一系列物理規律的改變。就像蝴蝶效應一樣,即便遠隔萬裏的蝴蝶扇動翅膀,也可能導致一場巨大的風暴。

對於這些物理常數而已,它們就是組成世界最為基礎的基石。任何改變,都將會徹底地改變世界的構架。如果把我們的世界比作一個大型程序,那麼這些常數就是全局變數,任何改變,導致程序的運行結果都會發生極大變化,甚至會出現一些嚴重BUG,導致程序崩潰。


這個好。喫透普朗克常數h的意義,是不容易的,反映物理學(非數學)的超對稱思維方法。

先給答案:因為h涉及基本粒子的臨界參量。尤其涉及光子的極限速度c與極限頻率f?做分母。

普朗克常數的特殊意義

大家知道,可用光電效應實驗,來驗算普朗克常數:h=△Ek/△f=6.63×10?3?[J/Hz]...(1)。

h的意義是:電子脫出功W=△Ek與電磁輻射頻增量的比例常數,反映電子物質波動能與光子電磁波頻率的對應關係——可稱能頻當量。

當量關係,是應對、應激、應變、投影、迭代、轉換等超對稱關係的量綱分析法。

能量增量與熱量增量的當量關係——可稱功熱當量:k"=△E/C△T =4.18[J/cal]...(2)。

電流熱效應中的熱量與電流的當量關係或電阻參量——可稱熱電當量:R=Q/I2t...(3)。

平均動能與與絕對溫標的當量關係——可稱能溫當量:k=2Ek/3T=1.38×10?23J/K...(4)。

普朗克常數的普適性意義

就光電效應而言,普朗克常數之所以很小,是因為電子質量極小:m=9.11×10?31kg,而紫外線的光子頻率:f>c/380nm=7.9×101?[Hz]。

而普朗克常數,揭示束縛電子變成自由電子所需要的臨界性的光子頻率f?或電磁輻射能E?。

公式(1),作為光電效應方程,不難推導,也可寫成:λ=2hc/mv2...(5),其意義在於:

在大型強子對撞機中,當質量為m的費米子被加速到接近光速,即:v=0.999(...)c≈c時,公式(5)可改寫成:λ=2hc/mc2=2h/mc...(6)。

換句話說:費米子是一種物質波,也叫移動波源,當其測地線循環速度達到光速v=c,其激發的極限頻率:f?=?mc2/h...(7)。

公式(7)可寫成h的定義式:h=?mc2/f?...(8)。其中費米子質量很小,極限頻率很高,因而h極小。況且m,c,f?都是常數,故h是不可改變的常數——這就是答案。

在正負電子對撞機中,兩個電子在同地分別在反向磁場中背向被加速(變成±e)。有條件:

1個電子被加速到v→c,而其Ek→?mc2,所激發光子的極限波長:λ?=2h/mc=4.85[pm],極限頻率:f?=c/λ?=6.18×10?21[Hz]。

同理,在超大型強子對撞機中,質子被加速到v→c,質子動能Ek→?mc2,此時

激發光子的極限波長:λ?=2h/mc=2.64[fm],此光子的極限半徑:r?=λ?/2π=0.42[fm],並伴隨有光子的極限頻率:f?=1.14×1023[Hz]。

當然,如果能將α粒子加速到接近光速,所激發的光子波長約比質子激發波長小4倍,約0.1fm,或是宇宙中波長最短的光子了。

注意:為與光電效應協調,筆者建議把康普頓波長公式λc=h/mc修正為λ=2h/mc,把德布魯伊波長λd=h/mv修正為λ=2h/mv。

好了,本答stop here。請關注物理新視野,共同切磋物理邏輯與中英雙語的疑難問題。


普朗克常量是量子理論的起源,因為人們發現能量是一份份的,即量子化的,違背了連續性的客觀規律,科學家們大喫一驚,不敢相信 ,但粒子世界就是存在,由此揭開了量子物理的序幕。

普朗克常數的究竟何來?物理推導和意義何在 ?直到今天,還是有太多的謎。

挖掘普朗克常數的深層次的物理價值是量子物理的升華,其本質可以這樣理解:

光粒子是物體最小的粒子結構,光子的質量和能量是一切質量和能量的最小交換單位,一個光粒子的能量在數值上就是一個普朗克常數,單位是焦耳。

光粒子的質量是2倍普朗克常數與光速平方的比 約等於1.48*10^-50KG

這標誌著粒子世界的質量和能量都是量子化的。


實質上,普朗克常數只是電磁場一個週期內對帶電體施加的作用量的比例係數而已。也就是一個帶電體在一個週期內的變化程序的量度係數。並不是什麼物理中的最小劃分單位,更不是客觀世界存在的一種特定的最小粒子所攜帶的能量數量。因此,再小的度量單位當然也有,就是小於一個週期時的能量變化值。由於週期數是連續變化的量,不是離散的所謂量子化的量,因此,不存在最小能量單位的情形。因為頻率可以是小於1的非整數,甚至存在穩定的電磁場,其頻率為0。因此,客觀上不存在最小能量單位,能量更不是一份一份的。這只是人們對其產生的嚴重誤解而已。詳情可參見本人以下文章;


光粒子,是微觀世界的粒子在脫離自身所在的「原生態體系」時,在高速脫離狀態過程中與原生態體系中其他粒子發生強烈並且高速碰撞時產生的新的粒子,不同種性的粒子所產生出來的光子其實是不同的。這是常識。

其二。所謂的光子半徑,也是不一樣的,因為任何一個粒子在高速臨界狀態過程中與其他粒子高速作用所產生的新的粒子也是因種性的不同而不同的,所以,所謂的常數,是不可能存在的。這就如同不同體量,種性的人在迅速走出門的時候帶動起門口附近的物質變化的形態,狀態都不盡相同的道理一樣。只不過由於人類的觀測手段或精度有限,還發現不了這種不同罷了。


我對普朗克常量,有個很個人的見解,這一點,普朗克本人也未必知道,他那個一份一份不能拆開的量,是什麼原因所制約。宇宙物質多為螺旋構造,螺旋是一種週期性遞進結構,不滿一個週期,是不可能進入下一個週期的,即使是重複同一個週期的圓,或者以週期遞進的「波",也都是以滿一個週期後,才能進入下一個週期,它們是不能以半個或幾分之一週期,而進入下一個週期的。普朗克常量,反映的就是物質構造週期的不可分拆性,一個週期就是一個週期,從來就沒有以三分之一週期,進入下一週期的例子。作週期運動的宇宙物質,無論是螺旋結構,還是圓的結構,亦或是波形結構,都必須遵行週期這個一份一份的份量性,物質能量是按週期一份一份集合的,它釋放彌散時,也仍然以一份份的釋放,這樣解釋普朗克常量,是符合物理的客觀實在性的。


我認為普朗克常數就是光子的半徑,是宇宙中最小的粒子的半徑。


推薦閱讀:
相關文章