谈“紫外发散”悖论：光量子假说是如何提出来的

谈“紫外发散”悖论：光量子假说是如何提出来的
谈“紫外发散”悖论：光量子假说是如何提出来的

谈“紫外发散”悖论：光量子假说是如何提出来的
爱因斯坦是20世纪最伟大的物理学家,他所取得的伟大成就与其超人的智慧和创造性思维是分不开的.如果说在狭义相对论和广义相对论的创立中爱因斯坦作出了重大贡献,那么,在量子力学的建立和发展过程中,爱因斯坦也是功不可没的.
　　实际上,就量子论的创立来说,当德国物理学家普朗克在量子论的道路上犹疑、徘徊的时候,爱因斯坦就敏锐地看到了“量子假说”的生命力之所在.正是他注意到光的经典理论的缺陷,在普朗克量子论的启发下,于1905年提出了与经典理论根本对立的光量子假说,成功地解释了“光电效应”.后来的史实表明：1921年爱因斯坦之所以能赢得诺贝尔奖,不是因为他的相对论,而是因为他圆满地解释了光电效应.
　　大家知道,19世纪末,黑体辐射问题是困扰物理学家们的重大难题之一.所谓黑体,是指这样一种物体,在任何温度下,它将入射的任何波长的电磁波全部吸收,没有一点反射,而在相同温度下,它所发射出的热辐射比任何其他物体都强.在自然界中,不存在这种理想的黑体,但在某些条件下我们可以找到近似于黑体的物体.可是,科学家在研究黑体辐射问题时却遇到了著名的“紫外发射”悖论.
　　当时,科学家通过对黑体辐射的研究总结出了若干经验定律.1896年德国物理学家维恩根据热力学理论,把光看作一种类似于分子的东西,提出了一个经验公式.虽然这个公式在短波领域同试验数据相符,但是在长波领域与试验数据不符.后来,英国物理学家瑞利与金斯根据经典电动力学和经典统计物理学,把光看作是振动着的波的汇集,提出了另一个公式.但这个公式适用于长波领域,并不适用于短波领域.特别值得指出的是,使用这个公式却推导出一个荒谬的结论：在短波紫外光区,理论值随波长的减少而很快增长,以致趋向于无穷大,即在紫色一端发散；这显然与实际不符.因为在一个有限的空腔内,根本不可能存在无限大的能量.面对理论结论与试验结果之间出现的这个巨大矛盾,当时的物理学家无法作出合理的解释,所以,后来人们就把这个科学难题称为“紫外灾难”.
　　实际上,这个矛盾在经典物理学框架内是无法得到解决的.那么,这个悖论究竟怎样才能解决呢?在许多物理学家的种种尝试都以失败告终的情况下,1900年德国物理学家普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题,提出了一个大胆的能量子假说.这是一个与经典物理学基本原理完全对立的假说.根据这一假说,在光波的发射和吸收过程中,发射体和吸收体的能量变化是不连续的,能量值只能取某个最小能量元的整数倍.由这个假说推算出来的黑体辐射规律与观测事实符合得很好,但能量量子化的观点违背日常生活经验,当时没有被人接受,而普朗克本人也踌躇不前.
　　其实,从这个假说出发,如果再向前一步,就可以得出电磁场能量具有不连续性的结论,甚至可以得出电磁场包括光在内还有粒子性的结论,但他没有迈出这关键的一步.在普朗克的分析中,他只是将能量量子化作为一种方便的计算手段,并没有赋予其真实的物理意义,更没有意识到能量量子化与经典力学及经典电动力学的根本背离.
　　就在普朗克犹豫徘徊,大多数物理学家对他的能量子假说不以为然的时候,爱因斯坦却最早明确地认识到量子概念的重要性.在光的波动说对光电效应不能作出令人满意的解释的时候,1905年爱因斯坦在德国权威杂志《物理学年鉴》上发表了一篇题为《论光的产生和转化的一个启发性观点》的论文,提出了著名的光量子假说.
　　爱因斯坦认为,解决困难的关键在于处理连续性与间断性的关系.在这个问题上,牛顿力学、气体力学与麦克斯韦的电磁学理论之间存在着深刻的分歧.他还认为解决矛盾,必须采用新的假设.他说,“在我看来,如果假定光的能量不连续地分布于空间的话,那么,我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其他涉及光的发射与转换现象的各种观测结果.”
　　其实,这篇文章的一个重要贡献,就是运用光量子假说成功地解释了“光电效应”现象,以及一系列与光的产生和转化有关的问题,从而大大地推广了普朗克量子概念的应用范围.因此,科学史家库恩将爱因斯坦,而不是将普朗克称为量子理论的真正发现者.实际上,正是由于爱因斯坦一系列奠基性工作,量子理论才逐步为人们接受.
　　第一,这个悖论的发现和解决具有重大的理论意义和重要的方法论价值.它表明科学的难题往往以悖论的形式表现出来；悖论一旦得到解决,科学理论随之将会获得突破性发展.
　　第二,这个悖论所导致的物理学革命大大地变革了人们的世界观和思维方式.在这场革命中,普朗克是被“逼出来的革命家”.其实,他的犹豫徘徊表明：解决悖论问题,除了有深厚的理论基础之外,还必须具备巨大的理论勇气,不受理论的束缚,否则,很难大胆地作出根本性的观念变革.
　　第三,这个悖论给物理学带来失望,也带来了希望.说它带来失望,是指它不仅揭示了能量均分定理等经典理论的缺陷,而且表明了经典物理学在黑体辐射问题上的失败.由于上述荒谬的结论是根据经典物理学公式推导出来的.所以这个失败不是局部的,而是整个经典物理学所面临的“灾难”.说它带来希望,是指它孕育着一场深刻的物理学革命.这个悖论迫使科学家们放弃经典物理学的传统观念,转向接受量子理论的新观念.