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主题:【原创翻译】《量子》----第一部·量子 -- 奔波儿

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家园 【原创】《量子》----第一章·勉为其难的革命者(8)

在维恩公布他的位移定律后不久的1896年,普朗克从物理学中那些坚如磐石的基本理论出发,开始推导维恩定律。三年后的1899年5月,普朗克认为利用强大而权威的热力学第二定律,他已经成功地完成了推导。尽管不断有实验物理学家提出正面或者反面证据,但其他学者对他的推导表示支持,并开始将维恩定律改称为“维恩--普朗克定律(Wien-Planck Law)”。普朗克对自己的工作信心百倍,他认为“即使这一定律有什么缺陷,它也能与热力学第二定律想吻合”。另外,他觉得非常有必要对这一反映辐射能谱分布的定律进一步进行实验验证,因为对他而言这也正是检验热力学第二定律有效性的好机会。接下来,他如愿以偿了。

1899年11月初,在进行了九个月的大范围观测和排除了所有可能的实验误差以后,努玛和普林斯海姆发布了他们的结果:他们发现“在理论值和观测值之间存在着系统误差”。尽管在短波长领域,观测值与理论值完美匹配,但维恩定律所计算的长波长的辐射值显然过大了。但是,仅仅过了数周,帕邢却对努玛和普林斯海姆的结果提出了异议,根据他所观测的另一套数据,他认为维恩定律“是一个非常正确有效的自然定律”。

当时,大部分顶尖学者都在柏林生活和工作,于是德国物理协会在首都召开的会议变成了大家进行学术讨论的论坛,而讨论的中心集中在黑体辐射与维恩定律。1900年2月2日,当努玛和普林斯海姆发布了他们的最新观测报告时,黑体辐射与维恩定律再一次成为物理协会的双周会上的统治性议题。他们发现在红外区域,他们的观测值与维恩定律的预测值之间存在着系统误差,而这一误差无法用实验误差进行解释。

维恩定律的失败掀起了一股寻找替代定律的热潮。但这些临时性的替代公式被证明并不成功,人们迫切需要在更广的波长范围内进行观测从而能真正建立一个公式来解释维恩定律的误差。的确,在短波长范围内,维恩定律是有效的,但是努玛和普林斯海姆实验数据却证明该定律在其他波长范围是失效的,

任何理论都必须建立在严格的实验数据的基础上,普朗克对此有着清醒的认识,但他同时强烈认为“只有在不同的观测者所得到的观测值保持一致的前提下,才能考虑观测值与理论值之间是否冲突”。虽然如此,不同观测者所得到的结果尽管不能互相一致,他还是被迫重新考虑自己的理论是否存在什么不足。1900年9月末,当他正忙于修正自己的推导时,维恩定律在远红外区域失效的结果被证实。

一锤定音的是由普朗克的密友海恩里希·鲁本斯(Heinrich Rubens:1865~1922)和另一位德国物理学家斐迪南·库勒鲍姆(Ferdinand Kurlbaum:1857~1927)联手解决的。当时,鲁本斯年满35岁,在位于柏林大街的技术学院(Technische Hochschule on Berliner Strasse)任教,刚刚被提升为正教授,但他大部分时间都待在附近的PTR做客座学者。也就是在PTR,鲁本斯和库勒鲍姆研制了他们的黑体模型,并凭借该模型能够测量红外线以外的未知区域。整个夏天,他们测量了波长为0.33毫米和0.66毫米之间、温度为200摄氏度至1500摄氏度之间的区域,来验证维恩定律的有效性。在这些长波长范围内,他们发现理论值与观测值之间的误差非常之大,这说明了一个事实---维恩定律不成立!

鲁本斯和库勒鲍姆想在公开发表的论文上对德国物理学界公布他们的结果。可接踵而来的会议是在10月5日,这一天是星期五,他们根本没有时间写论文。于是乎,他们决定还是等到两周以后的下一次会议上再说吧。但同时,鲁本斯知道普朗克一定急于得到这个消息。

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