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天下一统的企图--科学发展的最重要引擎 精选

已有 5632 次阅读 2018-4-23 07:39 |系统分类:科研笔记

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  从“物竞天择,适者生存”的进化压力环境中存活下来的人类,其DNA可能已经固化了“企图稳定存在”的“生物学基因”(KFC的猜测)。与先天的“稳定存在”基因相适宜,人类文明史的核心要素也是“人类可持续发展”。

  人类要达到自己的稳定存在和可持续,人类必须在进化压力环境下提高做事的效率。科学研究就是提高“人类可持续发展”效率的主动行为。为了提高效率,我们必须要预测,预测利在哪里,害在何处,如何趋利避害,以及有利有害的情形下,如何平衡利害。

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  为了有效预测,我们需要规律和模型。规律和模型的适用范围越大,则预测效率将会越高。追求“一统天下”的大道就是科学发展的最重要引擎。

  19世纪末,物理学发展得几乎尽善尽美。它以牛顿力学、热力学、统计物理学和麦克斯韦的电磁方程为理论基础,对于常见的各种物理现象,都能完美地阐释。然而关于黑体辐射的两个频段却不能统一,有点遗憾。

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  当时描述黑体辐射有两个公式。一个是德国年轻物理学家维恩于1896年提出的。但在1897年,卢梅尔和普林斯海姆两位物理学家用精确的实验证实:这个公式仅仅适用于短波段;在长波段则与实验结果并不一致。另一个则是由英国两位物理学家瑞利和金斯提出的,被称为“瑞利-金斯公式”。但是德国物理学家鲁本斯等人通过实验确认,该公式只在长波段比较适用,在短波段则与实验数据相距甚远。

  能不能缝缝补补把这两个公式统一进一个公式呢?当然就先要对这两个公式进行定性分析。分析发现,描述长波段的“瑞利-金斯公式”当辐射波长趋近于0时,理论数据竟变成无穷大(实验数据却趋向于零)。这就是“紫外灾难”。

  科学家坚信当辐射波长从长变短的过程应该有个统一的模型,因为波长从长变短,黑体辐射的物理本“”并没有变,要变也只能是“量”变。如何找到统一模型呢,科学家就开动自己Crazy大脑猜吧。在科学发展中,如果猜对了,随后的Crazy大脑就不用浪费时间再来琢磨同一个问题了,后面的大脑就可以再去琢磨其它问题这提高了人类的效率,否则的话,后面的大脑还得浪费粮食、空气、水、教育资源和脑细胞来思考同一问题。

  这轮竞猜完胜的Crazy大脑归德国的物理学家马克思·普朗克拥有。

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  1858423日,普朗克出生于德国的基尔。他自小聪颖,16岁进入大学学习。

  为了统一上述黑体辐射公式,他运用运用数学“内插法”凑了一个新的公式。新公式在长波部分接近瑞利-金斯公式,短波部分则接近维恩公式,从而使这两个本来“水火不相容”的公式统一起来。在19001019日柏林物理学会会议,普朗克公布了自己的新公式,顿时吓坏了出席会议的学者,甚至有人斥之为“异端邪说”(当时普朗克已经42啦,还被这样对待;他心理也能接受这样的对待)

  当然也有知音。实验物理学家鲁本斯,在会议当晚根据普朗克的新公式进行了计算,并与自己掌握的测量数据进行了核对,发现结果“令人满意地”相符,普朗克在深受鼓舞。

  然而,然而,然而,上述新公式只是数学上凑出的“天下一统”式,只有从物理模型导出上述数学模型,才能阐明其真正的物理意义,也才能“一统天下”。

  为此,普朗克修改了黑体辐射的物理模型。他假设新的模型是:黑体辐射并不像管子中的流水那样,遵守经典物理学的“能量连续规律”,而只能是不连续的,是一个最小的能量整数倍跳跃式的变化,就像机关枪里不断射出的子弹。这个最小单位的能量被命名为“能量子”。

   19001214日,普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题,在赫尔霍姆茨研究所再次召开物理学会会议上,宣布了自己大胆的假设,公布了基于新假设来推导相关公式的简便方法。此日诞生的量子力学,一统“黑体辐射”天下。

  以此短文纪念普朗克诞生160周年。

声明:图片来自网络


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