紫外灾难

文章编号:1000-8934(2007)02-0044-03

普朗克常数h引起的经典物理学自然观的三种改变

张晶

(长安大学人文学院,陕西西安710065)

摘要:物理学的研究成果,往往能使离物理学领域很远的哲学观念发生变化。普朗克常数的诞生,不仅使物理

学经历了由经典到现代的/蛹-蝶0之变,而且还使人们对自然界的基本认识与基本观念发生了根本性转变。

关键词:普朗克常数

h;

自然观;改变

中图分类号:N031文献标识码:A

收稿日期:2006-02-13

作者简介:张晶(1973)),女,吉林人,长安大学人文学院副教授,哲学博士,主要从事科学史、科学哲学等方面的研究。

物质世界中存在着诸多的普适常数,例如,万有

引力常数G、阿伏伽德罗常数N

A

、玻尔兹曼常数k、

普朗克常数h、真空中的光速c

0

、基本电荷e、电子

质量me、质子质量mp、电常数E0、磁常数L0等。物

质世界的物理常数往往通过两种途径来发现:一个

是通过观察与实验获得的,例如基本电荷e、真空中

的光速c

0

等;另一个是则是在建立相关定律定理时

被引用或被导出的,最常见的就是万有引力常数

G、超导现象中的约瑟夫常数e/h、光谱线的精细结

构常数2Pe2/hc等等。这些常数都是直观感性的,容

易被公众理解与接受。但普朗克常数却恰恰相反,

它是普朗克(MaxPlank)用内插法侥幸拼凑出来的,

如同/上帝掷骰子0一般。然而这个让普朗克自己也

为之吃惊的经验数值,现在却成为物理学乃至物质

世界中最重要的常数之一,并以它的发现者命名。

1普朗克常数h的发现

19世纪末,随着冶金工业的发展及其对高温测

量技术的需求,许多理论与实验物理学家都非常关

注热辐射及其相关理论的研究。1893年,德国物理

学家维恩(Wilhelm1Wien)在基尔霍夫、斯特藩以及

玻尔兹曼等人的研究基础上根据电磁理论和热力学

理论提出热辐射能量分布定律

112

:

L=bK-5e-a/KT

其中L表示能量随波长K分布的函数,也叫能

量密度;T表示绝对温度;a、b为任意常数,对应能

量分布函数L最大值的波长K与温度T成正比。维

恩分布定律发表以后引起了物理学界的普遍关注。

但普朗克认为,维恩的推导假设太多,不太令人信

服。于是他从1897年起投身于这个问题的研究,企

图用尽量少的假设从基本理论中推出这个定律。几

乎与此同时,另一些物理学家所获得的相关实验结

果表明,这个定律在短波方向与试验数据基本相符,

但在长波方向却存在较大偏离。

鉴于维恩分布定律在高温和长波条件下所遇到

的问题,英国物理学家瑞利(J1W1S1Rayleigh)提出

一个自认为可能是先验的、他自己也没有资格判断

的热辐射能量分布公式

122

:

L=C

1

K-4Te-C

2

/KT

公式中的指数因子e

-C

2

/KT

是瑞利根据经验添

加的。瑞利的这个公式随后被英国另一位物理学家

金斯(J1H1Jeans)根据经验纠正成为:

L=

8PM2

c3

#kT

因此,这个公式又被称之为瑞利-金斯定律。

然而瑞利-金斯定律又仅适合计算长波方向却不适

合短波方向能量分布的计算。根据这个公式还导出

了一个谬误:在短波紫外光区,理论值随波长的减少

而很快增长,趋向于无穷大,即在紫色一端发散。这

显然与实际情况不符,因为在一个有限的空腔内不

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0。

作为一个具有哲学家气质的物理学家普朗克有

着强烈的形上情怀,深信自然界是和谐而统一

的,

132

他不满足于维恩定律与瑞利-金斯定律在能

量分布计算上的分裂,因而自觉地开始了结束两者

分离局面的艰难探索。1900年12月14日,经过多

方努力,通过采用玻尔兹曼的统计方法之后,普朗克

44

第23卷第2期

2007年2月

自然辩证法研究

StudiesinDialecticsofNature

Vol.23,No.2

Feb.,2007

在德国物理学会议上提出一个与经典物理学概念完

全不同的新假设)))能量不连续的谐振子假设,也

就是人们常说的量子假设,频率为M的谐振子的最

小能量E=hM,其中h是作用量子。根据量子假设普

朗克找到了一个可以协调维恩定律与瑞利-金斯

定律的热辐射经验公式

142

:

L=

8PhM3

c3

#1

ehM/KT-1

其中L表示能量密度;T表示绝对温度;M表示

振子频率;h和k均为普适常数。普朗克根据黑体辐

射的测量数据计算出h的值为6165@10-34焦1秒

(目前公认的h=6162606876@10-34焦1秒),后来

人们就将这个被普朗克本人叫做/作用量子0的常

数,h称为普朗克常数,而将普朗克的能量元称为

能量子。

根据量子假设,普朗克用内插法推导出了跟实

验结果十分吻合的黑体辐射能量)))频率分部定

律,也就是普朗克定律。这个定律符合全部辐射频

率范围内的实验值,它在高温时与瑞利-金斯定律

一致,在低温时与维恩定律一致。普朗克以其卓越

而富有开创性的工作再一次坚定了人们所持有的物

质世界具有和谐与统一本性的信念,更为重要的是

普朗克的工作给人类的思维模式带来了跳跃式变

革。

由于h的提出,普朗克于1918年获得诺贝尔

物理学奖。

2普朗克常数引起的物理学

自然观的变革

普朗克的量子假设以及其后基于量子理论而建

立起来的量子力学向人们揭示出一幅不同于经典力

学的物理世界新图像。这幅新的物理世界图像对人

们思维方式的影响是革命性的,它促使人们从经典

物理学的世界图景中走出来而从根本上改变对自然

界的看法。

(1)自然界由连续走向间断古希腊哲学一直

存在着关于自然界是连续还是间断的争论。关于自

然界是非连续的、间断的看法最有代表性的就是德

谟克里特的原子理论,但是在连续与非连续争论中

占据主导地位的仍然是那位集大成者)))亚里士多

德的自然观。亚里士多德认为:/一切量都是连续

的0

152

,因为作为物质存在方式的时间是连续的,

/既然时间是连续的,量也就是连续的0162

。/假使

时间在两个方面的延伸上无限,量也就在两个方向

的延伸上无限;如果时间在分起来无限,量也就在分

起来无限;如果时间在延伸和分小这两个方面都无

限,那么量也就在这两个方面都无限。0

172

莱布尼兹

也说过:/自然界无飞跃0,并将这种无飞跃的连续性

称作/连续律0

182

。

日常经验里,物质的性质是连续的,因为物质的

大小、重量、能量、颜色、表面积等等都可以无限细分

下去;运动也是连续的,因为运动轨迹呈现出的特性

是光滑与无间断的。自然界的连续性使一定温度下

的任何物质,无论是固体、液体还是气体都在不停地

向周围的空间辐射各种波长的电磁波;热辐射也具

有连续的能量辐射谱线。后来的麦克斯韦电磁场理

论使自然界的这种连续性观点根深蒂固。自然界呈

现的连续性特征,如同莱布尼茨所言的自然界不作

跳跃一样,均是古希腊毕达哥拉斯学派和谐、美妙、

连续、简单自然观的继承。

普朗克常数的提出动摇了自古希腊以降在人们

头脑中长期占据统治地位的认为物质世界仅有连续

而不存在间断的自然观。普朗克常数揭示出,能量

的发射和吸收是以非连续的量子方式进行跳跃,物

体不是以连续的无间隔的方式而是以能量子为单元

一份一份辐射能量的,且每份能量的大小取决于辐

射频率。普朗克的能量元理论以来自实验物理学和

数学的确凿事实和有力证据对自然界的连续与间断

之争做出了颠覆性的判决,这个判决表明了自然界

就其基本构成单元而言并非无限可分,自然界必然

具有间断本性。

普朗克认为,能量子仅以有限个数的方式分给

具有相同频率的一群振子中的个别振子和分给每一

个都有特定频率的不同的振子群,这种有限个数使

配分方式服从概率论。这个令人震惊的与经典物理

学相反的/能量子0假说,/它好像是一团一团的微量

的能量所组成的流0

192

。自然界存在跨越。

如果能量的分布不是连续而是一份一份的,那

么过去通过求积分而推导出的能量均分原理也就随

之不成立,经典物理学中由均分原理引起的矛盾凭

借普朗克常数迎刃而解,紫外灾难得到扬弃。物质

可以分立地以跳跃非连续的方式改变能量。普朗克

常数从此揭开了自然界的非连续本性。

普朗克常数h以及随后的能量量子化概念动

摇了经典物理学的连续性原理并开启人们认知微观

物理世界本性之门。从此,/由牛顿表述的传统力学

定律,以及麦克斯韦电磁定律,在原子及亚原子粒子

的微观世界中完全失效了。0

1102

(2)观察由主客独立走向主客相干经典物理

学认为世界是客观的,被观察对象的状态不以观察

者的意志为转移。构成世界的物体,无论是桌子、椅

子、行星还是原子,/就-在那里存在着.,不管我们观

45

普朗克常数h引起的经典物理学自然观的三种改变

察它们与否。0

1112

牛顿称它为客观实在。这种实在

论预设了存在某种独立于人类观察之外的物理实在

(物理存在),而/宇宙是这种独立存在的物体的集

合,它们合在一起就构成了事物的整体。0

1122

观察对

于客观世界的存在方式与属性不会产生影响,观察

者与被观察对象是两个分别独立、互不相干的体系。

然而,量子世界中观察者与被观察对象之间明

晰的界限变得模糊了,观察者与被观察对象作为统

一于观察过程这一整体中的两个要素彼此发生着相

干作用,并且这种相干作用成了量子物理现象中一

个不可分割的部分。甚至可以说是由于观测者的介

入才最终确定了微观粒子被观察到的现实状态。玻

姆指出:微观客体的属性/乃是一些不确定的潜在可

能性,这些可能性仅仅在于其他系统相互作用中才

得以较为确定的形式实现出来0

1132

。作为量子世界

中的观察者)))人的主观行为,与被观察对象的状

态是结合在一起的,人的行为成为影响观察结果的

无法消除的因素,客体对主体的依存性与主客体之

间的相关性构成量子行为的固有特征。

在量子世界中,离开主体与客体的直接作用,即

离开主体对客体的观察,我们无法精确指出微观粒

子在某一刻具有什么样的属性,/一旦对量子系统作

出观察,它的态一般会骤然改变,这一事实听起来就

像是-精神支配物质.的思想。0

1142

量子世界所谓的

/物质的客观属性0就是如此。我们不能有意识地去

操纵微观粒子的行为,微观粒子亦毋需人们告诉它

应该做什么,但人们的主观状态却实实在在地影响

着微观客体究竟正在做什么。而在经典物理学中,

当你观察物体的运动轨迹时,无论是肉眼的直接观

察还是引入仪器的间接观察,在理论上都是没有区

别的,因为物体的运动是处在一个绝对的客观的外

部世界中,观察的结果是客观的也是既定的。

但是,普朗克常数h的介入对量子的运动轨迹产

生了致命的/干预0。同一个量子的运动轨迹却由于

观察手段的不同而产生不同的结果,没有一个客观确

定的轨迹或答案。微观粒子没有了/客观动量0,而只

有/测量动量0或/观察动量0。观察者的介入对原本

客观存在的既定的观察结果产生了质的改变。

观察从此负荷了价值。于是,/任何观察过程都

必定涉及对于你所观察的对象的一种干涉。因此,

你在谈论对象正在干什么时,我们必须特别指出我

们观察什么,或者说,我们可自由地观察什么。0

1152

量子力学深刻地揭示了在对微观粒子的观察过程

中,观察者和客观实在相互影响、彼此相干的特性,

客体以客观的潜在的可能性制约、规定了主体,主体

(测量仪器)以具体的现实的环境条件规定着客体,

具体地实现了的测量结果则是这种相互规定的结

果,进而使其不可避免地打上了主客体双方的烙印。

(3)宇宙由确定走向不确定经典物理学认为

自然界是既定的,遵循线性的因果关系,/如果掌握

了一个封闭体系的全部初始情况,它的未来就被自

然定律惟一地确定下来0

1162

。这是典型的决定论观

点。在决定论视域里,/世界被看成是完全可预言

的,至少在原则上是如此。0

1172

此时的宇宙好像是一

架硕大无比的钟表,过去、现在和将来都按照某种确

定的方式稳定有序的运行。确定宇宙下的一切事物

都服从机械因果律。人们普遍相信运用牛顿力学就

能对世界的任意现象和事件进行精确的预测和揭

示,人们甚至相信对于自然界每一个动力学变化的

测量,无论是位置、速度还是动量,只要不断改进测

量仪器,原则上就可以达到人们预想的任意精度。

当普朗克引入h之后,世界的确定性与精确性

失去了普遍的意义。

首先,对于微观粒子状态的测定不再具有确定

性。经典物理学认为,可以同时准确地测量宏观物

体的确定的位置与其运动速度。然而在量子世界

中,经典力学的测量方法似乎永远无法做到两全其

美。在对电子运动状态的测量中,/若将电子的位置

计算准确,则其速度就不可计算。反之,若将其速度

测准,则其位置就成测不准。0

1182

虽然可以测出电子

的运动速度约为106m/s,但电子速度的不确定度也

为106m/s,于是,/电子并非简单地同时具有位置与

动量。0

1192

所以,电子在原子中的运动没有确定的轨

道,无法确定电子在原子中的运动状态。/经典物理

学中的轨道概念,到了量子理论中就成了不允许存

在的内容。这里允许存在的就只是波函数,以及能根

据波函数推导出的相应内容。0

1202

宏观世界的确定宇

宙在微观粒子世界中变成不确定的了,而两个共轭物

理量不确定度的乘积需要满足以下的关系才行:

$Px#$Xh/4P

$E#$Xh/4P

于是,凡是乘积具有h量纲的成对物理量都不

能以任意高的精度构成确定。微观粒子世界的不确

定特征,导致人们不能以任意高的精度同时测量粒

子成对量的物理性质,不确定度的乘积不能小于普

朗克常数h的数量级。从此,/在微观世界中存在一

种内在的模糊性,只要我们企图测量两个不相容的

可观察量(如位置和动量),这种模糊性就会显示出

来。0

1212

其次,人们对客观实在存在方式的理解也失去

了确定性。在经典物理学中,物质未来的状态是由

(下转第83页)

46

自然辩证法研究第23卷第2期

StudyingontheCoordinatingDevelopmentbetweenTechnologyInnovationandMoral

LIUHong-yu,PENGFu-yang,HUYuan-qing

(RearchInstituteofScienceandTechnologyPhilosophy,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Abstract:Themoralsaretheimportantsupportresourcesoftechnologyinnovation,thecoordinatingdevelopmentbetweentechnologyinnovationand

moralcaninhibitthenegativeeffectontechnologyinnovation1Inordertoenablethetechnologyinnovationwhilepursuingeconomicbenefits,givingcon-

siderationtotheecologicalandsocialbenefits,caledevelopment,wemuststandardizethetechnologyinnovationandimpelittodevelop

withtheethicaloneinharmonywiththeprincipleofmainbodyandobjectwithunifiedinterests1

Keywords:technologyinnovation;moral;coordinatingdevelopment(本文责任编辑王国政)

(上接第30页)

CognitiveFacultiesandTruth

LID-ifei

(DepartmentofPhilosophyandSciology,HenanUniversityofFinanceandEconomics,Zhengzhou450002,China)

Abstract:Naturallectionguaranteesthefitness-reliabilityofhumancognitivefaculties,which,however,nteethetruth-reliabilityof

cognitivefaculties1Lackingofdeterminateprsivefitnessthanfalbe-

liefs,theprimitiveargumentthatcorrelatesnaturallectionandthetruth-reliabilityofcognitivefacultiesisnotsuccessful1However,somedoubts

aboutthatpremiaremostlyuntenableandthe/temptingargument0maybeplausibleinthenofinduction1

Keywords:naturallection;cognitivefaculties;fitness;truth(本文责任编辑费多益)

(上接第46页)

过去绝对的决定的,因而,客观世界以可被预测的特

殊状态存在。但是,在量子世界中,物质只以概率的

可能态存在着,人们只能说出,没有被观察那一瞬间

的状态可能是什么状态,但是却无法确切地说出在

那一瞬间究竟是什么状态。量子世界就如同我们对

光的波粒二像性理解的那样,在没有被观察的时刻

它既可能是波也可能是粒子,但是一旦我们观察它

的时候,它要么是波要么是粒子。

这样一来普朗克常数的发现就改变了人们对客

观实在的传统信念,经典物理学中那种离开人的直

接观察,抽象地去谈论客观实在的属性与状态,对于

量子世界而言是没有意义的,只有被人们观察到的

才是真实的、有意义的客观实在。

结论:普朗克常数h的发现为人们打开了微观

世界的大门,h的出现成为近代物理学的象征,导致

后来量子论的诞生并构成自然秩序理想的基本要素。

参考文献

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anth

ZHANGJing

(ersity,710065,China)

Abstract:Theachievementinanthnotonlymakeconventional

physicstochangthoroughlylikechrysalischangingtobutterfly,butalsohumansideaofthenature1

Keywords:anth;nature-idea;change(本文责任编辑费多益)

83

论技术创新与道德的协调发展