430、灵魂的洗礼（二）有关光和热理论上空布满乌云

 D. 19世纪 物理理论（有关光和热的理论）布满乌云

对黑体辐射的研究，是社会生产力发展的需要，当时的德国正处在钢铁和化学工业的发展中，所以对有关‘物体受热’与‘物质辐射’的研究十分迫切，人们还急于知道‘物质辐射’与‘光波长度’之间的数量关系。但是如果只是靠实验来寻找它们的对应，是没有普适性的。于是德国的维恩、英国的瑞利和金斯，先后发表两个公式，试图解决这些问题，

‘物质辐射的强度’随‘波长长度’变化图。

波长越短,辐射的光量子的强度（能量）越高spe.sysu.edu.cn

什么是辐射？

辐射，指电磁波或微观粒子等（如质子或α粒子）从‘发射体’出发，在空间或媒质中，向各个方向传播。

什么是辐射强度？

辐射强度是每单位‘立体角’ 发射、反射或接收的辐射通量（通量是通过一个表面或一个物质的量。在热学领域是指在单位时间内通过单位面积的流量）。维恩公式指出：在一定温度下，黑体的热度与辐射力的大小有关。维恩公式是通过对实验数据的总结提出的。辐射力就是某一频率的辐射能量。通过对物理公式的推演，得知不同的温度（能量），对应不同的波长（或频率）。但是，维恩公式仅与辐射的短波相符，它只适用于波长较短的情况, 而对长波的‘红外区’，维恩公式与实验数据不符。于是英国的物理学家瑞利和金斯作了进一步研究，他们从经典物理学的“能量均分原理”，推出了一个“瑞利—金斯公式”。如前述，‘理想黑体’ 可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射，其光谱特征，仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。但是从“能量均分定理” 推导出的瑞利-金斯定律，在高频区域与实验数据不符。在辐射频率趋向无限大时，能量也会变得无限大。就是说“瑞利-金斯公式”，在长波区和实验符合，但是在短波区不相符。当波长接近紫外区域时，计算出的能量变为无穷大! 

公式与实验结果在短波区的矛盾，人们称之为“紫外灾难”。

瑞利和金斯作了各种努力，但是他们发现，只要坚持经典物理的统计理论（能量均分定律），

上述荒谬的结论就不可避免。

试想往一个黑体内射入电磁波，电磁波带着能量，根据物理学规律，

科学家能计算出在特定温度下，黑体内所有的电磁辐射所携带的能量。

但是根据计算，却得出一个荒谬的结果--

对任何温度来说，黑体内所反应的紫外短波的总能量是无穷大的！ 

2、在经典统计力学中有个“能量均分原理”。

“能量均分原理”是物质在热平衡时，能量被等量分到各种形式的运动中，或者可以说，当系统达到热平衡时，系统的总动能是由各‘独立分量’所等分的。当时的物理学家认为，每一个（电磁波的）波段，所分得的能量应该是相同的。并且认为，被限制在一定体积内的辐射会形成“驻波”。

【说明】

驻波是两个波长、周期、频率和波速都相同的波

‘相向’行进（即方向相反行进）相互干涉而形成的合成波。

与行波不同，驻波的波形无法前进，故名之。

就是说，‘驻波’是频率和振幅相同、振动方向一致，

但传播方向却相反的2列波，叠加后所形成的波，

上述2列波叠加后，其波形并不向前推进，故称‘驻波’。

与驻波相对的是‘行波’，

行波是波在介质中传播，其波形不断向前推进，故称‘行波’。

驻波的波形虽然也是随时间而改变的，但是却看不出波形向任何方向移动。

如果有2列驻波在同种介质传播时，必然会产生干涉现象，形成‘加强区或减弱区’。

“驻波”波长的整数倍，等于所限的某种尺度。

越是短波（即波的频率越高，偏紫外区域），

它的驻波个数就会越多，

相应地，驻波个数多，

在该区域所分得的能量就越多，

当波长趋于零时，驻波的个数也将趋于无限多，

其所分得的能量即趋于无穷大。

黑体内的波峰和波谷都是整数的！

一个波总可以有更多的波峰和波谷！

黑体内可能存在的波也是无限多的，

又因为每种模式的波，都带着相同的能量，

所以无限多的波，具有无限大的能量。

如前述，这种荒谬的结论，称为“紫外灾变”。

经典物理学的这一错误现象如此严重，

历史上称为“19世纪热和光理论上空的乌云”。

同时这朵乌云也是经典物理学天空的乌云。

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