黑体辐射新发现的意义

1900年，英国著名物理学家开尔文(威廉·汤姆孙)在一篇展望20世纪物理学的文章中说，“在已经基本建成的科学大楼中，下一代物理学家只需要做一些零敲碎打的修理工作”；然后他补充道，“但是，在远离物理学的晴朗天空的地方，有两个令人不安的小乌云。”这两个乌云指的是当时物理学无法解释的两个实验。一个是黑体辐射实验(也叫热辐射实验)，另一个是迈克尔逊-莫雷实验，检测光传输介质(以太网)的存在。开尔文的视力很好，但他可能不认为是这两朵乌云很快发展成了物理学上的革命性风暴。对光速的研究导致爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论。这是物质高速运动对牛顿力学的影响。1900年，物理学家研究了黑体辐射的实验数据，总结出低温区的瑞利-琼斯公式和高温区的韦恩公式，但这两个公式无法联系起来，也没有合理的解释。1900年，普朗克在研究这些实验数据的基础上，提出了辐射是量子化的假设(即辐射能量是跳跃的，不是连续的)，并推导出普朗克公式，与实验数据吻合良好。普朗克引入了一个新的常数来做这个公式，后来被称为普朗克常数。普朗克没有建立他的公式起源的完整理论。然而，在他的成就的基础上，随着研究的深入，通过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡、狄拉克等人的努力，量子物理理论基本上在20世纪20年代末建立了。量子物理理论是微观领域经典物理理论的修正。普朗克常数是量子物理中的一个基本常数。量子理论是打开微观世界大门的钥匙。没有量子理论，许多现代新技术是无法支持的。量子理论和狭义相对论构成了现代物理学的两大支柱。玻色和爱因斯坦获得了最完美的黑体辐射理论。量子统计中有一个玻色-爱因斯坦统计。这个理论专门用来解决像光子这样的微观粒子的热运动。黑体辐射理论只是玻色-爱因斯坦统计理论的一个应用。普朗克自己在1905年说过，当物体和波长之间的距离处于同一数量级时，普朗克定律可能不适用。为了有一个直观的印象，我们可以给出几种物质的标度:红光的波长是770-640纳米(一纳米等于十亿分之一米)；紫外光的波长为440-400纳米。锂原子的半径约为0.156纳米。硅原子半径0.113纳米；糖的分子半径小于0.5纳米。新华社记者采访了陈刚。陈刚说，几十年来，许多科学家试图通过实验证明普朗克定律的局限性，但他们没有取得任何突破。陈刚领导的研究小组通过使用由硅石制成的小球和平板取得了突破。在他们设计的实验中，即使球接触到平板，也只有一个接触点。从这一点开始，球与平板分离，两者在不同距离的辐射可以用原子力显微镜的悬臂梁来测量。计算结果表明，物体在微距离的辐射可以达到普朗克公式预测结果的1000倍。“在这个微小的距离测试辐射也很有趣，”陈刚说。“原子力显微镜的悬臂梁有两层，一层是金属，另一层是氮化硅薄膜。即使温度稍有变化，两者产生的热膨胀和应力也是不同的，悬臂梁会发生偏转。此时，可以通过用激光测量偏转角度来测量辐射”。他补充道，“这是一种非常灵敏的热量测量方法，也非常新颖。”陈刚说:“这个领域的真正研究开始可能已经有七八年了，但目前使用的实验是两年前才开始的。取得现在的成就并不容易，它是团队合作的结果。”目前，陈刚的研究小组在实验中可以精确测量30纳米距离的辐射。陈刚说，他们将进一步改善实验条件，努力精确测量1到2纳米距离物体的辐射。他认为测量结果会更加令人惊讶。陈刚还说，两个物体在微距离的辐射非常强，这是由两个物体的表面波引起的。表面波是由电磁波和声子波混合而成的，具有很大的能量。他认为，这一研究成果有望应用于计算机硬盘、热光伏转换和微机械系统，但其应用也面临诸多挑战。从以上报道可以看出，虽然实验研究取得了重大突破，但还没有最终完成。我们将拭目以待，看看在更近的距离有什么新的实验数据。此外，还有一个非常重要的问题是如何从理论上解释这一现象。我无知。从我掌握的数据来看，虽然有人怀疑普朗克黑体辐射公式，但没有人做出任何理论推导。这必须唤起人们的联想和期待。我敢这样推测:首先，我们没有理由相信量子理论会在这个尺度和这个现象上失败。因此，这个问题的解决方案仍然基于量子理论。其次，物理学史上超导性和量子霍尔效应的量子解释可能为我们最终解决这一理论问题提供有益的启示。当量子理论应用于这两个领域时，它使用了非常聪明的微观模型。让我们回顾物理学家如何建立模型。所谓的超导现象是一些导体的电阻在非常低的温度下突然消失。1957年，巴丁、库珀和施里弗认为电子之间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果只有库仑直接相互作用，电子就不能形成配对。然而，电子之间也有通过晶格振动(声子)的间接相互作用。电子之间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引导致了“库珀对”。一般来说，其机制如下:当电子在晶格中运动时，它们将在相邻的晶格点上吸引正电荷，导致晶格点的局部扭曲并形成局部高正电荷区域。这个高正电荷的局部区域将吸引自旋相反的电子，并以一定的结合能与原始电子结合。在非常低的温度下，这种结合能可能高于晶格原子的振动能，因此电子对不会与晶格交换能量，也不会有电阻，形成所谓的“超导性”。冯·克利钦在1979年发现，在极低温度和强磁场下的半导体会产生量子霍尔效应。也就是说，霍尔常数(纵向电压与横向电流之比)被量化，相对湿度=相对湿度/相对湿度=相对湿度/相对湿度，ν = 1，2，3，......这种效应被称为整数量子霍尔效应。此外，崔琦等人发现，随着磁场的增加，霍尔常数在V = 1/3、1/5、1/7等处出现了新的台阶。这种现象被称为分数量子霍尔效应。

R.拉夫林给出了一个解释。他认为，由于存在非常少量的杂质，整数v朗道能级被占据，这导致电场与电子密度之比B/ρ为h/ev，从而导致霍尔常数的阶跃。他还指出，由于分数的数量，电子形成了一种新的稳定的流体，正是这些电子中的排斥力导致了分数量子霍尔效应。通过以上两个典型的例子，我们可以看到，巧妙地构造一个模型是解决问题的关键。我不知道幸运星会落在哪里。无论如何，陈刚小组到目前为止的工作受到了许多关注，并得到了物理学家的高度赞扬。陈刚说，除了实际应用，这项研究还为进一步了解基础物理提供了有用的工具。