紫外災(zāi)難

文章編號:1000-8934(2007)02-0044-03

普朗克常數(shù)h引起的經(jīng)典物理學(xué)自然觀的三種改變

張晶

(長安大學(xué)人文學(xué)院,陜西西安710065)

摘要:物理學(xué)的研究成果,往往能使離物理學(xué)領(lǐng)域很遠(yuǎn)的哲學(xué)觀念發(fā)生變化。普朗克常數(shù)的誕生,不僅使物理

學(xué)經(jīng)歷了由經(jīng)典到現(xiàn)代的/蛹-蝶0之變,而且還使人們對自然界的基本認(rèn)識與基本觀念發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞:普朗克常數(shù)

h;

自然觀;改變

中圖分類號:N031文獻標(biāo)識碼:A

收稿日期:2006-02-13

作者簡介:張晶(1973)),女,吉林人,長安大學(xué)人文學(xué)院副教授,哲學(xué)博士,主要從事科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)等方面的研究。

物質(zhì)世界中存在著諸多的普適常數(shù),例如,萬有

引力常數(shù)G、阿伏伽德羅常數(shù)N

A

、玻爾茲曼常數(shù)k、

普朗克常數(shù)h、真空中的光速c

0

、基本電荷e、電子

質(zhì)量me、質(zhì)子質(zhì)量mp、電常數(shù)E0、磁常數(shù)L0等。物

質(zhì)世界的物理常數(shù)往往通過兩種途徑來發(fā)現(xiàn):一個

是通過觀察與實驗獲得的,例如基本電荷e、真空中

的光速c

0

等;另一個是則是在建立相關(guān)定律定理時

被引用或被導(dǎo)出的,最常見的就是萬有引力常數(shù)

G、超導(dǎo)現(xiàn)象中的約瑟夫常數(shù)e/h、光譜線的精細(xì)結(jié)

構(gòu)常數(shù)2Pe2/hc等等。這些常數(shù)都是直觀感性的,容

易被公眾理解與接受。但普朗克常數(shù)卻恰恰相反,

它是普朗克(MaxPlank)用內(nèi)插法僥幸拼湊出來的,

如同/上帝擲骰子0一般。然而這個讓普朗克自己也

為之吃驚的經(jīng)驗數(shù)值,現(xiàn)在卻成為物理學(xué)乃至物質(zhì)

世界中最重要的常數(shù)之一,并以它的發(fā)現(xiàn)者命名。

1普朗克常數(shù)h的發(fā)現(xiàn)

19世紀(jì)末,隨著冶金工業(yè)的發(fā)展及其對高溫測

量技術(shù)的需求,許多理論與實驗物理學(xué)家都非常關(guān)

注熱輻射及其相關(guān)理論的研究。1893年,德國物理

學(xué)家維恩(Wilhelm1Wien)在基爾霍夫、斯特藩以及

玻爾茲曼等人的研究基礎(chǔ)上根據(jù)電磁理論和熱力學(xué)

理論提出熱輻射能量分布定律

112

:

L=bK-5e-a/KT

其中L表示能量隨波長K分布的函數(shù),也叫能

量密度;T表示絕對溫度;a、b為任意常數(shù),對應(yīng)能

量分布函數(shù)L最大值的波長K與溫度T成正比。維

恩分布定律發(fā)表以后引起了物理學(xué)界的普遍關(guān)注。

但普朗克認(rèn)為,維恩的推導(dǎo)假設(shè)太多,不太令人信

服。于是他從1897年起投身于這個問題的研究,企

圖用盡量少的假設(shè)從基本理論中推出這個定律。幾

乎與此同時,另一些物理學(xué)家所獲得的相關(guān)實驗結(jié)

果表明,這個定律在短波方向與試驗數(shù)據(jù)基本相符,

但在長波方向卻存在較大偏離。

鑒于維恩分布定律在高溫和長波條件下所遇到

的問題,英國物理學(xué)家瑞利(J1W1S1Rayleigh)提出

一個自認(rèn)為可能是先驗的、他自己也沒有資格判斷

的熱輻射能量分布公式

122

:

L=C

1

K-4Te-C

2

/KT

公式中的指數(shù)因子e

-C

2

/KT

是瑞利根據(jù)經(jīng)驗添

加的。瑞利的這個公式隨后被英國另一位物理學(xué)家

金斯(J1H1Jeans)根據(jù)經(jīng)驗糾正成為:

L=

8PM2

c3

#kT

因此,這個公式又被稱之為瑞利-金斯定律。

然而瑞利-金斯定律又僅適合計算長波方向卻不適

合短波方向能量分布的計算。根據(jù)這個公式還導(dǎo)出

了一個謬誤:在短波紫外光區(qū),理論值隨波長的減少

而很快增長,趨向于無窮大,即在紫色一端發(fā)散。這

顯然與實際情況不符,因為在一個有限的空腔內(nèi)不

可能存在無限大的能量。面對理論結(jié)論與試驗結(jié)果

之間出現(xiàn)的這個巨大矛盾,當(dāng)時的物理學(xué)家無法作

出合理的解釋,所以,后來人們就把這個科學(xué)難題稱

為/紫外災(zāi)難0。

作為一個具有哲學(xué)家氣質(zhì)的物理學(xué)家普朗克有

著強烈的形上情懷,深信自然界是和諧而統(tǒng)一

的,

132

他不滿足于維恩定律與瑞利-金斯定律在能

量分布計算上的分裂,因而自覺地開始了結(jié)束兩者

分離局面的艱難探索。1900年12月14日,經(jīng)過多

方努力,通過采用玻爾茲曼的統(tǒng)計方法之后,普朗克

44

第23卷第2期

2007年2月

自然辯證法研究

StudiesinDialecticsofNature

Vol.23,No.2

Feb.,2007

在德國物理學(xué)會議上提出一個與經(jīng)典物理學(xué)概念完

全不同的新假設(shè))))能量不連續(xù)的諧振子假設(shè),也

就是人們常說的量子假設(shè),頻率為M的諧振子的最

小能量E=hM,其中h是作用量子。根據(jù)量子假設(shè)普

朗克找到了一個可以協(xié)調(diào)維恩定律與瑞利-金斯

定律的熱輻射經(jīng)驗公式

142

:

L=

8PhM3

c3

#1

ehM/KT-1

其中L表示能量密度;T表示絕對溫度;M表示

振子頻率;h和k均為普適常數(shù)。普朗克根據(jù)黑體輻

射的測量數(shù)據(jù)計算出h的值為6165@10-34焦1秒

(目前公認(rèn)的h=6162606876@10-34焦1秒),后來

人們就將這個被普朗克本人叫做/作用量子0的常

數(shù),h稱為普朗克常數(shù),而將普朗克的能量元稱為

能量子。

根據(jù)量子假設(shè),普朗克用內(nèi)插法推導(dǎo)出了跟實

驗結(jié)果十分吻合的黑體輻射能量)))頻率分部定

律,也就是普朗克定律。這個定律符合全部輻射頻

率范圍內(nèi)的實驗值,它在高溫時與瑞利-金斯定律

一致,在低溫時與維恩定律一致。普朗克以其卓越

而富有開創(chuàng)性的工作再一次堅定了人們所持有的物

質(zhì)世界具有和諧與統(tǒng)一本性的信念,更為重要的是

普朗克的工作給人類的思維模式帶來了跳躍式變

革。

由于h的提出,普朗克于1918年獲得諾貝爾

物理學(xué)獎。

2普朗克常數(shù)引起的物理學(xué)

自然觀的變革

普朗克的量子假設(shè)以及其后基于量子理論而建

立起來的量子力學(xué)向人們揭示出一幅不同于經(jīng)典力

學(xué)的物理世界新圖像。這幅新的物理世界圖像對人

們思維方式的影響是革命性的,它促使人們從經(jīng)典

物理學(xué)的世界圖景中走出來而從根本上改變對自然

界的看法。

(1)自然界由連續(xù)走向間斷古希臘哲學(xué)一直

存在著關(guān)于自然界是連續(xù)還是間斷的爭論。關(guān)于自

然界是非連續(xù)的、間斷的看法最有代表性的就是德

謨克里特的原子理論,但是在連續(xù)與非連續(xù)爭論中

占據(jù)主導(dǎo)地位的仍然是那位集大成者)))亞里士多

德的自然觀。亞里士多德認(rèn)為:/一切量都是連續(xù)

的0

152

,因為作為物質(zhì)存在方式的時間是連續(xù)的,

/既然時間是連續(xù)的,量也就是連續(xù)的0162

。/假使

時間在兩個方面的延伸上無限,量也就在兩個方向

的延伸上無限;如果時間在分起來無限,量也就在分

起來無限;如果時間在延伸和分小這兩個方面都無

限,那么量也就在這兩個方面都無限。0

172

萊布尼茲

也說過:/自然界無飛躍0,并將這種無飛躍的連續(xù)性

稱作/連續(xù)律0

182

。

日常經(jīng)驗里,物質(zhì)的性質(zhì)是連續(xù)的,因為物質(zhì)的

大小、重量、能量、顏色、表面積等等都可以無限細(xì)分

下去;運動也是連續(xù)的,因為運動軌跡呈現(xiàn)出的特性

是光滑與無間斷的。自然界的連續(xù)性使一定溫度下

的任何物質(zhì),無論是固體、液體還是氣體都在不停地

向周圍的空間輻射各種波長的電磁波;熱輻射也具

有連續(xù)的能量輻射譜線。后來的麥克斯韋電磁場理

論使自然界的這種連續(xù)性觀點根深蒂固。自然界呈

現(xiàn)的連續(xù)性特征,如同萊布尼茨所言的自然界不作

跳躍一樣,均是古希臘畢達哥拉斯學(xué)派和諧、美妙、

連續(xù)、簡單自然觀的繼承。

普朗克常數(shù)的提出動搖了自古希臘以降在人們

頭腦中長期占據(jù)統(tǒng)治地位的認(rèn)為物質(zhì)世界僅有連續(xù)

而不存在間斷的自然觀。普朗克常數(shù)揭示出,能量

的發(fā)射和吸收是以非連續(xù)的量子方式進行跳躍,物

體不是以連續(xù)的無間隔的方式而是以能量子為單元

一份一份輻射能量的,且每份能量的大小取決于輻

射頻率。普朗克的能量元理論以來自實驗物理學(xué)和

數(shù)學(xué)的確鑿事實和有力證據(jù)對自然界的連續(xù)與間斷

之爭做出了顛覆性的判決,這個判決表明了自然界

就其基本構(gòu)成單元而言并非無限可分,自然界必然

具有間斷本性。

普朗克認(rèn)為,能量子僅以有限個數(shù)的方式分給

具有相同頻率的一群振子中的個別振子和分給每一

個都有特定頻率的不同的振子群,這種有限個數(shù)使

配分方式服從概率論。這個令人震驚的與經(jīng)典物理

學(xué)相反的/能量子0假說,/它好像是一團一團的微量

的能量所組成的流0

192

。自然界存在跨越。

如果能量的分布不是連續(xù)而是一份一份的,那

么過去通過求積分而推導(dǎo)出的能量均分原理也就隨

之不成立,經(jīng)典物理學(xué)中由均分原理引起的矛盾憑

借普朗克常數(shù)迎刃而解,紫外災(zāi)難得到揚棄。物質(zhì)

可以分立地以跳躍非連續(xù)的方式改變能量。普朗克

常數(shù)從此揭開了自然界的非連續(xù)本性。

普朗克常數(shù)h以及隨后的能量量子化概念動

搖了經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性原理并開啟人們認(rèn)知微觀

物理世界本性之門。從此,/由牛頓表述的傳統(tǒng)力學(xué)

定律,以及麥克斯韋電磁定律,在原子及亞原子粒子

的微觀世界中完全失效了。0

1102

(2)觀察由主客獨立走向主客相干經(jīng)典物理

學(xué)認(rèn)為世界是客觀的,被觀察對象的狀態(tài)不以觀察

者的意志為轉(zhuǎn)移。構(gòu)成世界的物體,無論是桌子、椅

子、行星還是原子,/就-在那里存在著.,不管我們觀

45

普朗克常數(shù)h引起的經(jīng)典物理學(xué)自然觀的三種改變

察它們與否。0

1112

牛頓稱它為客觀實在。這種實在

論預(yù)設(shè)了存在某種獨立于人類觀察之外的物理實在

(物理存在),而/宇宙是這種獨立存在的物體的集

合,它們合在一起就構(gòu)成了事物的整體。0

1122

觀察對

于客觀世界的存在方式與屬性不會產(chǎn)生影響,觀察

者與被觀察對象是兩個分別獨立、互不相干的體系。

然而,量子世界中觀察者與被觀察對象之間明

晰的界限變得模糊了,觀察者與被觀察對象作為統(tǒng)

一于觀察過程這一整體中的兩個要素彼此發(fā)生著相

干作用,并且這種相干作用成了量子物理現(xiàn)象中一

個不可分割的部分。甚至可以說是由于觀測者的介

入才最終確定了微觀粒子被觀察到的現(xiàn)實狀態(tài)。玻

姆指出:微觀客體的屬性/乃是一些不確定的潛在可

能性,這些可能性僅僅在于其他系統(tǒng)相互作用中才

得以較為確定的形式實現(xiàn)出來0

1132

。作為量子世界

中的觀察者)))人的主觀行為,與被觀察對象的狀

態(tài)是結(jié)合在一起的,人的行為成為影響觀察結(jié)果的

無法消除的因素,客體對主體的依存性與主客體之

間的相關(guān)性構(gòu)成量子行為的固有特征。

在量子世界中,離開主體與客體的直接作用,即

離開主體對客體的觀察,我們無法精確指出微觀粒

子在某一刻具有什么樣的屬性,/一旦對量子系統(tǒng)作

出觀察,它的態(tài)一般會驟然改變,這一事實聽起來就

像是-精神支配物質(zhì).的思想。0

1142

量子世界所謂的

/物質(zhì)的客觀屬性0就是如此。我們不能有意識地去

操縱微觀粒子的行為,微觀粒子亦毋需人們告訴它

應(yīng)該做什么,但人們的主觀狀態(tài)卻實實在在地影響

著微觀客體究竟正在做什么。而在經(jīng)典物理學(xué)中,

當(dāng)你觀察物體的運動軌跡時,無論是肉眼的直接觀

察還是引入儀器的間接觀察,在理論上都是沒有區(qū)

別的,因為物體的運動是處在一個絕對的客觀的外

部世界中,觀察的結(jié)果是客觀的也是既定的。

但是,普朗克常數(shù)h的介入對量子的運動軌跡產(chǎn)

生了致命的/干預(yù)0。同一個量子的運動軌跡卻由于

觀察手段的不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果,沒有一個客觀確

定的軌跡或答案。微觀粒子沒有了/客觀動量0,而只

有/測量動量0或/觀察動量0。觀察者的介入對原本

客觀存在的既定的觀察結(jié)果產(chǎn)生了質(zhì)的改變。

觀察從此負(fù)荷了價值。于是,/任何觀察過程都

必定涉及對于你所觀察的對象的一種干涉。因此,

你在談?wù)搶ο笳诟墒裁磿r,我們必須特別指出我

們觀察什么,或者說,我們可自由地觀察什么。0

1152

量子力學(xué)深刻地揭示了在對微觀粒子的觀察過程

中,觀察者和客觀實在相互影響、彼此相干的特性,

客體以客觀的潛在的可能性制約、規(guī)定了主體,主體

(測量儀器)以具體的現(xiàn)實的環(huán)境條件規(guī)定著客體,

具體地實現(xiàn)了的測量結(jié)果則是這種相互規(guī)定的結(jié)

果,進而使其不可避免地打上了主客體雙方的烙印。

(3)宇宙由確定走向不確定經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為

自然界是既定的,遵循線性的因果關(guān)系,/如果掌握

了一個封閉體系的全部初始情況,它的未來就被自

然定律惟一地確定下來0

1162

。這是典型的決定論觀

點。在決定論視域里,/世界被看成是完全可預(yù)言

的,至少在原則上是如此。0

1172

此時的宇宙好像是一

架碩大無比的鐘表,過去、現(xiàn)在和將來都按照某種確

定的方式穩(wěn)定有序的運行。確定宇宙下的一切事物

都服從機械因果律。人們普遍相信運用牛頓力學(xué)就

能對世界的任意現(xiàn)象和事件進行精確的預(yù)測和揭

示,人們甚至相信對于自然界每一個動力學(xué)變化的

測量,無論是位置、速度還是動量,只要不斷改進測

量儀器,原則上就可以達到人們預(yù)想的任意精度。

當(dāng)普朗克引入h之后,世界的確定性與精確性

失去了普遍的意義。

首先,對于微觀粒子狀態(tài)的測定不再具有確定

性。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為,可以同時準(zhǔn)確地測量宏觀物

體的確定的位置與其運動速度。然而在量子世界

中,經(jīng)典力學(xué)的測量方法似乎永遠(yuǎn)無法做到兩全其

美。在對電子運動狀態(tài)的測量中,/若將電子的位置

計算準(zhǔn)確,則其速度就不可計算。反之,若將其速度

測準(zhǔn),則其位置就成測不準(zhǔn)。0

1182

雖然可以測出電子

的運動速度約為106m/s,但電子速度的不確定度也

為106m/s,于是,/電子并非簡單地同時具有位置與

動量。0

1192

所以,電子在原子中的運動沒有確定的軌

道,無法確定電子在原子中的運動狀態(tài)。/經(jīng)典物理

學(xué)中的軌道概念,到了量子理論中就成了不允許存

在的內(nèi)容。這里允許存在的就只是波函數(shù),以及能根

據(jù)波函數(shù)推導(dǎo)出的相應(yīng)內(nèi)容。0

1202

宏觀世界的確定宇

宙在微觀粒子世界中變成不確定的了,而兩個共軛物

理量不確定度的乘積需要滿足以下的關(guān)系才行:

$Px#$Xh/4P

$E#$Xh/4P

于是,凡是乘積具有h量綱的成對物理量都不

能以任意高的精度構(gòu)成確定。微觀粒子世界的不確

定特征,導(dǎo)致人們不能以任意高的精度同時測量粒

子成對量的物理性質(zhì),不確定度的乘積不能小于普

朗克常數(shù)h的數(shù)量級。從此,/在微觀世界中存在一

種內(nèi)在的模糊性,只要我們企圖測量兩個不相容的

可觀察量(如位置和動量),這種模糊性就會顯示出

來。0

1212

其次,人們對客觀實在存在方式的理解也失去

了確定性。在經(jīng)典物理學(xué)中,物質(zhì)未來的狀態(tài)是由

(下轉(zhuǎn)第83頁)

46

自然辯證法研究第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(本文責(zé)任編輯王國政)

(上接第30頁)

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(本文責(zé)任編輯費多益)

(上接第46頁)

過去絕對的決定的,因而,客觀世界以可被預(yù)測的特

殊狀態(tài)存在。但是,在量子世界中,物質(zhì)只以概率的

可能態(tài)存在著,人們只能說出,沒有被觀察那一瞬間

的狀態(tài)可能是什么狀態(tài),但是卻無法確切地說出在

那一瞬間究竟是什么狀態(tài)。量子世界就如同我們對

光的波粒二像性理解的那樣,在沒有被觀察的時刻

它既可能是波也可能是粒子,但是一旦我們觀察它

的時候,它要么是波要么是粒子。

這樣一來普朗克常數(shù)的發(fā)現(xiàn)就改變了人們對客

觀實在的傳統(tǒng)信念,經(jīng)典物理學(xué)中那種離開人的直

接觀察,抽象地去談?wù)摽陀^實在的屬性與狀態(tài),對于

量子世界而言是沒有意義的,只有被人們觀察到的

才是真實的、有意義的客觀實在。

結(jié)論:普朗克常數(shù)h的發(fā)現(xiàn)為人們打開了微觀

世界的大門,h的出現(xiàn)成為近代物理學(xué)的象征,導(dǎo)致

后來量子論的誕生并構(gòu)成自然秩序理想的基本要素。

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anth

ZHANGJing

(ersity,710065,China)

Abstract:Theachievementinanthnotonlymakeconventional

physicstochangthoroughlylikechrysalischangingtobutterfly,butalsohumansideaofthenature1

Keywords:anth;nature-idea;change(本文責(zé)任編輯費多益)

83

論技術(shù)創(chuàng)新與道德的協(xié)調(diào)發(fā)展