關(guān)于基本物理常數(shù)的探討

1、關(guān)于基本物理常數(shù)的探討摘要：基本物理常數(shù)的引入在物理學(xué)中起著重要的作用許多新領(lǐng)域的開(kāi)辟和重大物理理論的創(chuàng)立，往往與基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或精確測(cè)定有密切關(guān)系。本文闡述三個(gè)基本物理常數(shù)（萬(wàn)有引力常數(shù)G、光速c和 普朗克常數(shù)h）的歷史背景、物理意義、測(cè)量史作一些討論。關(guān)鍵詞：物理常數(shù)、萬(wàn)有引力常量G、光速c、普朗克常數(shù)h。引言：物理學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)，最普遍的相互作用，最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的自然科學(xué)。在學(xué)習(xí)物理學(xué)的過(guò)程中往往會(huì)遇到一些物理常數(shù)。在物理學(xué)中的這些常數(shù)可分為兩類，一類為物質(zhì)常數(shù)，另一類為基本物理常數(shù)。物質(zhì)常數(shù)表征物質(zhì)的某些特性，是描述宏觀物質(zhì)的普通物理

2、性質(zhì)的常數(shù)，如物質(zhì)的密度，固體的彈性系數(shù)，折射率，電導(dǎo)率等。由于這些常數(shù)標(biāo)志著物質(zhì)的某些特性，例如兩種無(wú)色透明，無(wú)味的液體，可以通過(guò)測(cè)定他們的密度或沸點(diǎn)來(lái)識(shí)別他們。與物質(zhì)常數(shù)相對(duì)應(yīng)的是基本物理常數(shù)，這類常數(shù)與物質(zhì)的特性無(wú)關(guān)，這些常數(shù)伴隨著物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)而被引入，例如萬(wàn)有引力常數(shù)G,真空中的光速C,和 普朗克常數(shù)h等?；疚锢沓?shù)是物理學(xué)中的一些普適常數(shù)。是人們?cè)谔剿骺陀^世界基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律中提出的確定的物理量?；疚锢韺W(xué)常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或精確的測(cè)量往往與物理學(xué)中許多劃時(shí)代的理論的創(chuàng)立和新研究理論的開(kāi)辟有關(guān)。物理常數(shù)反映著物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)層次和各種物理效應(yīng)，聯(lián)系著微觀、宏觀和宇觀，揭示著隱藏在表面上變幻莫

3、測(cè)的自然背后的秩序【1】物理學(xué)常數(shù)在人類探索自然世界，學(xué)習(xí)物理學(xué)中起著非常重要的作用，例如通過(guò)測(cè)定電子的荷質(zhì)比（e/）發(fā)現(xiàn)了電子，普朗克提出“能量量子化”的假說(shuō)時(shí)發(fā)現(xiàn)了普朗克常數(shù)h。萬(wàn)有引力常數(shù)G是萬(wàn)有引力定律建立的標(biāo)志，光速C是狹義相對(duì)論建立的標(biāo)志。這些常數(shù)在理論和實(shí)驗(yàn)的提出和發(fā)展中起著決定性的作用?；疚锢韺W(xué)常數(shù)的確立級(jí)精確測(cè)定與物理學(xué)的發(fā)展起著相互促進(jìn)作用，物理學(xué)常數(shù)總是伴隨著物理學(xué)基本定律的發(fā)現(xiàn)而確立，而這些物理常數(shù)的測(cè)定也是對(duì)物理規(guī)律的有力驗(yàn)證，又使應(yīng)用物理學(xué)公式作許多數(shù)值計(jì)算成為可能，物理學(xué)的新成果常為提高物理常數(shù)的精度提供條件，而高精度的測(cè)量有可能成為新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。準(zhǔn)備好基礎(chǔ)精確

4、測(cè)定的基本物理常數(shù)又可作為單位制和計(jì)量數(shù)的基準(zhǔn)，因此基本物理學(xué)常數(shù)的精確測(cè)量就成為現(xiàn)代物理學(xué)預(yù)計(jì)量學(xué)的結(jié)合點(diǎn)。下面我們來(lái)看看四個(gè)基本物理學(xué)常數(shù)在物理學(xué)中的發(fā)展作用。一、 萬(wàn)有引力常數(shù)G1.1萬(wàn)有引力常數(shù)G的引入1687年，牛頓（Isaac Newton 1642-1727）在前人（開(kāi)普勒、笛卡爾、胡克、哈雷）等人研究的基礎(chǔ)上憑借他超凡的數(shù)學(xué)能力指出維系行星沿軌道運(yùn)動(dòng)的力和地球上使蘋(píng)果落地的力在本質(zhì)上是相同的。如果太陽(yáng)和行星間的引力與距離的二次方成正比且行星的軌跡是橢圓，這就是1687年正式發(fā)表于自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理（Mathematical Principles of Natural philo

5、sophy）一書(shū)中，第一次提出的萬(wàn)有引力定律，即自然界中任何兩個(gè)物體都是相互吸引的，引力的大小跟這兩個(gè)物體的質(zhì)量的乘積成正比，跟它們距離的二次方成反比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為=G式子中的比例系數(shù)G稱為萬(wàn)有引力常數(shù)他是一個(gè)普適常數(shù)。不受物體的大小，形狀，組成因素的影響。引力常數(shù)G是一個(gè)與理論物理，天體物理和地球物理等密切相關(guān)的物理學(xué)基本常數(shù)。它與天體運(yùn)動(dòng)，天體演化和結(jié)構(gòu)模型等有著密切的關(guān)系【2】.在離子與場(chǎng)論宇宙以及引力物理的現(xiàn)代化理論研究中，G都起著非常重要的作用。例如在描述自然界基本常數(shù)的普朗克長(zhǎng)度。時(shí)間以及質(zhì)量就是又三個(gè)基本物理常量普朗克常量h、萬(wàn)有引力常量G以及光速C的不同組合給出的。牛頓用這個(gè)定

6、律成功的解釋了月球的運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明了木星的衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)與月球繞地球的運(yùn)動(dòng)都是同一類型的運(yùn)動(dòng)。1.2萬(wàn)有引力常量G的意義1.3萬(wàn)有引力常量G的測(cè)量萬(wàn)有引力常數(shù)G的測(cè)量，自1798年卡文迪什扭秤實(shí)驗(yàn)，首次測(cè)得G=6.754以來(lái)，一直是人們測(cè)出和測(cè)準(zhǔn)的對(duì)象。引力的不可屏蔽性，致使G很難測(cè)準(zhǔn)，是目前最不準(zhǔn)確的常數(shù)之一。目前的推薦值（1998）是在發(fā)現(xiàn)并糾正先前不知道的扭秤懸架的非調(diào)和比的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上給出的，其值為6.1673。這暗示了G的測(cè)量實(shí)驗(yàn)是我們相信但又不了解的實(shí)驗(yàn)【3】。其中G為對(duì)任何物質(zhì)都普遍適用的引力常量。牛頓發(fā)表萬(wàn)有引力定律時(shí)并沒(méi)有給出引力常量G的值。1740年法國(guó)的布蓋用測(cè)定擺振動(dòng)的方法間接導(dǎo)

7、出G值，然而由于G 值太小，許多科學(xué)家都未能用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)出。知道牛頓發(fā)表萬(wàn)有引力定律111年之后的1798年，才由英國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家亨利·卡文迪什用精巧的扭秤實(shí)驗(yàn)完成了引力常量的測(cè)定（他測(cè)出萬(wàn)有引力常數(shù)G的數(shù)值為6.754）從而牛頓的萬(wàn)有引力定律不再是一個(gè)定性的陳述，而成為一項(xiàng)精確的定量規(guī)律，引力常數(shù)的測(cè)定為牛頓萬(wàn)有引力定律正確性提供了重要的實(shí)驗(yàn)佐證。18世紀(jì)里的這些重大事實(shí)，無(wú)可辯別的證明了萬(wàn)有引力定律的正確性。1.4萬(wàn)有引力常量G的測(cè)量方法扭秤實(shí)驗(yàn)法 1797和1798兩年間，卡文迪什在實(shí)驗(yàn)室條件下，進(jìn)行了測(cè)定兩個(gè)物體間微小引力和萬(wàn)有引力常量的扭秤實(shí)驗(yàn)他改進(jìn)了英國(guó)機(jī)械師米歇爾（

8、John Michell，17241793）設(shè)計(jì)的扭秤，在其懸線系統(tǒng)上附加小平面鏡，利用望遠(yuǎn)鏡在室外遠(yuǎn)距離操縱和測(cè)量，防止了空氣的擾動(dòng)（當(dāng)時(shí)還沒(méi)有真空設(shè)備）。他用一根39英寸的鍍銀銅絲吊一6英尺木桿，桿的兩端各固定一個(gè)直徑2英寸的小鉛球，另用兩顆直徑12英寸的固定著的大鉛球吸引它們，測(cè)出鉛球間引力引起的擺動(dòng)周期，由此計(jì)算出兩個(gè)鉛球的引力，由計(jì)算得到的引力再推算出地球的質(zhì)量和密度。他算出的地球密度為水密度的5.481倍（地球密度的現(xiàn)代數(shù)值為5.517g/cm3），由此可推算出萬(wàn)有引力常量G的數(shù)值為 6.754×10-11 Nm2/kg2（現(xiàn)代值前四位數(shù)為6.672）。這一實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思、設(shè)

9、計(jì)與操作十分精巧，英國(guó)物理學(xué)家J.H.坡印廷曾對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)下過(guò)這樣的評(píng)語(yǔ)：“開(kāi)創(chuàng)了弱力測(cè)量的新時(shí)代”。 在兩個(gè)質(zhì)量不大的物體之間，引力是極小極小的，甚至察覺(jué)不到。圖1是卡文迪什實(shí)驗(yàn)中所用的裝置圖，由于啞鈴裝置的每一個(gè)小的質(zhì)量與較大的質(zhì)量靠得很近，啞鈴就要旋轉(zhuǎn).但是因?yàn)榉浅＜?xì)的石英懸絲阻礙了轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)將在最大角的地方停下來(lái)，這個(gè)角我們用表示.在角處，引力完全被懸絲的阻力所平衡.實(shí)驗(yàn)的一個(gè)步驟，就是確定將細(xì)懸絲轉(zhuǎn)過(guò)各種角度所需要的力一旦這一關(guān)系被確定下來(lái)，的測(cè)定就確定了質(zhì)量間的引力F.質(zhì)量的大小和它們之間的距離都可以改變，因?yàn)榱、質(zhì)量。和距離r都是已知的，萬(wàn)有引力定律的表達(dá)式 =G (1)中的萬(wàn)有

10、引力常量便可以決定.由這個(gè)實(shí)驗(yàn)，卡文迪什證明了G是常量，測(cè)定了它的數(shù)值，確立了萬(wàn)有引力定律的正確性. 因?yàn)樵趍和M之間的引力極其微小，角同樣極小.為進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量，在懸線上裝一個(gè)小鏡子，光束被鏡子反射回來(lái).反射光束可在離鏡子有一定距離的屏幕上觀察到.當(dāng)鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光束掃過(guò)屏幕，最大轉(zhuǎn)角B便可確定.小鏡子作為“放大器”使得很小的B,n也能精確地測(cè)定一旦G被測(cè)定，由在地表附近質(zhì)量為m的落體的牛頓第二定律得方程式G(2)其中是地球質(zhì)量，r是地球的半徑，g是地球表面的重力加速度，地球表面附近的落體，指的是落體的高度h<<r.消去方程兩邊的m，得=(3)在卡文迪什的年代，地球的半徑re是已知的

11、.由(3)式就可以求出地球的質(zhì)量.卡文迪什測(cè)定的萬(wàn)有引力常量值是G=6.754N·這一實(shí)驗(yàn)是極為精巧的，以致于在此后八九十年中沒(méi)有人能超過(guò)他的測(cè)量精度. 萬(wàn)有引力常量是一個(gè)非常重要的常量，也是一個(gè)相對(duì)于其他基本物理常量而言測(cè)得最不精確的常量，因?yàn)橐κ亲钊醯囊环N力，而且難以屏蔽外界的干擾，盡管如此，200年來(lái)科學(xué)家一再改進(jìn)和變換測(cè)量方法，測(cè)量精度有所提高.國(guó)際科學(xué)聯(lián)盟理事會(huì)科技數(shù)據(jù)委員會(huì)(CODATA)1986年推薦的萬(wàn)有引力常量值為 G=6.7259（85）N·不確定度為128/1 000000(即萬(wàn)分之1.28). 按地球半徑、重力加速度和上述萬(wàn)有引力常量的現(xiàn)代數(shù)值，我

12、們可以按(3)式求出地球的質(zhì)量.其中=6371km,g=9.81則= = =5.967kg 真空中的光速1855-1862年麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)方程組 ·D= ·B=0證明了電磁波的存在。并推導(dǎo)出電磁波的速度C等于電流的電磁單位與靜電單位之比，于是假設(shè)光是一種電磁波，不久就被著名的赫茲實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，而1849年斐索用實(shí)驗(yàn)測(cè)出光在空氣中傳播速度為C=3.14858 兩者之驚人相似。麥克斯韋電磁場(chǎng)理論揭示了電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律。統(tǒng)一了光學(xué)與電磁學(xué)，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新時(shí)代。但是同時(shí)也提出了新的更深刻的問(wèn)題。麥克斯韋方程組只適用于某個(gè)特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋只適用

13、于某個(gè)特殊的慣性系，則不僅違背了相對(duì)性原理，且該慣性就是牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀 邁克爾莫雷實(shí)驗(yàn)否定了結(jié)果。在進(jìn)一步研究物體運(yùn)動(dòng)的電磁現(xiàn)象時(shí)，如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，在不同慣性系中，如何運(yùn)用伽利略變換對(duì)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律進(jìn)行變換，發(fā)現(xiàn)這些規(guī)律并不具有相同的形式，甚至?xí)霈F(xiàn)背因果關(guān)系的超光速現(xiàn)象也難以解釋，這樣就說(shuō)明伽利略變換和電磁現(xiàn)象應(yīng)符合相對(duì)性原理的假設(shè)存在著不可調(diào)和的矛盾。這個(gè)問(wèn)題中，以 表示光在某參考系S中預(yù)測(cè)的真空中的速率，以 表示光在另一參考系S 中測(cè)得真空中的速率，根據(jù)伽利略變換得 式中u為S 相對(duì)于S的速度。是由 和u的方向決定的。但這與麥克斯韋的電磁理論結(jié)果不符。在麥克斯韋

14、的理論中真空中的光速為： （1）其中=8.85 =1.26N· 這是電磁學(xué)上兩個(gè)常量，將這兩個(gè)常量代入（1）得 由于也應(yīng)該與參考系無(wú)關(guān)，這個(gè)速度不變的性質(zhì)使得和 之間取得了聯(lián)系。麥克斯韋據(jù)此從理論上預(yù)言了光是一種電磁波，并且提出光的電磁波理論，這是牛頓的運(yùn)動(dòng)定律統(tǒng)一物理現(xiàn)象后的又一次物理世界的大統(tǒng)一。1887年著名的邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)證明了光速的測(cè)量結(jié)果與參考系無(wú)關(guān)，這就證明了光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略變換。這是光速與參考系無(wú)關(guān)的性質(zhì)，在激光測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上現(xiàn)在把光在真空中的速率規(guī)定為一個(gè)基本物理常量，其值被測(cè)為 光速與參考系無(wú)關(guān)這點(diǎn)出乎人的想象，因?yàn)槿藗兞?xí)慣的認(rèn)為伽利略變化是正確

15、的，事實(shí)上，在 c 的情況下，確實(shí)伽利略變化時(shí)對(duì)的，但在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，即運(yùn)動(dòng)物體的速度 c 的情況下，伽利略變化就不適應(yīng)了，要用到洛倫茲變換，這就是伽利略變換的局限性，也是伽利略變換域電磁規(guī)律矛盾的原因。愛(ài)因斯坦對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深刻的研究并在1905年發(fā)表了論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)這篇著名論文中，作出了對(duì)整個(gè)物理學(xué)都帶有根本意義的假設(shè)；“物理規(guī)律對(duì)所有的慣性系都是一樣的不存在一個(gè)特殊的”（例如；“絕對(duì)靜止”）的慣性系。愛(ài)因斯坦稱這個(gè)假設(shè)為相對(duì)性原理，即愛(ài)因斯坦的光速不變性原理同時(shí)愛(ài)因斯坦也在這篇論文中還在這篇論文中還提出了另個(gè)一假設(shè)，即；在任何慣性系中，光在真空中的速率是相等的。這一假設(shè)稱為光速不

16、變性原理。在這兩條假設(shè)的基礎(chǔ)上愛(ài)因斯坦建立了一套完整的全新的物理理論狹義性對(duì)輪。從此物理學(xué)又揭開(kāi)了新的一頁(yè)。由此可見(jiàn)真空中的光速C，從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后有進(jìn)一步成為一切實(shí)際物體和速度的上限。并且在任何慣性系中C的取值都相同。3.2光速常量在物理學(xué)領(lǐng)域中的作用在相對(duì)論中，真空中的光速才是一切物體和信號(hào)不可超越的最大速度，是標(biāo)志時(shí)空關(guān)系的基本常數(shù)，是愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論的有力支柱之一。光速標(biāo)志著時(shí)空關(guān)系（性對(duì)輪效應(yīng)）的基本常量，因?yàn)閻?ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中，提出時(shí)空觀，提出時(shí)空不可分割，和時(shí)空實(shí)在性，新的是空觀，所聯(lián)系時(shí)空的數(shù)字式都出現(xiàn)C3.3光速的測(cè)量史光速的測(cè)量由來(lái)已久，

17、它的測(cè)定方法從兩個(gè)不同的方向發(fā)展，一種是天文學(xué)方法，另一種是物理實(shí)驗(yàn)方法。最早提出物理實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量光速的是偉大的意大利物理學(xué)家伽利略，雖然實(shí)驗(yàn)沒(méi)有獲得成功，但伽利略在實(shí)驗(yàn)中所采用的原理一直保留在后來(lái)的一切測(cè)定光速的試驗(yàn)方法中。1676年，羅邁首先對(duì)基本常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得出光速有限的結(jié)論。他通過(guò)天文計(jì)算得出C=215000 不確定度僅為 量級(jí)。這個(gè)光速值在當(dāng)今未被大多數(shù)人所接受。1728年，布拉德雷根據(jù)恒星光速差求得C=3.1 。1849年，法國(guó)斐索根據(jù)伽利略的設(shè)想用旋轉(zhuǎn)齒輪法在地面實(shí)驗(yàn)室第一次測(cè)得光速C=（315300） 。1862年，傅科 用旋轉(zhuǎn)鏡法測(cè)得空氣中的光速為C=2.98 。1874年

18、，考爾紐改改進(jìn)了斐索的旋轉(zhuǎn)齒輪法測(cè)得C=2.9999。1926 年，邁克爾遜在改進(jìn)傅科旋轉(zhuǎn)鏡法的基礎(chǔ)上，發(fā)表了他最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果把光速側(cè)到（2.997960.0004） 。不確定度為1.3 同傅科1862年測(cè)得的值相比，準(zhǔn)確度提高了100倍以上。1929年美國(guó)物理學(xué)家白爾濟(jì)第一次用最小二乘法對(duì)各個(gè)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行處理，他所得的光速為C=（2.997960.00004） 和邁克爾遜測(cè)得的結(jié)果基本一致，光速的這一個(gè)公認(rèn)值很快被人們所接受。1937年和1941年，美國(guó)的安德生兩次用克爾盒代替了斐索實(shí)驗(yàn)中的齒輪，利用克爾效應(yīng)測(cè)得了光速，其結(jié)果分別為C=(2.99776) 和C=（2.99776） 。19

19、49年前后，阿斯拉克遜用雷達(dá)測(cè)量電測(cè)波往返兩站之間所需的時(shí)間其結(jié)果為C=（2.9979230.000024）。1950年，英國(guó)物理學(xué)家埃森利用共振腔超短波的頻率從而求得電磁波在真空中的速率為C=（2.997925）。1951年，瑞典物理學(xué)家伯格斯特蘭用光電測(cè)距儀測(cè)量光速結(jié)果為C=（2.9979310）1952年，英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家弗羅姆用微波干涉儀法測(cè)量光速，在精密度上超越了以前的各種方法，得到了數(shù)值為C=（2.9979300.000003）。1958年，科學(xué)家們用經(jīng)典計(jì)量的方法測(cè)得光速的最好值為C=2.99792（10） 不確定度為3.3 。1960年，美國(guó)研制成功了一臺(tái)紅寶石激光器，激光技術(shù)

20、作為一項(xiàng)新的技術(shù)進(jìn)入計(jì)量領(lǐng)域。1973年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）在準(zhǔn)確測(cè)定激光頻率和波長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，測(cè)的光速C=299792458 不確定度為4 。1972年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的埃文森等人采用直接測(cè)量激光頻率和真空波長(zhǎng)值的方法。得出C=（2997924581.2） 。1973年柯恩和泰勒發(fā)表了“1973年基本物理常數(shù)的最小二乘法平差”一文，給出的光速為C=299792458(1.2)。1973年召開(kāi)的第五屆米定義咨詢委員會(huì)和1975年召開(kāi)的第15屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)，先后確定上述光速值作為國(guó)際推薦值使用，不確定度為4 。1983年10月召開(kāi)的第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了新的定義為“米是光在真空中在 秒

21、的時(shí)間間隔內(nèi)行程的長(zhǎng)度”從此光速改為定義值，不確定度為零。也不需要在進(jìn)行任何測(cè)量。從而結(jié)束了300多年的精密測(cè)量。2006年，CODATA 基本物理常數(shù)推薦表中C=299792458。精確。光是一種電磁波，電磁波傳播的速度就是光速C。 激光技術(shù)出現(xiàn)以后，利用最先進(jìn)的測(cè)頻技術(shù)于1973年測(cè)出了更準(zhǔn)確的光速值C=2.99792458 .二、 普朗克常量h3.1普朗克常數(shù)的背景普朗克常數(shù)是普朗克在解釋黑體輻射與經(jīng)典理論的矛盾時(shí)提出的。在19世紀(jì)末期，隨著德國(guó)冶金工業(yè)的大發(fā)展和對(duì)高溫技術(shù)的測(cè)量需要，許多德國(guó)的試驗(yàn)和理論物理學(xué)家都非常關(guān)注黑體輻射的研究。所謂黑體，是指能將射向它的輻射都吸收掉的物體，由于

22、現(xiàn)實(shí)世界中找不到理想的全黑體，人們便將壁上有一很小孔洞的中空物體作為黑體的十分近似的替代物。射進(jìn)空洞里輻射會(huì)在空腔內(nèi)壁的多次反射中被逐漸的吸收掉，只有極少數(shù)的輻射機(jī)會(huì)逃逸出來(lái)，同樣若是內(nèi)壁變熱，就會(huì)有輻射基本上可看做黑體輻射。人們?cè)噲D從理論物理學(xué)上解釋這一現(xiàn)象，在基爾霍夫、斯特藩、玻爾茲曼等人的研究基礎(chǔ)上，1893年，德國(guó)物理學(xué)家維恩（W.Wien）從經(jīng)典熱力學(xué)和麥克斯韋速率分布率出發(fā)，尋找了一個(gè)公式，即維恩公式=.其中 和 均為常量。維恩公式發(fā)表以后就引起物理學(xué)界的普遍關(guān)注。這一公式算出的結(jié)果，在高頻范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)值符合的很好，但在低頻范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)值偏差較大。 1900年6月瑞利根據(jù)經(jīng)典電磁學(xué)

23、和能量均分導(dǎo)出了公式（后來(lái)由金斯稍加修正）即瑞利金斯公式= 這一公式的計(jì)算結(jié)果，在低頻范圍內(nèi)能與實(shí)驗(yàn)值相符，但高頻范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)值相差甚遠(yuǎn)，根據(jù)這個(gè)公式還可以導(dǎo)出一個(gè)繆論；在短波紫外光區(qū)，理論值隨波長(zhǎng)的減少而很快增長(zhǎng)，趨向于無(wú)窮大，即在紫色一端發(fā)散。這顯然與實(shí)際情況不符，因?yàn)樵谝粋€(gè)有限的空腔內(nèi)不可能存在無(wú)限大的能量，面對(duì)理理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間出現(xiàn)的這個(gè)巨大矛盾，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家無(wú)法做出合理的解釋，后來(lái)人們就把這個(gè)科學(xué)難題稱作為“紫外災(zāi)難”。作為一個(gè)具有哲學(xué)家氣質(zhì)的物理學(xué)家普朗克有著強(qiáng)烈的求知欲，深信自然界是和諧而統(tǒng)一的，他不滿足于維恩公式和瑞利金斯定理的片面性。1900年12月14日，經(jīng)過(guò)多方努

24、力，普朗克利用內(nèi)插法他導(dǎo)出了黑體輻射公式即普朗克公式 = 其中 表示能量密度T表示絕熱溫度， 表示振子頻率，h和K均為普適常數(shù)。按照這一公式計(jì)算出的結(jié)果，能符合全部輻射頻率范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)值。為了確切的解釋這一公式，他必須假定在黑體輻射中縮放出的能量是不連續(xù)的。是與一個(gè)輻射平率有關(guān)，以h 為最小單位一份一份地發(fā)射出，因而提出令人震驚的“能量量子化”假說(shuō)，并進(jìn)一步的指出h 是一個(gè)非常小的數(shù)。稱為作用量子，（以后稱為普朗克常數(shù)）。普朗克的能量子假說(shuō)，推翻了經(jīng)典物理學(xué)關(guān)于電磁輻射連續(xù)性的觀點(diǎn)，否定了萊布尼茨（1646-1716）“自然界不做跳躍”的命題。給經(jīng)典物理學(xué)一個(gè)沉重的打擊為此普朗克深深的為自己在

25、量子化這一步引入h而感到不安，希望有朝一日能夠證實(shí)它是一個(gè)替代品而已，僅僅是在經(jīng)過(guò)十多年的努力證明任何復(fù)歸于經(jīng)典輪的企圖都以失敗而告終之后。普朗克才堅(jiān)定的相信h的引入確實(shí)反映了新理論的本質(zhì)?！?】協(xié)調(diào)了維恩定理與瑞利金斯定律。普朗克在熱力學(xué)分析研究的基礎(chǔ)上，大膽的提出“能量量子化”假說(shuō)，對(duì)空腔黑體的熱平衡狀態(tài)解釋為腔壁的帶電諧振子和腔內(nèi)輻射交換能量而達(dá)到熱平衡結(jié)果。他創(chuàng)造性的假設(shè)諧振子可能具有能量是不連續(xù)的，其能量只能取一些離散值。若以E表示一個(gè)頻率 的諧振子的能量，普朗克假定E=nh (n=0、1、2)普朗克將上式中給出的每個(gè)能量稱為“能量子”，這是第一次提出量子的概念。由于這一概念的產(chǎn)生，

26、及普朗克常數(shù)h的出現(xiàn)，很快量子力學(xué)就產(chǎn)生了，于1918年普朗克因此而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1924年德布羅意通過(guò)粒子與波的對(duì)比，假設(shè)微觀粒子也具有波動(dòng)性，也就是波粒二象性。設(shè)其動(dòng)量為P，則德布羅意波由下式?jīng)Q定P=h 這里的h是一個(gè)常量，叫做普朗克常量，它宣告了物理學(xué)的新研究領(lǐng)域量子力學(xué)誕生了。量子力學(xué)的進(jìn)展表明，普朗克常數(shù)h是量子物理學(xué)的重要常數(shù)，凡是涉及量子效應(yīng)的一切物理量都與他有關(guān)。H不僅必然成為微觀粒子運(yùn)動(dòng)特征的定量標(biāo)準(zhǔn)，而且成為劃分量子物理與經(jīng)典物理的定量界限。普朗克常數(shù)h的一個(gè)意外而有趣的含義在于，他是一個(gè)直接關(guān)系到宇宙存在形成的基本常數(shù)，宇宙中廣泛存在著有形的物質(zhì)與輻射，其間的能量交換