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还原物理学史上“紫外灾难” 《张朝阳的物理课》带你走近量子力学诞生过程

物理学史上的“两朵乌云”究竟是怎么来的?经典力学为何无法解释一些现象?12月5日12时,《张朝阳的物理课》第九期准时开播。搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,结合前几期提到的“经典力学的第一次窘境”,介绍了黑体辐射现象,视角重回19世纪,试图“拨开”物理学天空上的“乌云”,解答当时物理学家无法理解的“绝热指数与实验数据不符”的问题。由此引出了普朗克黑体辐射公式,介绍量子论诞生的背景。

从经典力学到黑体辐射 需先理解简谐振动和阻尼振动

黑体是什么?物理学中,假定黑体是一个可以吸收所有入射辐射但不发生反射和透射的物体,而是将这些辐射转化为热辐射的物体。我们可以以一个内部涂黑的空腔为例,电磁波射入其中,会被全部吸收,而不会反射或透射。与此同时,黑体也会把其吸收到的能量以电磁波的形式发射出来,且在各个波段的比例是不同的。黑体的热辐射(电磁辐射)称为黑体辐射。随着温度的升高,黑体所辐射出来的电磁波的频谱分布也会发生改变。

“黑体未必是黑色的,辐射源也并不少见,人体也可以看成是一个辐射源。”张朝阳解释,冬冷夏热的现象的一部分原因就是人体的能量会以电磁波的形式散逸出,而温差越大逸散的热辐射就越多,这种辐射形式与黑体类似,且其中大部分为红外线。红外线人眼看不见,但是借助仪器,可以清晰成像,这也是红外热成像夜视仪能够在黑夜里看到人像的原因。

当然,张朝阳也认为,绝对黑体作为一个理想模型,在现实中是不存在的,但是有比较接近的事物。例如我们生活中所熟悉的太阳,就是很好的近似,它的光谱也很好地符合黑体辐射谱。

他还从牛顿力学里的振动方程出发,介绍了带有阻尼的谐振子模型。为了更好地让网友理解阻尼,张朝阳先从力学角度,介绍了机械式钟表的原理。由于空气阻尼等带来各种能量损耗,如果没有额外的能量来源,钟摆自身不会永远摆动下去。其中空气阻力的方向与钟表的摆动速度方向相反;且速度越大,阻力也越大。不过,这个阻力非常小,钟摆可能要摆动数万次才会停止。不过如果往钟表的盒子里灌水,由于水的阻尼要远远大于空气,钟摆可能一两下就停止了。

(第八期直播中,张朝阳使用“直播白板”,介绍阻尼振动)

如果把普通谐振子换成电荷,那么这个往复运动的电荷会向外辐射能量,其运动规律就类似带有阻尼的谐振子模型,相应的阻尼称为“辐射阻尼”。基于这一模型进一步计算和检验,可以发现该模型虽然简单,但也具有一定的合理性。

还原物理学史上的“紫外灾难” 介绍量子力学诞生背景

从能均分原理出发,通过对简谐运动、阻尼振动、电场辐射以及辐射阻尼的研究,张朝阳带着网友顺利推演出“瑞利-金斯公式”,它是经典力学用来描述黑体辐射的辐射谱分布的公式。他解释,“我们得到一个在黑体内,光的辐射频谱,发现光的辐射强度跟它的频率成正比,跟它的温度成正比。”

不过,这个推导出的结果在低频区跟实验符合的非常好,但在高频区却不相符。因为据此公式,随着频率升高,辐射强度会趋于无穷大。“这有可能吗?太阳的辐射,核反应出来的能量,也没到无穷大。”张朝阳说。

由此,直播中的推导还原出19世纪末物理学史上“两朵乌云”之一的“紫外灾难”。显然经典力学推导出的结果出了问题,张朝阳解释,“我们把经典牛顿力学已经用到极致,最后还得靠普朗克修正一下。”

(第九期直播中,张朝阳推演普朗克黑体辐射公式)

1900年,普朗克根据实验得出的数据做了一些修正,提出了能级的假定,使得计算结果在短波区时,辐射强度也不会无限上升,而是呈现下降曲线,和实验完全符合。这就是著名的普朗克黑体辐射公式,也就是普朗克定律,至此,量子物理学的雏形已经逐渐显现。

“我们走了这么长的路,终于得出和实验相符的结果。”张朝阳称,之前的物理课一直在经典力学的高原上徜徉,用经典力学解决了很多的问题。但到了“黑体辐射”,涉及到微(分子)处探索时,发现经典力学解决不了一些实验现象。通过这两堂课完成了“瑞利-金斯公式”的推导,介绍了“紫外灾难”,以及通过引进普朗克黑体辐射公式,解答当时物理学家无法理解的“绝热指数与实验数据不符”的问题,解决物理学史的一片“乌云”。

据介绍,《张朝阳的物理课》近期课程将会介绍普朗特黑体辐射公式在普遍的应用,包括宇宙大爆炸的灰烬、温室效应、人的散热等实际案例。

搜狐视频发力知识直播 不仅传播知识更训练科学素养

自11月5日开始,《张朝阳的物理课》已直播九期。在第一、第二课中,张朝阳科普了“力”和“速度”,算出马斯克的飞船和中国空间站每日绕地飞行的圈数;第三、四课的内容则和“振动”相关,科普了可见光的基本知识,解释了早中晚的太阳颜色为何不一样,以及蓝色天空的秘密。第五、六课引发了关于音速和温度的大讨论。第七、八、九期则重温经典力学的两朵乌云,带领网友触摸量子力学。

观察生活现象+解释背后原理+推导演算公式,结合九期物理课可以看出,《张朝阳的物理课》是从日常现象引入,帮助网友理解现象,提升兴趣,再“透过现象看本质”,解释知识点,推演过程,反过来解决生活中的问题。

“物理是算出来的,玄乎其玄的科幻概念和实证有区别。”张朝阳认为学习物理并不轻松,但每个人不要觉得可能学不会而不去学,恰恰相反,聪明在于过程,看起来枯燥的物理知识,经过分解后再理解,不比生活中的其他事更困难。张朝阳鼓励网友打破思维的边界,科学学习,希望每个人对这个世界,充满更多的好奇心与勇气。

显然,《张朝阳的物理课》不仅仅是知识的传播,更在于对知识获得过程的数学推演,把解决问题的方法教给用户,而不是直接给答案。这样做,还能训练和提升用户的科学素养。这些正是课程价值所在,也是搜狐视频知识直播与众不同的特色之一。

另外,网友还可通过“直播白板”学习,也有“课代表”将课堂笔记,发布在搜狐新闻客户端“关注流”上,方便网友查漏补缺。这种可追溯性,也大大释放了搜狐视频的内容活力。

在后续的课程中,张朝阳将继续解答黑体辐射的应用、宇宙大爆炸留下的遗迹以及其他生活中常见的物理现象。通过网友最熟悉的话题,深入浅出,解释现象,探寻物质世界的原理。达到专业人士认可,普通人能听懂的效果,并借此激发科学学习的热潮。该课程于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。

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