普朗克常数h引起的经典物理学自然观的三种改变_张晶.pdf

文章编号 1000 8934 2007 02 0044 03 普朗克常数 h 引起的经典物理学自然观的三种改变 张 晶 长安大学 人文学院 陕西 西安 710065 摘要 物理学的研究成果 往往能使离物理学领域很远的哲学观念发生变化 普朗克常数的诞生 不仅使物理 学经历了由经典到现代的 蛹 蝶0之变 而且还使人们对自然界的基本认识与基本观念发生了根本性转变 关键词 普朗克常数h 自然观 改变 中图分类号 N031 文献标识码 A 收稿日期 2006 02 13 作者简介 张晶 1973 女 吉林人 长安大学人文学院副教授 哲学博士 主要从事科学史 科学哲学等方面的研究 物质世界中存在着诸多的普适常数 例如 万有 引力常数 G 阿伏伽德罗常数 NA 玻尔兹曼常数 k 普朗克常数 h 真空中的光速 c0 基本电荷 e 电子 质量 me 质子质量 mp 电常数 E0 磁常数 L0等 物 质世界的物理常数往往通过两种途径来发现 一个 是通过观察与实验获得的 例如基本电荷 e 真空中 的光速 c0等 另一个是则是在建立相关定律定理时 被引用或被导出的 最常见的就是万有引力常数 G 超导现象中的约瑟夫常数 e h 光谱线的精细结 构常数2P e2 hc 等等 这些常数都是直观感性的 容 易被公众理解与接受 但普朗克常数却恰恰相反 它是普朗克 Max Plank 用内插法侥幸拼凑出来的 如同 上帝掷骰子0一般 然而这个让普朗克自己也 为之吃惊的经验数值 现在却成为物理学乃至物质 世界中最重要的常数之一 并以它的发现者命名 1 普朗克常数 h 的发现 19 世纪末 随着冶金工业的发展及其对高温测 量技术的需求 许多理论与实验物理学家都非常关 注热辐射及其相关理论的研究 1893 年 德国物理 学家维恩 Wilhelm1Wien 在基尔霍夫 斯特藩以及 玻尔兹曼等人的研究基础上根据电磁理论和热力学 理论提出热辐射能量分布定律112 L bK 5e a K T 其中 L表示能量随波长 K分布的函数 也叫能 量密度 T 表示绝对温度 a b 为任意常数 对应能 量分布函数 L最大值的波长K与温度T 成正比 维 恩分布定律发表以后引起了物理学界的普遍关注 但普朗克认为 维恩的推导假设太多 不太令人信 服 于是他从 1897 年起投身于这个问题的研究 企 图用尽量少的假设从基本理论中推出这个定律 几 乎与此同时 另一些物理学家所获得的相关实验结 果表明 这个定律在短波方向与试验数据基本相符 但在长波方向却存在较大偏离 鉴于维恩分布定律在高温和长波条件下所遇到 的问题 英国物理学家瑞利 J1W1S1Rayleigh 提出 一个自认为可能是先验的 他自己也没有资格判断 的热辐射能量分布公式122 L C1K 4Te C2 K T 公式中的指数因子 e C2 K T 是瑞利根据经验添 加的 瑞利的这个公式随后被英国另一位物理学家 金斯 J1H1Jeans 根据经验纠正成为 L 8PM 2 c3 kT 因此 这个公式又被称之为瑞利 金斯定律 然而瑞利 金斯定律又仅适合计算长波方向却不适 合短波方向能量分布的计算 根据这个公式还导出 了一个谬误 在短波紫外光区 理论值随波长的减少 而很快增长 趋向于无穷大 即在紫色一端发散 这 显然与实际情况不符 因为在一个有限的空腔内不 可能存在无限大的能量 面对理论结论与试验结果 之间出现的这个巨大矛盾 当时的物理学家无法作 出合理的解释 所以 后来人们就把这个科学难题称 为 紫外灾难0 作为一个具有哲学家气质的物理学家普朗克有 着强烈的形上情怀 深信自然界是和谐而统一 的 132他不满足于维恩定律与瑞利 金斯定律在能 量分布计算上的分裂 因而自觉地开始了结束两者 分离局面的艰难探索 1900 年 12 月 14 日 经过多 方努力 通过采用玻尔兹曼的统计方法之后 普朗克 44 第 23 卷 第 2期 2 0 0 7 年 2 月 自 然 辩 证 法 研 究 Studies in Dialectics of Nature Vol 23 No 2 Feb 2007 在德国物理学会议上提出一个与经典物理学概念完 全不同的新假设 能量不连续的谐振子假设 也 就是人们常说的量子假设 频率为 M的谐振子的最 小能量E hM 其中 h 是作用量子 根据量子假设普 朗克找到了一个可以协调维恩定律与瑞利 金斯 定律的热辐射经验公式142 L 8PhM 3 c3 1 ehM KT 1 其中 L表示能量密度 T 表示绝对温度 M 表示 振子频率 h 和k 均为普适常数 普朗克根据黑体辐 射的测量数据计算出 h 的值为 6165 10 34焦1 秒 目前公认的 h 6162606876 10 34焦1秒 后来 人们就将这个被普朗克本人叫做 作用量子0 的常 数 h 称为普朗克常数 而将普朗克的能量元称为 能量子 根据量子假设 普朗克用内插法推导出了跟实 验结果十分吻合的黑体辐射能量 频率分部定 律 也就是普朗克定律 这个定律符合全部辐射频 率范围内的实验值 它在高温时与瑞利 金斯定律 一致 在低温时与维恩定律一致 普朗克以其卓越 而富有开创性的工作再一次坚定了人们所持有的物 质世界具有和谐与统一本性的信念 更为重要的是 普朗克的工作给人类的思维模式带来了跳跃式变 革 由于 h 的提出 普朗克于 1918 年获得诺贝尔 物理学奖 2 普朗克常数引起的物理学 自然观的变革 普朗克的量子假设以及其后基于量子理论而建 立起来的量子力学向人们揭示出一幅不同于经典力 学的物理世界新图像 这幅新的物理世界图像对人 们思维方式的影响是革命性的 它促使人们从经典 物理学的世界图景中走出来而从根本上改变对自然 界的看法 1 自然界由连续走向间断 古希腊哲学一直 存在着关于自然界是连续还是间断的争论 关于自 然界是非连续的 间断的看法最有代表性的就是德 谟克里特的原子理论 但是在连续与非连续争论中 占据主导地位的仍然是那位集大成者 亚里士多 德的自然观 亚里士多德认为 一切量都是连续 的015 2 因为作为物质存在方式的时间是连续的 既然时间是连续的 量也就是连续的0162 假使 时间在两个方面的延伸上无限 量也就在两个方向 的延伸上无限 如果时间在分起来无限 量也就在分 起来无限 如果时间在延伸和分小这两个方面都无 限 那么量也就在这两个方面都无限 017 2莱布尼兹 也说过 自然界无飞跃0 并将这种无飞跃的连续性 称作 连续律0182 日常经验里 物质的性质是连续的 因为物质的 大小 重量 能量 颜色 表面积等等都可以无限细分 下去 运动也是连续的 因为运动轨迹呈现出的特性 是光滑与无间断的 自然界的连续性使一定温度下 的任何物质 无论是固体 液体还是气体都在不停地 向周围的空间辐射各种波长的电磁波 热辐射也具 有连续的能量辐射谱线 后来的麦克斯韦电磁场理 论使自然界的这种连续性观点根深蒂固 自然界呈 现的连续性特征 如同莱布尼茨所言的自然界不作 跳跃一样 均是古希腊毕达哥拉斯学派和谐 美妙 连续 简单自然观的继承 普朗克常数的提出动摇了自古希腊以降在人们 头脑中长期占据统治地位的认为物质世界仅有连续 而不存在间断的自然观 普朗克常数揭示出 能量 的发射和吸收是以非连续的量子方式进行跳跃 物 体不是以连续的无间隔的方式而是以能量子为单元 一份一份辐射能量的 且每份能量的大小取决于辐 射频率 普朗克的能量元理论以来自实验物理学和 数学的确凿事实和有力证据对自然界的连续与间断 之争做出了颠覆性的判决 这个判决表明了自然界 就其基本构成单元而言并非无限可分 自然界必然 具有间断本性 普朗克认为 能量子仅以有限个数的方式分给 具有相同频率的一群振子中的个别振子和分给每一 个都有特定频率的不同的振子群 这种有限个数使 配分方式服从概率论 这个令人震惊的与经典物理 学相反的 能量子0假说 它好像是一团一团的微量 的能量所组成的流019 2 自然界存在跨越 如果能量的分布不是连续而是一份一份的 那 么过去通过求积分而推导出的能量均分原理也就随 之不成立 经典物理学中由均分原理引起的矛盾凭 借普朗克常数迎刃而解 紫外灾难得到扬弃 物质 可以分立地以跳跃非连续的方式改变能量 普朗克 常数从此揭开了自然界的非连续本性 普朗克常数 h 以及随后的能量量子化概念动 摇了经典物理学的连续性原理并开启人们认知微观 物理世界本性之门 从此 由牛顿表述的传统力学 定律 以及麦克斯韦电磁定律 在原子及亚原子粒子 的微观世界中完全失效了 01102 2 观察由主客独立走向主客相干 经典物理 学认为世界是客观的 被观察对象的状态不以观察 者的意志为转移 构成世界的物体 无论是桌子 椅 子 行星还是原子 就 在那里存在着 不管我们观 45 普朗克常数 h 引起的经典物理学自然观的三种改变 察它们与否 0111 2牛顿称它为客观实在 这种实在 论预设了存在某种独立于人类观察之外的物理实在 物理存在 而 宇宙是这种独立存在的物体的集 合 它们合在一起就构成了事物的整体 0112 2观察对 于客观世界的存在方式与属性不会产生影响 观察 者与被观察对象是两个分别独立 互不相干的体系 然而 量子世界中观察者与被观察对象之间明 晰的界限变得模糊了 观察者与被观察对象作为统 一于观察过程这一整体中的两个要素彼此发生着相 干作用 并且这种相干作用成了量子物理现象中一 个不可分割的部分 甚至可以说是由于观测者的介 入才最终确定了微观粒子被观察到的现实状态 玻 姆指出 微观客体的属性 乃是一些不确定的潜在可 能性 这些可能性仅仅在于其他系统相互作用中才 得以较为确定的形式实现出来01132 作为量子世界 中的观察者 人的主观行为 与被观察对象的状 态是结合在一起的 人的行为成为影响观察结果的 无法消除的因素 客体对主体的依存性与主客体之 间的相关性构成量子行为的固有特征 在量子世界中 离开主体与客体的直接作用 即 离开主体对客体的观察 我们无法精确指出微观粒 子在某一刻具有什么样的属性 一旦对量子系统作 出观察 它的态一般会骤然改变 这一事实听起来就 像是 精神支配物质 的思想 01142量子世界所谓的 物质的客观属性0就是如此 我们不能有意识地去 操纵微观粒子的行为 微观粒子亦毋需人们告诉它 应该做什么 但人们的主观状态却实实在在地影响 着微观客体究竟正在做什么 而在经典物理学中 当你观察物体的运动轨迹时 无论是肉眼的直接观 察还是引入仪器的间接观察 在理论上都是没有区 别的 因为物体的运动是处在一个绝对的客观的外 部世界中 观察的结果是客观的也是既定的 但是 普朗克常数 h 的介入对量子的运动轨迹产 生了致命的 干预0 同一个量子的运动轨迹却由于 观察手段的不同而产生不同的结果 没有一个客观确 定的轨迹或答案 微观粒子没有了 客观动量0 而只 有 测量动量0或 观察动量0 观察者的介入对原本 客观存在的既定的观察结果产生了质的改变 观察从此负荷了价值 于是 任何观察过程都 必定涉及对于你所观察的对象的一种干涉 因此 你在谈论对象正在干什么时 我们必须特别指出我 们观察什么 或者说 我们可自由地观察什么 0115 2 量子力学深刻地揭示了在对微观粒子的观察过程 中 观察者和客观实在相互影响 彼此相干的特性 客体以客观的潜在的可能性制约 规定了主体 主体 测量仪器 以具体的现实的环境条件规定着客体 具体地实现了的测量结果则是这种相互规定的结 果 进而使其不可避免地打上了主客体双方的烙印 3 宇宙由确定走向不确定 经典物理学认为 自然界是既定的 遵循线性的因果关系 如果掌握 了一个封闭体系的全部初始情况 它的未来就被自 然定律惟一地确定下来01162 这是典型的决定论观 点 在决定论视域里 世界被看成是完全可预言 的 至少在原则上是如此 0117 2此时的宇宙好像是一 架硕大无比的钟表 过去 现在和将来都按照某种确 定的方式稳定有序的运行 确定宇宙下的一切事物 都服从机械因果律 人们普遍相信运用牛顿力学就 能对世界的任意现象和事件进行精确的预测和揭 示 人们甚至相信对于自然界每一个动力学变化的 测量 无论是位置 速度还是动量 只要不断改进测 量仪器 原则上就可以达到人们预想的任意精度 当普朗克引入 h 之后 世界的确定性与精确性 失去了普遍的意义 首先 对于微观粒子状态的测定不再具有确定 性 经典物理学认为 可以同时准确地测量宏观物 体的确定的位置与其运动速度 然而在量子世界 中 经典力学的测量方法似乎永远无法做到两全其 美 在对电子运动状态的测量中 若将电子的位置 计算准确 则其速度就不可计算 反之 若将其速度 测准 则其位置就成测不准 01182虽然可以测出电子 的运动速度约为 106m s 但电子速度的不确定度也 为 106m s 于是 电子并非简单地同时具有位置与 动量 01192所以 电子在原子中的运动没有确定的轨 道 无法确定电子在原子中的运动状态 经典物理 学中的轨道概念 到了量子理论中就成了不允许存 在的内容 这里允许存在的就只是波函数 以及能根 据波函数推导出的相应内容 0120 2宏观世界的确定宇 宙在微观粒子世界中变成不确定的了 而两个共轭物 理量不确定度的乘积需要满足以下的关系才行 Px X h 4P E X h 4P 于是 凡是乘积具有 h 量纲的成对物理量都不 能以任意高的精度构成确定 微观粒子世界的不确 定特征 导致人们不能以任意高的精度同时测量粒 子成对量的物理性质 不确定度的乘积不能小于普 朗克常数 h 的数量级 从此 在微观世界中存在一 种内在的模糊性 只要我们企图测量两个不相容的 可观察量 如位置和动量 这种模糊性就会显示出 来 01212 其次 人们对客观实在存在方式的理解也失去 了确定性 在经典物理学中 物质未来的状态是由 下转第 83 页 46 自然辩证法研究 第 23卷 第 2期 Studying on the Coordinating Development between Technology Innovation and Moral LIU Hong yu PENG Fu yang HU Yuan qing Research Institute of Science and Technology Philosophy Hunan University Changsha 410082 China Abstract The morals are the important support resources of technology innovation the coordinating development between technology innovation and moral can inhibit the negative effect on technology innovation1In orderto enable the technology innovation while pursuing economic benefits giving con sideration to the ecological and social benefits and people s full scale development we must standardize the technology innovation and impel it to develop with the ethical one in harmony with the principle of main body and object with unified interests1 Key words technology innovation moral coordinating development 本文责任编辑 王国政 上接第 30 页 Cognitive Faculties andTruth LI D i fei Department of Philosophy and Sciology Henan University of Finance and Economics Zhengzhou 450002 China Abstract Natural selection guarantees the fitness reliability of human cognitive faculties which however can t guarantee the truth reliability of cognitive faculties1Lacking of determinate proof of the premise that true beliefs are more likely to increase an organism s inclusive fitness than false be liefs the primitive argument that correlates natural selection and the truth reliability of cognitive faculties is not successful1However some doubts about that premise are mostly untenable and the tempting argument0may be plausible in the sense of induction1 Key words natural selection cognitive faculties fitness truth 本文责任编辑 费多益 上接第 46 页 过去绝对的决定的 因而 客观世界以可被预测的特 殊状态存在 但是 在量子世界中 物质只以概率的 可能态存在着 人们只能说出 没有被观察那一瞬间 的状态可能是什么状态 但是却无法确切地说出在 那一瞬间究竟是什么状态 量子世界就如同我们对 光的波粒二像性理解的那样 在没有被观察的时刻 它既可能是波也可能是粒子 但是一旦我们观察它 的时候 它要么是波要么是粒子 这样一来普朗克常数的发现就改变了人们对客 观实在的传统信念 经典物理学中那种离开人的直 接观察 抽象地去谈论客观实在的属性与状态 对于 量子世界而言是没有意义的 只有被人们观察到的 才是真实的 有意义的客观实在 结论 普朗克常数 h 的发现为人们打开了微观 世界的大门 h 的出现成为近代物理学的象征 导致 后来量子论的诞生并构成自然秩序理想的基本要素 参考文献 112122142郭奕玲 沈慧君1 物理学史 M 1 北京 清华大学出 版社 19931210 213 2381 132赵鑫珊1 普朗克之魂 M 1 上海 上海文汇出版社 1999113 151 152162172亚里士多德 1 物理学 M 1 北京