4.1 1900年12月14日:能量子的誕生#
為了給10月19日的公式找理論根據,普朗克在1900年秋冬採取了他此前極端排斥的方法:波茲曼式的統計計數。他把腔內輻射與腔壁振子視為一組共振子(resonators),按能量把振子的總能量分成有限份,計算每種分配方式的組合數 \(W\) ,再令 \(S = k \log W\) 。要在數學上完成這個程序,他必須假設總能量由不可再分的「能量單元」組成:
\[E = h\nu\]
也就是說,頻率為 \(\nu\) 的振子只能以 \(h\nu\) 的整數倍吸收或發射能量。1900年12月14日,普朗克在德國物理學會宣讀《論正常光譜中能量分佈定律的理論》,正式提出能量子假說。這一天被視為量子理論的誕生日。
普朗克本人對這個假說極度不安。他視之為「形式上的假定」(Formal Harmlosigkeit),是一個推導工具而非物理實在;此後多年他反覆嘗試把量子退回古典連續理論的框架(所謂「第二理論」,1911-1912),均告失敗。他自述這是「孤注一擲」,但偉大的革命者恰恰是那個最不情願的革命者。
timeline
title 從內插公式到量子假說
1900-10-07 : 魯本斯告知低頻規律 : 當晚完成內插
1900-10-19 : 發表輻射公式 : 與實驗精確吻合
1900-12-14 : 引入能量子 E=hν : 量子誕生日
1911-1912 : 嘗試退回古典的「第二理論」 : 失敗, 量子坐實因果分析:這一節展現「方法借用」與「立場背叛」的因果迴環:為了解釋自己造的公式(前因),普朗克被迫採用他多年反對的波茲曼統計(中間轉折),而統計計數的數學要求又強迫他引入分立能量(後果)。整個鏈條中沒有一個環節是「想要革命」的動機——每一步都是上一步的邏輯俘虜。這解釋了為何量子假說由最保守的普朗克提出:正是他對公式精確性的執著,壓倒了對傳統的忠誠。