紫外灾难

研究具有一定温度的黑体发射电磁辐射的规律，发射的电磁辐射包括的波长从很长到相当短的都有，辐射能量随辐射的频率形成一定的分布。如果黑体的温度很低，发射的电磁辐射主要是频率较低的，即波长较长的电磁辐射。如果黑体的温度较高，发射的电磁辐射主要是频率较高的，即波长较短的电磁辐射。1893 年德国物理学家维恩（Wil-helm Wien）发现辐射能量最大的频率值正比于黑体的绝对温度，并给出辐射能量对频率的分布公式，这个公式在大部分频率范围内都与实验符合得很好，只在频率很小时与实验符合得不好（见图 2-2）。既然黑体辐射讨论的是电磁波的发射问题，电磁学中已经知道，带电粒子或电流作简谐振动时就将辐射电磁波，黑体辐射问题就应该可以在电磁学的理论基础上讨论解决。1899 年，英国物理学家瑞利

（Third Baron Rayleign）和天体物理学家金斯（JamesHopwood Jeans）在电动力学和统计物理学的基础上从理论上又普遍导出一个辐射能量对频率的分布公式。在这个公式中，当辐射的频率趋于无穷大时，辐射的能量是发散的。实际上，这个公式在频率小时与实验符合得很好，但在频率大时与实验严重不符合（见图 2-2），在这里，经典物理学理论碰到了严重的困难。由于频率很大的辐射处在紫外线波段，故而这个困难被称为“紫外灾难”。

19 世纪末，经典物理学体系已经在几乎所有方面都取得了巨大的成功。当时在许多科学家心中普遍存在着一种乐观的情绪，认为宏伟的科学大厦已经基本建立起来了，当然还有一些小问题没有解决，后辈的物理学家只要对

现有的理论进行一些小小的补充和修正就能够解决了。的确，那时经典物理学已经成为一套相当完美的体系，人们能够用它来解释大到天体运行，小到烧一壶开水等形形色色的物理现象。但是，正如英国物理学家开尔文（Lord Kelvin）所说的，在物理学晴朗的天空的远处，还存在着两朵“乌云”。其中一朵指的是迈克尔孙-莫雷实验，它的结果否定了“以太”的存在，最终导致了相对论的诞生，我们在本书的后面还会提到它；另一朵指的就是“紫外灾难”，它使物理学家们最终建立了量子力学。这两朵乌云的存在，正在开始动摇经典物理学的基础，从而引发物理学史上一场伟大的革命。