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关于基本物理常数的科学认识

2010-07-29 20:10:21 来源:

  基本物理常数是物理学中的一些普适常数,是人类在探索客观世界基本运动规律的过程中提出和确定的基本物理常量。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的关系,在科学理论的提出和科学试验的发展中起着很重要的作用。基本物理常数包括牛顿引力常数G、真空中的光速C、普朗克常数h、基本电荷e、电子静止 质量Me、阿伏伽德罗常数Na等。

  物理学中许多新领域的开辟以及重大物理理论的创立,往往与相关基本物理常数的发现或准确测定密切相关。基本物理常数描绘和反映了物理世界的基本性质和特征,它们为不同领域的区分提供了定量的标准。基本物理常数的测定及其精度的不断提高,经历了漫长的历史时期,生动地反映了实验技术和测量方法的发展与更新,现在,许多基本物理常数的精度已达10-6量级,有的甚至达到10-8~10-10量级。本文限于篇幅,仅以光速C和普朗克常数h为例来说明。

  光速是光波的传播速度,原与声波、水波等的传播速度类似,并不具有任何“特殊的”的地位。但细分析起来,光速也似乎确有一些特殊之处。其一是光速的数值非常大,远非其他各种波动速度所能比拟;其二是光波可以在真空中传播,而其他波动则离开了相应的弹性介质便不复存在,由此引来了关于以太(假想的弹性介质)的种种争论。

  1865年麦克斯韦建立了电磁场方程组,证明了电磁波的存在,并推导出了电磁波的速度C等于电流的电磁单位与静电单位之比。1849年斐索用实验测出光在空气中的传播速度为C =3.14858×108米/秒。分属光学和电磁学的不相及的两个传播速度C电磁波与C光波之间出乎意料的惊人相符,使麦克斯韦立即意识到光波就是电磁波。于是,以C为桥梁把以前认为彼此无关的光学与电磁学统一了起来。同时,由于电磁波传播依赖的是电磁场的内在联系,无需任何弹性介质,使得“以太”的存在和不存在没有什么差别,不需要强加在它身上种种性质。至此,光速C的地位陡然升高。

  麦克斯韦电磁场理论揭示了电磁场运动变化的规律,统一了光学与电磁学,开创了物理学的新时代。但同时它也提出了新的更深刻的问题:麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系还是适用于一切惯性系。如果麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系,则不仅违背相对性原理,且该惯性系就是牛顿的绝对空间,地球相对它运动将受到以太风的吹拂,然而试图探测其影响的Michelson-Mor1ey实验却得出了否定的结果。如果麦克斯韦方程组适用于一切惯性系,则根据伽利略变换得出的经典速度合成规律,在不同惯性系中的光速应不同,甚至会出现违背因果关系的超光速现象,也难以解释。总之,对于麦克斯韦电磁场理论,伽利略变换和相对性原理之间存在着不可调和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相对性原理和光速不变原理为前提,并借助洛伦兹变换方程建立起狭义相对论之后,这一切矛盾和困惑才最终得以解决。

  由此可见,真空中的光速C从光波的速度上升为一切电磁波的传播速度之后,又进一步成为一切实际物体和信号速度的上限,并且在任何惯性系中C的取值都相同。C作为基本物理常数,提供了不可逾越的速度界限,从根本上否定了一切超距作用,成为相对论和新时空观的鲜明标志,同时又成为是否需要考虑相对论效应的定量判断标准。

  1900年普朗克为解释黑体辐射,提出谐振子能量不连续的大胆假设。1905年Einstein为解释光电效应,把能量子假设推广到电磁波,提出“光量子”。1924年德布罗意通过粒子与波的对比,假设微观粒子也具有波动性,也就是波粒二象性,设其动量为p,则其德布洛依波长由下式绝定:pλ=h,这里h是一常量,叫普朗克常数,h几乎处处出现,它宣告物理学新的研究领域——量子物理学诞生了。

  量子物理学的进展表明,普朗克常数h是量子物理学的重要常数,凡是涉及量子效应的一切物理量都与它有关,h不仅必然成为微观粒子运动特征的定量标准,而且成为划分量子物理与经典物理的定量界限(正如C是划分相对论与非相对论的定量界限一样)。如果物理体系具有作用量纲的物理量与h可相比拟,则该体系的行为必须在量子力学的框架内描述;反之,如果物理体系具有作用量纲的物理量远大于h,则经典物理学的规律就在足够的精确度对该体系有效。普朗克常数h的深刻含义和重要地位,使之得以跻身基本物理常数之列。

  普朗克常数h的一个意外而有趣的含义在于,它是一个直接关系到宇宙存在形式的基本常数。宇宙中广泛存在着有形的物质与辐射,其间的能量交换(如物体发光或吸收光)遵从一条物理原理,即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常数,即若h=0,则表明辐射与有形物质之间的能量交换可任意进行。由于辐射的自由度与频率的平方成正比,随着频率增高,辐射自由度在数量上是没有上限的。因此,辐射通过与有形物质的能量交换,将不断地从有形物质中吸取能量,最终导致有形物质的毁灭。于是,整个宇宙只剩下辐射,没有原子、分子,没有气体、液体、固体等,生命与人类当然无从谈及。幸而普朗克常数h不为零,辐射的能量是不连续的,存在着ε=hv的能量台阶,波长越短频率越高的辐射其能量台阶越高,在与有形物质的能量交换中越不起作用,相应的辐射自由度冻结,从而使有形物质与幅射的能量交换受到限制,两者才能达到平衡,我们这个宇宙才能以当今丰富多采的形式存在下去。

  下面介绍一下近代精确测量C和h的方法。

  测量真空中光速的精确方法是,直接测量激光的频率ν和真空波长λ,由两者乘积得出真空光C。1972年,通过测量甲烷谱线的频率与真空波长,得出真空中光速为c=299792458±1.2米/秒。1983年第17届国际计量大会规定新的米定义为:“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”由于光速是定义,不确定度为零,从此不再需要任何测量,结束了300多年精密测量C的历史

  h首先由普朗克给出,普朗克利用黑体辐射位移定律中的Wien常数b与k(Boltzmann常数)、C、h的关系,由b、k、C算出h,用实验方法测定h则始于Millikan,他利用光电效应的实验得出h,近代精确测定h的方法是利用Josephson效应,这是超导体的一种量子效应。

  1900年,Thomson在总结以往几百年的物理学时指出:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了;但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云就是当时无法解释的黑体辐射和Michel-son—MOrley实验,正是它们引起了物理学的深刻变革,导致量子力学和相对论的诞生,与此同时出现了两个基本物理常数h和C。
  
  参考文献

  [1] [美]威切曼著,复旦大学物理系译,《量子物理学》,科学出版社,1978年

  [2] [美]库珀著,杨基方、汲长松译,《物理世界》,海洋出版社,1981年

  [3]马克思恩格斯全集,第32卷。
 

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