爱因斯坦102洛伦兹长信论辐射、副教授、安娜来信祝贺09.5

5月2日,第一位接触爱因斯坦的日本人桑木彧雄(Ayao Kuwaki,1878年-1945年)在爱因斯坦的推荐下在巴黎见了此时在巴黎《哲学评论》杂志任编辑工作的好友莫里斯·索洛文后已到了英国剑桥,这天他在剑桥给爱因斯坦发来了感谢信:

“尊敬的博士先生!

我冒味地从古老英国的这座著名的大学城向您致以最良好的祝愿。我在巴黎见到索洛文先生了。但遗憾的是,由于时间有限我没能与他经常见面。

我打算在剑桥这儿待几天,然后返回柏林。请代我向您的夫人和您的女儿(注:桑木彧雄此时只见过汉斯的照片,误认为女儿了)致以最良好的祝愿。您的最忠实的

桑木彧雄”

5月6日,亨德里克·安东·洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz,1853年7月18日-1928年2月4日)写了封长信回复了爱因斯坦3月30日咨询洛伦兹对《论辐射问题的现状》中的几个亮点的看法和4月13日爱因斯坦高度评价洛伦兹证明经典理论必然导致紫外灾变的瑞利-金斯公式的大作的信件,这封信篇幅相当长,基本等同于一篇论文。

洛伦兹这封长信主要讲了以下几点:

一、爱因斯坦高度评价的证明经典理论必然导致紫外灾变的瑞利-金斯公式的大作尚有缺点:

正如约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯(通常称为范德·瓦耳斯或范德华,Johannes Diderik van der Waals,1837年11月23日-1923年3月8日,荷兰物理学家,阿姆斯特丹大学理论物理学教授。他对气体和液体的状态方程所作的工作,获得了1910年诺贝尔物理学奖,化学中有以他名字命名的范德华力,即分子间作用力)指出的只有在能赋予电子以物质质量的情况下洛伦兹的结论才是正确的,否则电子的运动方程意味着作用于电子上的力的总量为零,运动方程也不再包含电子的加速度,而只包含其速度。

二、从通常形式的电子理论直接而又简单地推导出辐射公式不太可能,目前辐射公式的推导依然要采用普朗克的方式:

洛伦兹赞同爱因斯坦在《论辐射问题的现状》中对辐射能量分布和辐射压涨落的计算,但他对普朗克辐射理论中的辐射能量交换以共振器还是以自由电子为媒介有疑虑。

洛伦兹认为以自由电子为能量交换媒介是不对的,这意味着导致紫外灾变的瑞利-金斯公式;

以共振器为能量交换媒介则可以采用普朗克的配容W概念,以这个思路为依据,洛伦兹通过修改正则系综(正则系综是统计力学中系综的一种,它代表了许多具有相同温度的体系的集合)的定义,即系综参数的量子化设定,推导出了普朗克辐射公式,但洛伦兹认为这一推导即适用于普朗克的共振器模型,也适用于自己的长方匣中具有不同自由度的以太模型(系统被封闭在一个长方形的匣子中,并且由广义坐标为q1、不带电的粒子和坐标为q2的电子组成,q3等量出现在电场的傅里叶展开式中)。

三、洛伦兹不认可光量子就是具有点状特征的能量,其在传播过程中也保持着个体性:

洛伦兹认为很容易说明一个光量子在其传播方向以及与它垂直的方向上有可能具有相当的广延性,而且在某些情况下,只有一部分光量子能抵达视网膜并使人对光有所感觉,即光量子是可分的,实际观察和接受到的都是光量子的局部。

洛伦兹认为单个光量子都是独立的,几个光量子的组合也不会导致干涉现象,而这与光的干涉矛盾,因此,光量子论对光的干涉无法解释。这里的论述又涉及到了光的粒子说即量子论和波动说的矛盾,而科学上最终对此的解决方案是量子力学的波粒二象性。

在信中洛伦兹还拿了个带孔隔板和透镜组合的思想实验来说明了光的衍射,以证明观察到的光量子都是局部的,光量子在空间上有广延性,这里的论述甚至都有了后来量子纠缠、量子意识论的意味了:

“人们也应当注意下面这一点。如果每个光量子在传播方向上具有一定的广延性,那么就必须考虑到,对于一个吸收粒子来讲,只有当足够多的光波彼此相继从而最终这个粒子能得到一个完整的量子时,它才能够吸收光。但是(讲得生动点),这个粒子在最初的那些波到来之时怎么知道是否还有足够数量的其他的波会相继而来呢?

为了克服这个困难就必须想象:这个粒子暂时掌握了最初的那些波的能量,只有在所积累的数量达到了一个光量子的量值时,它才最终掌握这些能量。”

四、自由度耦合的构想:

为了解决封闭空间中的以太能量与金斯方程的矛盾,洛伦兹构想了自由度耦合的想法:

“人们所能提供的最简单的说明也许就是假定:按照通常计算的那些可能的自由度,实际上并非都在起作用。可以想象所有自由度都被分了组,这样那些属于同一组的自由度被牢固地耦合在一起,从而只被算作是同一自由度。类似地(根据比热理论)可以假设,例如,一个氧分子的两个原子非常牢固地相互耦合在一起,从而形成一个旋转体。当然,沿着这条思路走下去,同时坚持能量的均分原理,只要以适当的方式确定上还各组的范围,谁都能得到他也许渴望得到的任何辐射公式。

但我还远没有成功地以至少似乎有理的方式阐明这种观点。如果能做点什么,从而在使用上述耦合假设时不必对麦克斯韦方程作什么改动,那就好了。”

五、洛伦兹不同意《论辐射问题的现状》中构想的普朗克常数h与电子电荷e有关,即h=e2/c:

“对您的这一观点:h大概与e(电子电荷)有关,我无法表示同意;无论如何我对此很怀疑。3个下落不明的小数绝不是小问题;我可以想象,在那一阶上大概4π可以作为一个因子出现,但是900似乎大得太多了。我也觉得,对于一个与在自由以太方程中出现的电子相关的量而言,它是不能令人满意的。我觉得把h看做是以太的一个独立于e的常量似乎更为合理。”

在信的最后洛伦兹提了两点补充看法:



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