6、光的量子奥秘：从经典理论到奇异现实

光的量子奥秘：从经典理论到奇异现实

1. 气体分子动能与温度的关系

理论精确预测，气体分子的平均动能与温度成正比。当加热气体时，分子的运动能量增加，这一结果被称为能量均分定理，它将温度与平均动能联系起来。该公式与实验结果高度吻合，其仅依赖于牛顿的原子碰撞运动方程和一些统计学知识。

2. 光的热平衡实验与灾难

19世纪末，物理学家将这一理论应用于处于热平衡状态的盒子中的光波。实验中，将空心腔室内壁涂上木炭，加热后木炭从黑色变为红热，会发出和吸收光波。英国物理学家瑞利（1900年）和金斯（1905年）计算了光波能量随波长的分布，结果却荒谬至极。该理论预测，随着光波波长越来越短，光能量分布会趋于无穷大，总功率也将变为无穷大，这意味着如果给一个内壁涂黑的陶窑加热，会有无限的紫外光射出摧毁宇宙，这就是所谓的“紫外灾难”。

而在实验室中，并未出现这种灾难。随着窑炉温度升高，在固定温度下，特定波长的发射光有平均能量，紫外光出现的概率会迅速降为零，总能量是有限的。由于这些窑炉内壁常被涂成黑色，它们被称为黑体，瑞利 - 金斯黑体理论彻底失败。实验测得的分布类似于麦克斯韦 - 玻尔兹曼分布，但不同的是，实验分布的峰值出现在光频率与温度成正比的点上，即温度升高时，对应峰值的波长会变短，从红外到深红，最终到橙色、黄色。

理论	长波长表现	短波长表现
瑞利 - 金斯理论	与正确结果和数据吻合	预测结果荒