普朗克常數非常的小，按照國際單位制（米-秒-千克），它的量級是10的負34次方

来源: marketreflections 于 2010-06-13 15:10:12 [档案] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 阅读数 : (4354 bytes)

回答: 科学家谈物理——如果光子的静止质量大于零,它的倒数就是电磁相互作用的力程,也就是说,电磁相互作用就是一种短程力.在地球上的实由 marketreflections 于 2010-06-13 10:26:40

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柴靜前兩天寫了個博客，《而我卻今天才知道他的存在》，寫的是葉企孫先生。文章是作者一貫的風格，而我也如往常一樣讀后唏噓不已，意猶未盡之后繼續看留言，卻讓我青筋直冒。有個人居然說：“你今天才知道葉先生，說明你很孤陋寡聞”。一個人靠不靠譜，并不在于知道很多東西，而在于保持探索未知事物的興趣和能力。再說了，你要是什么都知道，還真得小心點，不信的話看看Google。

葉企孫在哈佛大學讀研究生時主要參與了兩個項目。一個是用X射線測定普朗克常數，論文《A re-measurement of the Radiation constant, h, by means of X-Rays（用X射線法重新測量普朗克常數）》發表于1921年的PNAS（美國科學院院報）上；另一個是測量流體靜壓力對鐵磁材料磁化率的影響，論文稿完成于1923年，他把稿件交給導師布里奇曼后就回國了，布里奇曼為了確認幾處文字上的改動，輾轉很久才聯系上他，一耽誤就是兩年，最終文章發表于1925年。其實，后一項工作才是葉企孫在導師指導下獨立完成的——高壓物理也是他導師的本行。而前一個工作他只是參與完成，算是研究生初期的小試身手。

測定h值的工作由三人完成，發表時的排名次序為，William Duane，H. Palmer和葉企孫。第一作者，也是項目發起者，William Duane，是哈佛教授——因為致力于把X射線應用于癌癥治療，成為美國歷史上第一個生物物理學（bio-physics）教授。早在1917年，Duane就曾經和F. Blake用類似方法測量定過h值，測量結果發表在當年的Phys. Rev. (物理通訊)上。1921年的實驗其實是在原實驗基礎上進行的改良，目的是為了提高精度。下面來說說這個實驗是怎么回事兒。

物理學的主要任務之一就是拉關系。比如愛因斯坦發現能量和質量是有關系的，它們之間成正比，而且比值剛好是光速的平方，寫出來就成了E=mc2，物理學中大眾最為熟悉的一個公式。

普朗克發現，電磁波可以被看成一個一個攜帶能量的波包。他把這樣的波包稱作光子。光子的能量和光波頻率之間也有關系，它們成正比，比值恰好是一個常數，寫成公式就是E=hv。其中，E代表能量，希臘字母v代表頻率，h則被后人命名為“普朗克常數”。這個公式被稱作“普朗克關系”，是量子論的基石之一。

普朗克常數h的單位是【牛頓X米X秒】，如果我們按照乘法交換律自由組合一下，把力和距離先乘在一起作為能量，再和時間相乘即可得到h；或者把力和時間先乘在一起作為動量，再和距離相乘也可以得到h。這不僅僅是數學游戲，其背后的物理內涵由海森堡的不確定性原理所揭示。不確定性原理說，有些物理量永遠無法被同時精確的測量。就像兩只同時瞎嚷嚷的喇叭，不管你怎么努力，始終無法同時聽清它們的是什么。能量和時間就是這樣一對兒冤家，如果把這兩個量的不確定度相乘，會發現這個值的最小極限恰好是h。當然，不用我說你也知道，動量和距離則是另一對兒冤家。

延伸一下，覺得困難的話可以跳過本段。

普朗克常數非常的小，按照國際單位制（米-秒-千克），它的量級是10的負34次方。在我看來，最恐怖的世界末日場景不是火山噴發，天崩地裂，行星撞擊，海嘯滔天。而是某天突然醒來，發現普朗克常數變大了10的34次方倍。走在馬路上，只能看到一團團模模糊糊的云狀物朝著某個大致的方向曲折前行。而動物園里的犀牛可以隨時穿墻而出，嚇人一跳。此時，唯一開心得起來的就是物理學家，他們終于在自己身上發現了宏觀量子效應，正要找香檳慶祝，卻發現所有酒瓶既是塞住的，也是開啟的。

如上文所說，對光子而言，頻率和普朗克常數的乘積是能量。對電磁波而言，波長和頻率的乘積是光速。所以得出一個結論：波長越短的光子，能量越高。這一點，女士們的體會更深，防曬霜的廣告都注明“有效防止紫外線”，而從來不提紅外線，就是因為紫外線波長更短，所以能量更高，容易灼傷皮膚。而紫外線波長更短這個事實，通過觀察彩虹就可以發現，因為彩虹的最內圈永遠是紫色，而外圈是紅色。

X射線和可見光一樣都是電磁波，只不過分屬于兩個不同的波段。X射線波長在10到0.1納米左右（見上圖）。產生X射線裝置的結構很簡單，在真空管內一端插入電極，另一端放置一塊金屬靶，在兩端加上高電壓，于是，電極中的電子脫離束縛，被高壓形成的電場加速，從一端跑到另一端，然后一頭撞上金屬靶。碰撞發生時，高速邉拥碾娮邮艿桨薪饘僭?雍说淖枇Γ?E然減速，損失的動能便以X射線的形式輻射出來。

寫到這里，用X射線測h值的原理就很容易說通了：通過真空管兩端的電壓值，可以知道電子撞擊金屬靶時的動能，也等于知道了X射線光子的能量；再測量輻射出的X射線的波長，可以算出光子頻率；最后依據普朗克關系，用能量除以頻率，就能到了h值。環環相扣，如同偵探小說。

說起來簡單，做著麻煩。Duane，Palmer和葉企孫要在真空管兩端穩定保持2萬4千伏左右的超高電壓，又要在另一端尋找X射線0.1納米左右的超短波長，這在1921年都是非常尖端的技術。最后，他們得到了當時最精確的普朗克常數值——精確到小數點后第2位。

隨著科技的發展，今天我們所用的h值已經精確到小數點后8位了。假如真有一天我們發現了外星文明，如何判斷哪一種文明更加先進呢？很簡單，比一比誰測出的物理常數位數更多就知道了。

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