本系列文章預(yù)計會有30個章節(jié)，這套文獻(xiàn)將系統(tǒng)的講述物理學(xué)本身，今天是第三季第2篇
1900年4月27日，英國物理學(xué)家， 熱力學(xué)的主要奠基者開爾文發(fā)表了一場著名的演說：“牛頓在17世紀(jì)建立的宏大統(tǒng)一，經(jīng)過200年理論和實驗科學(xué)的發(fā)展，物理學(xué)如日中天，經(jīng)典物理學(xué)幾乎能夠涵蓋物理世界的一切方面：運動物體的動力學(xué)中力和運動的相互聯(lián)系、熱力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)，以及引力。
人們樂觀地認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，未來的物理學(xué)家只需要做些修修補補的工作就行了。但是，開爾文指出還有兩個問題，明朗的天空還有兩朵烏云：一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實驗有關(guān)（一個是光速為什么在各個方向都不變， 我們知道這導(dǎo)致愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了狹義相對論）?！?/p>
當(dāng)年年底誕生了量子理論。五年后，也就是1905年，愛因斯坦的狹義相對論誕生。同時在這一年，愛因斯坦把普朗克的量子說發(fā)展成光量子理論。誰也沒想到這兩朵烏云中，一朵顛覆了經(jīng)典的絕對時空觀，一朵顛覆了經(jīng)典的決定論世界觀。
01 黑體輻射
第一朵烏云是指被觀察到的與經(jīng)典理論相悖的“黑體輻射”現(xiàn)象。
所有物體都會輻射能量，物體越熱，輻射的能量就越多。同時，所有物體也會從周圍環(huán)境中吸收能量。
如果它的溫度比周圍環(huán)境溫度高，它就會逐漸冷卻，因為它輻射的能量多于吸收的能量。
“黑體”是理想吸收體的專業(yè)名詞，它能夠百分之百地吸收輻射到它上面的能量，用萬維鋼老師的話說：“所謂黑體，就是它不反射別的光，它發(fā)出的都是它自身的光。太陽、燒紅的烙鐵、黑暗中的人體，這些東西都可以近似為黑體。黑體發(fā)出的光是由它的熱量導(dǎo)致的，也就是熱輻射。”
這樣一個物體在冷的狀態(tài)時表現(xiàn)為黑色，因為它不會反射任何光。絕對黑體在自然界中是不存在的，只是一個理想的物理模型，以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。黑體輻射在于其光譜的顏色：它在不同的波長段會輻射不同顏色的光。
當(dāng)加熱這種理想黑體時，首先看到的是暗紅色的光；接著，當(dāng)物體變得更熱時，看到的是明亮的紅色，跟著是黃色、藍(lán)白色，然后是明亮的白色。
光譜的頻移說明隨著溫度的升高，光強的峰值會產(chǎn)生從紅外到紅、到黃，再到藍(lán)的移動。隨著峰值的移動，光的波長分布也在加寬。當(dāng)峰值是藍(lán)光時，由于同時會輻射很多其他顏色的光，所以熾熱的物體在我們看來就會發(fā)白光，這就是我們常說的白熱。
02 紫外災(zāi)難
19世紀(jì)90年代末，有關(guān)黑體輻射的數(shù)據(jù)已越來越詳盡。但是，人們對黑體輻射的研究卻得出了兩個不同的公式。這兩個公式分別來自德國的物理學(xué)家維恩和英國的物理學(xué)家瑞利和金斯。
對于光強在顏色和波長中的分布曲線，如果從粒子的思維范式去推導(dǎo)，就得到適用于短波的維恩公式，維恩公式只有在短波（高頻）時才與實驗結(jié)果相符，在長波區(qū)域完全不適用。
相反，如果從經(jīng)典的麥克斯韋理論電磁波的思維范式去推導(dǎo)，瑞利-金斯公式卻只在長波時與實驗相吻合，在短波區(qū)并不適用。這個公式在短波區(qū)（即紫外光區(qū)）時顯示輻射能力隨著頻率的增大而單調(diào)遞增，最后趨于無限大，它預(yù)言光輻射的峰值始終位于光譜的短波長處，即位于光譜的紫色端，甚至是不可見的紫外端，這就是所謂的“紫外災(zāi)難”。
這樣看來，單純從粒子或波動的角度來推導(dǎo)黑體的分布曲線是得不出正確結(jié)論的。
而恰恰就是矛盾給了這個世界啟發(fā)，而這就是經(jīng)典物理學(xué)的終結(jié)，也是量子力學(xué)的開端。
03 普朗克
德國的理論物理學(xué)家普朗克當(dāng)時一直關(guān)注這項研究。前期他一直沒有成功解釋這個現(xiàn)象，但是在一次研究黑體輻射的維恩和瑞利-金斯的數(shù)學(xué)公式時，他偶然發(fā)現(xiàn)，假如放出輻射和吸收輻射是一份一份的，不是連續(xù)的，那么就可以“湊出”一條完整的曲線。
這條曲線跟實驗測量出的曲線完全匹配。就這樣，普朗克以一種難以置信的數(shù)學(xué)直覺得到了一個黑體輻射分布規(guī)律的公式，從而“無意”中創(chuàng)立了量子假說。普朗克發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進行的，計算的結(jié)果才能和實驗結(jié)果相符。
為了證明他的公式（現(xiàn)在稱之為普朗克輻射定律），他必須做兩個明確的假設(shè)。
第一個假設(shè)是，能量輻射與光波波長相關(guān)。
第二個假設(shè)則要求輻射是以不連續(xù)的，一份一份的，現(xiàn)在稱為“量子”的形式進行。
這就是說，能量交換不是連續(xù)的，而是離散的。
至此普朗克依然沒有很明確他的發(fā)現(xiàn)雖有數(shù)學(xué)表述，但卻沒有物理實際意義。
后來愛因斯坦認(rèn)識到，普朗克關(guān)于光以一份一份的形式出現(xiàn)的假設(shè)是解開光電效應(yīng)神秘現(xiàn)象的關(guān)鍵。
光電效應(yīng)是由德國物理學(xué)家赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)的。在光電效應(yīng)中，人們觀察到將一束光線照射在某些金屬上會在電路中產(chǎn)生一定的電流。可以推斷是光將金屬中的電子打出，使得它們流動。
然而，人們同時觀察到，對于某些材料，即使一束微弱的藍(lán)光也能產(chǎn)生電流，但無論多么強的紅光都無法在其中引出電流。
根據(jù)波動理論，光強對應(yīng)于它所攜帶的能量，因而強光一定能提供更強的能量將電子擊出。然而，事實與預(yù)期的恰巧相反。愛因斯坦將其解釋為量子化效應(yīng)：光束的顏色取決于光子的頻率，而光強則取決于光子的數(shù)量。
由于量子化效應(yīng)，每個電子只能整份地接受光子的能量，因此，只有高頻率的光子（藍(lán)光，而非紅光）才有能力將電子擊出。
光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)的。在光電效應(yīng)中，人們觀察到將一束光線照射在某些金屬上會在電路中產(chǎn)生一定的電流?？梢酝茢嗍枪鈱⒔饘僦械碾娮哟虺?，使得它們流動。
然而，人們同時觀察到，對于某些材料，即使一束微弱的藍(lán)光也能產(chǎn)生電流，但無論多么強的紅光都無法在其中引出電流。
根據(jù)波動理論，光強對應(yīng)于它所攜帶的能量，因而強光一定能提供更強的能量將電子擊出。然而，事實與預(yù)期的恰巧相反。愛因斯坦將其解釋為量子化效應(yīng)：光束的顏色取決于光子的頻率，而光強則取決于光子的數(shù)量。由于量子化效應(yīng)，每個電子只能整份地接受光子的能量。
因此，只有高頻率的光子（藍(lán)光，而非紅光）才有能力將電子擊出。光的頻率決定是否能擊發(fā)出電子，光的強度則決定能擊發(fā)出多少電子。就是說，光具有波粒二象性。受普朗克啟發(fā)，愛因斯坦提出了光不是由波構(gòu)成的，而是由像粒子一樣的量子構(gòu)成的觀點。
愛因斯坦提出了“光量子”。
好，今天先談到這里！
總結(jié)：
有人說：我佛愛因斯坦理解了普朗克量子的重大意義，其他科學(xué)家要在四分之一世紀(jì)之后才會明了其中的含義。
真想當(dāng)面問問愛因斯坦，您是怎么得出的結(jié)論，基于什么事實，什么理論？
偉大的人總是讓人無法理解其思考的過程，但是故事的發(fā)展卻往往能夠讓我們接近他們。
聯(lián)系客服
