十九世紀的最后一天，歐洲的物理學家齊聚一堂，迎接新世紀的來臨。著名的科學家開爾文爵士驚嘆于物理學的偉大成就，自豪地宣布物理學的研究已經(jīng)走到盡頭。

開爾文這么說，是因為在那個時代，經(jīng)典力學通過牛頓、拉格朗日、拉普拉斯等人的貢獻已經(jīng)清楚的解釋了物體之間的相互作用和天體運行規(guī)律，麥克斯韋電磁方程組將電與磁完美的統(tǒng)一起來，熱力學統(tǒng)計物理可以解釋分子的運動規(guī)律，仿佛物理學已經(jīng)完全成熟了，沒有什么重大的理論問題需要解決。以后的物理學家只需要將物理常數(shù)的精度提高幾位就可以了。

但是，開爾文同時也說：“在物理學晴朗的天空中，還飄著兩朵令人不安的烏云?！彼f的這兩朵烏云其一是指黑體輻射問題中實驗結(jié)果與理論不符合，另一朵是指尋找光的參考系-以太的麥克爾孫莫雷實驗的失敗。

恰恰是這兩朵烏云，發(fā)展成為二十世紀物理學最偉大的兩個發(fā)現(xiàn)：量子力學和相對論的誕生。人類認識到自己探索自然的道路還很漫長。

今天開始我將連載量子力學系列科普內(nèi)容，今天是第一期《量子力學的開端》，這些內(nèi)容在我出版的科普書《十分鐘智商運動》里都能找到，歡迎大家在各大電商購買。

一. 黑體

為了理解量子，我們首先介紹一下黑體。物理研究發(fā)現(xiàn)：一切物體都在吸收、反射和輻射電磁波。如果一個物體只吸收和輻射電磁波，不反射電磁波，這個物體就稱為黑體。比如太陽就可以看作一個黑體，因為太陽的輻射特別強，輻射的電磁波強度遠遠大于反射的電磁波。

人們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，黑體輻射的情況與物體的溫度有關。

圖中縱坐標是單位波長單位面積輻射功率，橫坐標是波長。我們通過這個圖可以發(fā)現(xiàn)兩個結(jié)論：

第一：物體溫度越高，輻射強度越大。黑體單位面積輻射能量與溫度的四次方成正比，稱為斯特番-波爾茲曼定律。人們根據(jù)這個規(guī)律及算了太陽表面溫度大約是6000K。

第二，物體溫度越高，輻射強度最大處的波長越短，稱為維恩位移定律。比如熾熱的鐵塊會發(fā)光，而且溫度不同時，顏色也不同。有經(jīng)驗的鐵匠可以根據(jù)鐵塊的顏色判斷鐵塊的溫度。

二.紫外災難

但是，這兩個定律都是實驗規(guī)律，如何從理論上解釋呢?

卡文迪許實驗室主任瑞利從經(jīng)典電動力學出發(fā)，推導出一個黑體輻射公式，即瑞利-金斯公式。

不過，這個公式并不能符合實驗結(jié)果。只有在波長比較大的時候，公式才與實驗結(jié)果符合，在波長較小時，公式與實驗結(jié)果偏差很大。

最可怕的是：當波長趨近于零時，瑞利公式的結(jié)果發(fā)散，輻射強度無窮大，這顯然是很荒謬的。人們無法調(diào)和理論和實驗結(jié)果，并把這個問題稱為“紫外災難”（這是因為紫外是比可見光波長更短的光，表示波長短時實驗結(jié)果與理論值不符）。

三.普朗克和量子

為了解釋這個問題，許多物理學家提出了自己的見解。最成功的是德國科學家普朗克。以下是普朗克學習物理過程中相貌變化圖。

普朗克在1900年提出：為了解釋黑體輻射現(xiàn)象，必須做出一定的假設，這些假設可能與人們熟悉的物理學規(guī)律不同：

振動的帶電粒子能量是一份一份的，每一份的能量都與振動頻率有關，稱為一個能量子，或簡稱為量子。

按照這個假設，普朗克推導出了黑體輻射的普朗克公式。

這個公式與實驗結(jié)果符合的非常好，黑體輻射問題得到完美解決。但是，許多物理學家并不能完全理解量子的概念，這與經(jīng)典物理學的沖突使得科學界始終不能完全相信普朗克的假設。直到十八年后，普朗克才獲得諾貝爾獎。

但是，能量子的概念提出后，許多物理學家借用這個概念得出了豐碩的成果。例如1905年，愛因斯坦借用普朗克的觀點解釋了光電效應實驗，并獲得了諾貝爾獎。

現(xiàn)在人們認識到：量子力學是統(tǒng)治微觀領域的物理規(guī)律，它與宏觀世界滿足的規(guī)律不同。牛頓定律統(tǒng)治著宏觀低速世界，量子力學主宰著原子量級的微觀世界，而在高速時，我們又需要求助于相對論了?？茖W越發(fā)展，就越會發(fā)現(xiàn)更多未知的世界。正如牛頓所說：

“我好像是一個在海邊玩耍的孩子，不時為拾到比通常更光滑的石子或更美麗的貝殼而歡欣鼓舞，而展現(xiàn)在我面前的是完全未探明的真理的海洋?！?br/>

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