都說量子論是物理學界的一次革命。
量子論的出現成了20世紀後物理學發展的一次重大轉折,也動搖了19世紀末,以牛頓力學、麥克斯韋電磁場理論、吉布斯熱力學和玻爾茲曼統計學構建的經典物理學大廈的根基。
「看似連續的世界,原來是不連續的。」
這一驚人的結論顛覆了世界!
量子理論到底是怎麼來的?
很多人一定想不到,是因為一個燈泡。
好吧,我們來說說這個燈泡的故事。
19世紀90年代初,普朗克在物理學界已名聲在外,他是熱力學方面公認的大咖。
於是,德國標準局請教馬克斯普朗克,如何讓電燈更高效?
也就是如何用最少的電產生最強的光,以便節省能源開支。
作為這方面的大咖,普朗克沒道理不接受政府安排的活。
於是,普朗克首先思考:
一條燈絲能發出多少光?
以麥克斯韋電磁場理論來解讀,所謂的光是由不同波長的電磁波組成的,不同的波長有不同的顏色,以不同頻率傳送。
要確保燈絲髮出儘可能多的光,即儘可能多地發出可見光波長範圍的電磁波。
於是,他試著計算髮出可見光波長的光需要多少熱能。
不過他的計算是基於經典的電磁理論,得到的答案和後續實驗當然完全相悖。
普朗克這個虔誠的經典物理學信徒崩潰了。
於是,他開始了他「絕望的行動」。
他把當時的經典理論提出了大腦
然後一心投入到實驗測試中,研究大名鼎鼎的黑體輻射實驗。
研究出的數據讓他將信將疑地提出了一個物理界的新法則:
光波只在聚集成群時才會攜帶能量。
他把攜帶能量的光看成一個光包,弱能量包組成低頻光,強能量包組成高頻光。
光包就是現在稱之為「量子」的想法。
至此我們才知道,原來能量都是通過打包帶走的,即表現為不連續。(可能聽起來很瘋狂,而且當時確實如此)
物體吸收不完的能量,就交給光打包帶走!
基於吃貨這種淺顯易懂的思維,
後來愛因斯坦以「小朋友吃東西要分享」的故事,給當時還不太懂的人解釋了量子論成立的原因。
如果你想哄小孩開心,只需給他們一塊餅乾,
但你只有一塊餅乾,卻有兩個小朋友,就只能把餅乾分成兩半給他們。
可如果有4或8個甚至更多的小孩,而還是只有一塊餅乾,你就不可能哄所有小孩開心。
因為,如果一個房間裡有無數個小孩,但餅乾的數量有限,你平均分配的話,每個小孩只能得到幾乎沒有的餅乾碎屑,當然沒有一個人會高興,並且他們還會吃掉你所有的餅乾。
有限的餅乾,怎麼也滿足不了無數的小孩。
雖然,在現實中一間房間不可能有無數個小孩,但一個房間卻可以有無限的光波。
因為可以不斷產生無限的小光波,然後這些光波會消耗你所有的餅乾,即能量。
事實上,所有的無限小的光波,會有無窮大的能力吸收能量。
它們可以吸收你放在房間裡的任何東西釋放的熱能,你的茶、你的熱乾麵、你剛放滿的熱水浴缸,或者太陽的熱能,甚至是超新星的熱能。
整個宇宙的能量都不夠它們吃的,幸運的是,宇宙並不是這樣運轉的。
普朗克常數拯救了我們宇宙。
因此,據普朗克猜測,
微小高頻光波只能成群地釋放能量,
而且它們只接受恰好第28塊餅乾或第223450塊餅乾,即特定的一包能量。
它們非常挑剔,但很誠實,不會多拿或少拿,只拿一個普朗克常數。
也就是說這些微小的高頻光波,再也不是一個大胃王了,而是一個克制的紳士,只會吃那一點,而不是吃光宇宙。
而大多數的能量都是由那些希望平均分享的低頻光波打包帶走了,這些光包攜帶的普通的平均的能量,就是我們所知的溫度。
所以溫度越高意味著平均能量越多。
根據普朗克定律,那些由更高頻率的光波發出的能量,正是物體工作時會變燙的原因。
隨著能量的輸入,燈絲髮的光會由紅外光、紅色、黃色、白色、藍色、紫色到紫外光逐漸變化。
最後,在量子假設的基礎上,
普朗克告訴我們,電燈泡的燈絲只有加熱到3200開氏度(開氏度=273.15+攝氏度),才能確保大部分能量作為可見波釋放。
而溫度越高,紫外線越強,我們越容易曬黑。
至此,量子被電燈從黑暗的微觀世界裡照射了出來。
量子論為我們點亮了一個未知的世界。