量子论到底怎么来的?是因为一个灯泡

2020-08-22   科技数码睿泙

原标题:量子论到底怎么来的?是因为一个灯泡

都说量子论是物理学界的一次革命。

量子论的出现成了20世纪后物理学发展的一次重大转折,也动摇了19世纪末,以牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论、吉布斯热力学和玻尔兹曼统计学构建的经典物理学大厦的根基。

“看似连续的世界,原来是不连续的。”

这一惊人的结论颠覆了世界!

量子理论到底是怎么来的?

很多人一定想不到,是因为一个灯泡。

好吧,我们来说说这个灯泡的故事。

19世纪90年代初,普朗克在物理学界已名声在外,他是热力学方面公认的大咖。

于是,德国标准局请教马克斯普朗克,如何让电灯更高效?

也就是如何用最少的电产生最强的光,以便节省能源开支。

作为这方面的大咖,普朗克没道理不接受政府安排的活。

于是,普朗克首先思考:

一条灯丝能发出多少光?

以麦克斯韦电磁场理论来解读,所谓的光是由不同波长的电磁波组成的,不同的波长有不同的颜色,以不同频率传送。

要确保灯丝发出尽可能多的光,即尽可能多地发出可见光波长范围的电磁波。

于是,他试着计算发出可见光波长的光需要多少热能。

不过他的计算是基于经典的电磁理论,得到的答案和后续实验当然完全相悖。

普朗克这个虔诚的经典物理学信徒崩溃了。

于是,他开始了他“绝望的行动”。

他把当时的经典理论提出了大脑

然后一心投入到实验测试中,研究大名鼎鼎的黑体辐射实验。

研究出的数据让他将信将疑地提出了一个物理界的新法则:

光波只在聚集成群时才会携带能量。

他把携带能量的光看成一个光包,弱能量包组成低频光,强能量包组成高频光。

光包就是现在称之为“量子”的想法。

至此我们才知道,原来能量都是通过打包带走的,即表现为不连续。(可能听起来很疯狂,而且当时确实如此)

物体吸收不完的能量,就交给光打包带走!

基于吃货这种浅显易懂的思维,

后来爱因斯坦以“小朋友吃东西要分享”的故事,给当时还不太懂的人解释了量子论成立的原因。

如果你想哄小孩开心,只需给他们一块饼干,

但你只有一块饼干,却有两个小朋友,就只能把饼干分成两半给他们。

可如果有4或8个甚至更多的小孩,而还是只有一块饼干,你就不可能哄所有小孩开心。

因为,如果一个房间里有无数个小孩,但饼干的数量有限,你平均分配的话,每个小孩只能得到几乎没有的饼干碎屑,当然没有一个人会高兴,并且他们还会吃掉你所有的饼干。

有限的饼干,怎么也满足不了无数的小孩。

虽然,在现实中一间房间不可能有无数个小孩,但一个房间却可以有无限的光波。

因为可以不断产生无限的小光波,然后这些光波会消耗你所有的饼干,即能量。

事实上,所有的无限小的光波,会有无穷大的能力吸收能量。

它们可以吸收你放在房间里的任何东西释放的热能,你的茶、你的热干面、你刚放满的热水浴缸,或者太阳的热能,甚至是超新星的热能。

整个宇宙的能量都不够它们吃的,幸运的是,宇宙并不是这样运转的。

普朗克常数拯救了我们宇宙。

因此,据普朗克猜测,

微小高频光波只能成群地释放能量,

而且它们只接受恰好第28块饼干或第223450块饼干,即特定的一包能量。

它们非常挑剔,但很诚实,不会多拿或少拿,只拿一个普朗克常数。

也就是说这些微小的高频光波,再也不是一个大胃王了,而是一个克制的绅士,只会吃那一点,而不是吃光宇宙。

而大多数的能量都是由那些希望平均分享的低频光波打包带走了,这些光包携带的普通的平均的能量,就是我们所知的温度。

所以温度越高意味着平均能量越多。

根据普朗克定律,那些由更高频率的光波发出的能量,正是物体工作时会变烫的原因。

随着能量的输入,灯丝发的光会由红外光、红色、黄色、白色、蓝色、紫色到紫外光逐渐变化。

最后,在量子假设的基础上,

普朗克告诉我们,电灯泡的灯丝只有加热到3200开氏度(开氏度=273.15+摄氏度),才能确保大部分能量作为可见波释放。

而温度越高,紫外线越强,我们越容易晒黑。

至此,量子被电灯从黑暗的微观世界里照射了出来。

量子论为我们点亮了一个未知的世界。