<p class="ql-block">電磁波理論取得了空前的成功。牛頓奠定了力學基礎(chǔ)，而麥克斯韋則奠定了電磁學基礎(chǔ)，他也成為和牛頓比肩的科學巨匠。從惠更斯到麥克斯韋，在眾多科學家的努力下，波動說終于擊敗了粒子說。但是，不久人們就發(fā)現(xiàn)波動說的勝利并非完美，因為有幾個涉及光的實驗是電磁波理論所無法解釋的！這也成為當時物理學界的最大謎團。</p> <p class="ql-block"><b>2.1 黑體輻射謎團</b></p><p class="ql-block">第一個就是黑體輻射規(guī)律。</p><p class="ql-block">所謂黑體，顧名思義，就是最黑的物體。我們知道，黑色的物體能吸收光，那么最黑的物體就能把射入其內(nèi)的所有光全部吸收。精確地定義一下，黑體是指能全部吸收外來電磁波的物體，當它被加熱時又能最大程度地輻射出電磁波，這種輻射稱為黑體輻射。</p><p class="ql-block">黑體輻射其實是一種熱輻射。任何物體只要處于絕對零度（?273.15℃）以上，其原子、分子都在不斷地熱運動，都會輻射電磁波（稱為熱輻射）。溫度越高，輻射能力越強。</p><p class="ql-block">其實通俗點說，熱輻射就是指任何物體都會發(fā)光發(fā)熱：輻射出的電磁波就是“光”，發(fā)光時要釋放能量，電磁波攜帶的能量就是我們通常所說的“熱”。當然這里的“光”并非都是可見光，只有在500℃以上才會出現(xiàn)較強的可見光，所以我們?nèi)祟愲m然也在發(fā)光，發(fā)出的卻是肉眼看不到的紅外線。軍事上常用的紅外熱像儀就是通過接收物體發(fā)出的紅外線能量，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換獲得紅外熱圖像，從而讓我們“看到”物體。</p><p class="ql-block">實際上，人們很早就開始觀察并利用熱輻射的能量分布指導生產(chǎn)實踐。例如，古人在冶煉金屬時，爐溫的高低可以根據(jù)爐火的顏色判斷。戰(zhàn)國時期成書的《考工記》中就記載，冶煉青銅時爐中的焰氣，隨著溫度的升高，顏色要經(jīng)過黑、黃白、青白、青四個階段，到焰氣顏色發(fā)青（爐火純青）時溫度最高。另外，青白色的灼熱金屬比暗紅色的灼熱金屬溫度更高。</p><p class="ql-block">黑體是研究熱輻射的主要工具，因為它的熱輻射程度是最完全的。黑體其實并不難做，做一個耐熱的密閉箱子，在箱子內(nèi)壁涂上煙煤，還可以在里邊再加幾塊隔板，然后開一個小孔，這樣從小孔射入的光就能被它全部吸收（見圖2-1）；反過來，當它被加熱時又能從小孔中最大程度地輻射出電磁波。</p> <p class="ql-block">圖2-1 黑體</p><p class="ql-block">一個耐熱密閉的黑箱子開一個小孔，就是一個簡單的黑體，光線射進去就出不來</p><p class="ql-block">對黑體加熱，它就能發(fā)光發(fā)熱，既然光是一種電磁波，那它就有波長，不同波長的光對應著不同的熱——即輻射能量。</p><p class="ql-block">19世紀末，人們已經(jīng)得到了黑體輻射的光的波長與輻射能量密度之間的實驗曲線，可是在理論解釋上卻出現(xiàn)了大問題，物理學家們按電磁波理論推導出來的公式怎么也無法和全部實驗曲線相對應。其中比較好的有維恩公式和瑞利-金斯公式，但也只能分別解釋短波部分和長波部分（見圖2-2）。</p> <p class="ql-block">圖2-2 黑體輻射實驗值（小圓圈）與兩個公式的理論值（虛線）的圖示，維恩公式只適用于短波部分，瑞利-金斯公式只適用于長波部分</p> <p class="ql-block"><b>2.2 光電效應謎團</b></p><p class="ql-block">第二個是光電效應。</p><p class="ql-block">光電效應，顧名思義，就是由光產(chǎn)生電的效應。1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)紫外線照射到某些金屬板上，可以將金屬中的電子打出來，在兩個相對的金屬板上加上電壓，被打出來的電子就會形成電流（見圖2-3）。這一現(xiàn)象引起眾多研究者的興趣，很快就進行了大量的研究，可是電磁波理論在解釋光電效應時卻遇到了嚴重困難。</p> <p class="ql-block">圖2-3 光電效應實驗裝置示意圖</p><p class="ql-block">極板C被紫外光打出電子，電子在電壓作用下移動到極板A上，形成電流回路，于是電流表G的指針偏轉(zhuǎn)</p><p class="ql-block">電磁波理論與實驗結(jié)果的區(qū)別如下：</p><p class="ql-block">（1）按電磁波理論，只要光強足夠，任何頻率的光都能打出電子，可實驗結(jié)果是再強的可見光也打不出電子，而很弱的紫外線就可打出電子；</p><p class="ql-block">（2）按電磁波理論，10?3s后才能打出電子，可實驗結(jié)果是10?9s即可打出電子；</p><p class="ql-block">（3）按電磁波理論，被打出的電子的動能只與光強有關(guān)而與頻率無關(guān)，可實驗結(jié)果卻是電子的動能與光強無關(guān)而與光的頻率成正比。</p><p class="ql-block">實驗現(xiàn)象與電磁波理論所做的預測大相徑庭，令科學家們頗為苦惱。</p> <p class="ql-block"><b>2.3 原子光譜謎團</b></p><p class="ql-block">第三個是原子的線狀光譜。</p><p class="ql-block">原子光譜是原子中的電子在能量變化時所發(fā)射或吸收的特定頻率的光波。每種原子都有自己的特征光譜，它們是一條條離散的譜線（見圖2-4）。無論是發(fā)射光譜還是吸收光譜，譜線的位置都是一樣的。</p> <p class="ql-block">圖2-4 原子的線狀光譜</p> <p class="ql-block">圖2-5 原子發(fā)射光譜的測試原理</p><p class="ql-block">使試樣蒸發(fā)氣化轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子，然后使氣態(tài)原子的電子激發(fā)至高能態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子躍遷到較低能級時會發(fā)射光波，經(jīng)過分光儀色散分光后得到一系列分立的單色譜線</p><p class="ql-block">原子光譜對于元素來說，就像人的指紋一樣具有識別功能，不同元素具有不同的“指紋”。許多新元素的發(fā)現(xiàn)（如居里夫人發(fā)現(xiàn)的鐳）都是通過原子光譜分析得出結(jié)論的。</p><p class="ql-block">1898年，居里夫人從瀝青鈾礦中分離出放射性比鈾強900倍的物質(zhì)，光譜分析表明，這種物質(zhì)中含有一種新元素，放射性正是這種新元素所致，于是她把新元素命名為Radium（鐳），來源于拉丁文radius，意為“射線”。當然，為了提取出金屬鐳，居里夫人進行了相當艱苦的工作。因為1t（噸）瀝青鈾礦中只含有0.36g（克）鐳，所以她從1899年到1902年整整干了4年，才終于從4t鈾礦殘渣中制取出0.1g氯化鐳。</p><p class="ql-block">原子光譜是如此重要，所以從18世紀起，人們就開始研究光譜，到19世紀末，光譜學已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，積累了大量的數(shù)據(jù)資料，但物理學家們卻難以找出其中的規(guī)律，對光譜的起因也無法解釋。因為按照電磁波理論，光譜應該是連續(xù)的，所以這一條條分離的譜線讓科學家們傷透了腦筋。</p> <p class="ql-block"><b>2.4 石破天驚的量子化假設</b></p><p class="ql-block">黑體輻射、光電效應和原子光譜就像三座大山，緊緊地壓在物理學家們的頭上，讓他們看不到一絲光亮。不過到了1900年，剛好是新世紀的頭一年，有一座大山終于出現(xiàn)了裂痕，那就是黑體輻射。</p><p class="ql-block">1900年，德國科學家普朗克終于找到了一個能夠成功描述整個黑體輻射實驗曲線的公式（圖2-2中綠色實線就是普朗克公式對應的理論曲線），不過他卻不得不引入了一個在經(jīng)典電磁波理論看來是“離經(jīng)叛道”的假設：電磁輻射的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，即量子化的。</p><p class="ql-block">普朗克提出，電磁波輻射能量的最小單元為hν，其中ν是電磁波頻率，h是一個普適常數(shù)（后來人們稱為普朗克常數(shù)），這個能量單元稱為能量量子。能量只能以能量量子的倍數(shù)變化，即</p><p class="ql-block">E = hν，2hν，3hν，4hν，5hν，6hν，…</p><p class="ql-block">這真是個石破天驚的假設！愛因斯坦后來對此評價道：</p><p class="ql-block">“普朗克提出了一個全新的、從未有人想到過的概念，即能量量子化的概念。”“該發(fā)現(xiàn)奠定了20世紀所有物理學的基礎(chǔ)，幾乎完全決定了其以后的發(fā)展?！?lt;/p><p class="ql-block">19世紀末，牛頓力學、麥克斯韋電磁場理論、吉布斯熱力學和玻耳茲曼統(tǒng)計物理已經(jīng)構(gòu)建起完善的物理學體系，現(xiàn)在我們稱之為經(jīng)典物理學體系。在經(jīng)典物理中，對能量變化的最小值沒有限制，能量可以任意連續(xù)變化。但在普朗克的假設中，能量有固定的最小份額，這個最小份額就是所謂的能量量子，能量只能以最小份額的倍數(shù)變化，這種特征就叫做能量量子化。</p><p class="ql-block">也就是說，曾經(jīng)被認為是能量連續(xù)的電磁波，其實只能以一些小份能量（能量量子）的整數(shù)倍的形式攜帶能量，不同頻率的光波對應不同大小份額的能量量子（見圖2-6）。能量被憑空隔斷為斷斷續(xù)續(xù)的不連續(xù)序列，這真是太難以置信了！這還能叫波嗎？</p> <p class="ql-block">圖2-6 黑體輻射示意圖，其能量不是連續(xù)的，而是量子化的</p><p class="ql-block">能量量子化假設雖然解釋了黑體輻射規(guī)律，但這個假設太過大膽了，當時的科學家們都對之抱以懷疑態(tài)度，就連普朗克本人也覺得自己的解釋不靠譜，總想回到經(jīng)典物理體系當中。接下來的許多年里，他一直在嘗試如何才能用經(jīng)典物理學來取代量子化理論，當然，最后的結(jié)果都是徒勞無功。</p><p class="ql-block">不管普朗克本人是多么不情愿，他提出的能量量子化假設卻成了量子革命的開端，他也為此獲得了1918年的諾貝爾物理學獎。</p><p class="ql-block">既然能量是量子化的，為什么我們從來沒有察覺到這一現(xiàn)象呢？</p><p class="ql-block">我們之所以在日常生活中看不到量子效應，是因為普朗克常數(shù)實在太小了，h=6.626×10?34J?s。再換一種寫法也許你會更清楚地感受到它有多?。篽=0.0000000000000000000000000000000006626 J·s。</p><p class="ql-block">由于普朗克常數(shù)如此微小，所以人們才一直誤以為能量是連續(xù)的。</p><p class="ql-block">愛因斯坦的光速不變原理開創(chuàng)了相對論，光速c也成為宏觀世界最重要的恒量；而普朗克的能量量子化假設開創(chuàng)了量子理論，h也成為微觀世界最重要的恒量。</p> <p class="ql-block">選自：從量子到宇宙：顛覆人類認知的科學之旅</p><p class="ql-block">作者：高鵬</p>