1900年是20世紀(jì)的第一年自伽利略時(shí)代以來，現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展了近300年

300年來，物理學(xué)家孜孜不倦地探索自然的奧秘，開辟了力學(xué)，光學(xué)，熱學(xué)，電磁學(xué)等諸多研究領(lǐng)域，涌現(xiàn)出牛頓，法拉第，麥克斯韋，玻爾茲曼等一大批天才物理學(xué)家。到1900年，人們已經(jīng)搞清楚了太陽系的運(yùn)行規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了元素周期表，發(fā)明了蒸汽機(jī)和發(fā)電機(jī)，甚至發(fā)明了無線電通訊...

人類對世界的認(rèn)識和改造達(dá)到了前所未有的高度當(dāng)時(shí)，許多物理學(xué)家自信地認(rèn)為，人類對自然了如指掌，人類對物理的探索即將結(jié)束到那時(shí)，宇宙在人類眼中將不再有秘密

1900年，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克剛滿42歲，但他已經(jīng)滿載榮譽(yù)普朗克先是在母校慕尼黑大學(xué)任教，21歲博士畢業(yè)后回到家鄉(xiāng)基爾大學(xué)他帶著在熱力學(xué)領(lǐng)域的杰出工作，于1889年來到柏林，成為柏林大學(xué)理論物理研究所所長1894年，他當(dāng)選為普魯士科學(xué)院院士

馬克斯·普朗克

榮膺此殊榮的普朗克，在世人眼中已經(jīng)是一位非常成功的物理學(xué)家，但他卻時(shí)常回想起自己的大學(xué)物理老師馮·喬利對他說的話當(dāng)時(shí)他一心研究物理，于是申請從數(shù)學(xué)系轉(zhuǎn)到物理系馮茱莉居然告訴他，物理的大樓已經(jīng)建好了，剩下的只是在一些偏僻的角落修修墻角，沒什么大前途

雖然普朗克沒有被這些話勸阻，但這些話在他心里扎下了根他常常想，物理學(xué)真的要走到盡頭了嗎在當(dāng)選院士的那一年，普朗克決定攻克黑體輻射這個(gè)當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的著名難題他希望克服這個(gè)問題，即使是修復(fù)建筑的角落，他也要修復(fù)最困難的那個(gè)

當(dāng)一個(gè)物體被加熱時(shí)，它會發(fā)出光和熱比如一個(gè)燒紅的鐵塊，在黑暗中會發(fā)出橘黃色的光當(dāng)時(shí)物理學(xué)家已經(jīng)知道光是電磁波，光發(fā)射是輻射電磁波，電磁波攜帶的能量被測量為熱

紅色鐵塊發(fā)出可見光。

事實(shí)上，任何溫度高于絕對零度的物體都在發(fā)光，但它們發(fā)出的光并不都是可見光只有波長在400~700 nm的光才是可見光，也就是人眼能識別的電磁波其他波段的電磁波，人類是看不見的，看不見的

比如，雖然人類也在發(fā)光，但發(fā)出的是肉眼看不見的紅外線但該物體只有加熱到500℃以上才會發(fā)出強(qiáng)烈的可見光

電磁波譜中可見光的范圍

對于物體發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象，物理學(xué)上有一個(gè)專有名詞——熱輻射。

溫度越高，輻射能力越強(qiáng)看來散熱并不復(fù)雜按理說，那個(gè)時(shí)候，人們已經(jīng)有了完善的光學(xué)，熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)，電磁學(xué)等理論解釋這種現(xiàn)象應(yīng)該不是什么難事，但令人驚訝的是，在當(dāng)時(shí)竟然是個(gè)大問題

為了研究熱輻射，人們設(shè)想了一種理想的情況如果一個(gè)物體能吸收所有外界的光，那么它受熱時(shí)能最大限度地發(fā)光，這就是理想的熱輻射，也叫黑體輻射bold這個(gè)概念是普朗克的老師基爾霍夫在1862年提出的

物體是黑色的，因?yàn)樗芪展舛环瓷涔怙@然，最黑的物體可以吸收所有照射到其表面的光，而完全不反射，這種物體被稱為黑體

起初，人們用發(fā)黑的鉑片作為黑體來研究后來，德國物理學(xué)家韋恩想出了一個(gè)更巧妙的制作黑體的方法:找一個(gè)內(nèi)壁為黑色的耐熱密閉盒子，在盒子上打一個(gè)小洞因?yàn)樯淙胄】椎墓饽鼙煌耆眨@個(gè)小孔就是一個(gè)黑體

空腔黑體

當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)得出了光波波長與黑體輻射輻射能的關(guān)系曲線對于一個(gè)理想的熱輻射，這個(gè)曲線是確定的，只隨溫度變化

不同溫度下黑體輻射的能譜曲線

但在理論解釋中，并沒有合適的公式來描述這條曲線物理學(xué)家通過經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)推導(dǎo)出兩個(gè)公式，分別叫做韋恩公式和瑞利—金斯公式，但這兩個(gè)公式只能分別解釋一半的曲線，都不能給出所有曲線的能量密度分布經(jīng)典物理學(xué)在這個(gè)問題上似乎無能為力

到1900年，普朗克已經(jīng)研究黑體輻射六年了作為熱力學(xué)專家，頂著科學(xué)院院士的光環(huán)，奮斗了六年，依然一無所獲普朗克承受著巨大的壓力，他的努力和回報(bào)似乎不成比例他能否取得成果還不知道他應(yīng)該在這個(gè)問題上花費(fèi)一生嗎

一輩子就要一輩子！普朗克下定決心解決一個(gè)重大問題勝過解決十個(gè)常見問題普朗克知道這個(gè)問題對整個(gè)物理學(xué)至關(guān)重要他決定不惜任何代價(jià)找到黑體輻射的理論解釋

普朗克很清楚，經(jīng)典物理無法解決這個(gè)問題似乎必須做出一些改變這個(gè)變化是大是小還是未知，但這一步是必須要走的

于是普朗克決定拋棄經(jīng)典物理的條條框框，先拼湊一個(gè)公式不管公式的由來是什么，先找到一個(gè)能符合實(shí)驗(yàn)曲線的公式，再去尋找這個(gè)公式背后的物理內(nèi)涵

普朗克從維恩公式入手，結(jié)合自己六年來熟知的實(shí)驗(yàn)曲線，經(jīng)過一番推敲，最后利用數(shù)學(xué)插值，居然得出了一個(gè)公式，可以完整解釋整個(gè)黑體輻射曲線，一點(diǎn)不錯(cuò)！這個(gè)結(jié)果讓普朗克欣喜若狂，但也讓他更加緊張和焦慮他已經(jīng)看到了希望的曙光，但似乎還處在黎明前的黑暗中他必須找到這個(gè)公式背后的物理奧秘，以迎接黎明的真正到來

接下來的幾周是普朗克生命中最忙碌，最緊張的幾周他所有的心思都花在這個(gè)公式上了他不滿足于偶然發(fā)現(xiàn)這個(gè)公式他的目標(biāo)是得到它他的大腦保持著高速運(yùn)轉(zhuǎn)，日以繼夜地計(jì)算著這個(gè)公式背后的秘密，漸漸地，一幅完全意想不到的畫面在他的腦海里變得清晰起來——能量可以不連續(xù)嗎他不停地問自己

在經(jīng)典物理中從來沒有人問過這個(gè)問題，或者說從來沒有人意識到這是一個(gè)問題大家潛意識里認(rèn)為能量一定是連續(xù)的，就像我們在數(shù)學(xué)中處理一條光滑的曲線，可以得到曲線上任意一點(diǎn)的值但是，普朗克腦子里的畫面不斷告訴他，為了推導(dǎo)這個(gè)公式，能量必須是不連續(xù)的！最終，普朗克做出了一個(gè)痛苦的決定，接受能量的不連續(xù)性，不管它與經(jīng)典物理學(xué)多么不相容

日前，在柏林科學(xué)院的會議上，普朗克宣讀了一篇題為《黑體光譜中的能量分布》的論文在這篇論文中，他提出了前所未有的能量量子化假說:電磁輻射的能量不是連續(xù)的，而是一個(gè)接一個(gè)的他把這種一個(gè)一個(gè)的能量單位稱為能量量子從此，量子論正式誕生

在普朗克的假說中，就像物質(zhì)是由原子構(gòu)成的一樣，電磁波的能量實(shí)際上是由能量量子構(gòu)成的。每個(gè)能量量子攜帶的能量可以用一個(gè)簡單的公式來表示:

E=hυ

其中:υ是電磁波頻率A，h普朗克是一個(gè)新的物理常數(shù)，叫做普朗克常數(shù)。

量子化的概念是一個(gè)全新的概念，是任何人都沒有想到的在經(jīng)典物理學(xué)的建筑中沒有這個(gè)概念的位置普朗克的老師認(rèn)為物理學(xué)的大廈即將建成，但也許普朗克自己并沒有意識到他鏟起了第一鏟土，為一座新樓做地基，并制成了第一塊磚這個(gè)新的物理學(xué)建筑被稱為量子力學(xué)

量子力學(xué)這個(gè)術(shù)語對應(yīng)的是經(jīng)典力學(xué)，也就是牛頓力學(xué)它研究宏觀世界中物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而量子力學(xué)研究微觀世界中粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律宏觀和微觀的界限取決于普朗克常數(shù)

普朗克常數(shù)是量子力學(xué)的符號常數(shù)，可以反映微觀系統(tǒng)的空間尺度和能量量子化特性，因此也成為定義經(jīng)典物理和量子力學(xué)適用范圍的重要參數(shù)當(dāng)普朗克常數(shù)的影響趨于零時(shí)，量子力學(xué)問題就會退化為經(jīng)典物理問題

千克的定義是由普朗克常數(shù)決定的，其原理是將移動(dòng)一個(gè)質(zhì)量為1kg的物體所需的機(jī)械力轉(zhuǎn)換成可以用普朗克常數(shù)表示的電磁力，然后通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出質(zhì)量。

由于普朗克常數(shù)非常非常小，對宏觀物體和宏觀運(yùn)動(dòng)的影響基本等于零，這也是我們在日常生活中看不到量子效應(yīng)的原因，所以人們總是誤以為能量是連續(xù)的。

普朗克常數(shù)

幸運(yùn)的是，普朗克常數(shù)很小，我們的日常世界是有序的，有規(guī)則可循的如果你進(jìn)入量子世界，那里不可預(yù)知的混亂可能會讓你徹底迷茫，毫無章法

當(dāng)然，這是當(dāng)時(shí)物理學(xué)家所不知道的普朗克剛剛砌好了第一塊磚，量子力學(xué)的大廈，還需要更多有才華的物理學(xué)家一點(diǎn)一點(diǎn)去建造

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