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2024-0905  量子力學的開端 ~~ 光量子( 光子 )

19世紀末到20世紀初, 還是經典物理學, 但是是非常厲害的經典物理學。
當時麥克斯威爾的電動力學已經深植人心, 人們已經知道分子和原子的存在, 而且公式和實驗結果特別吻合, 經典物理學是非常精準的科學。
當時物理學家看待世界的情緒 已經不再是好奇和敬畏了, 而是一種統治。在他們看來,世間各種自然現象, 現在我們的理論都能解釋。
比如說光這種事物, 人們早就知道視覺是因為光進入眼界, 而不是因為我們的眼睛會發射光。牛頓還知道太陽光並不是單純的白色, 它可以被分解成不同的顏色。
可是,光到底是什麽東西呢? 光的顏色是怎麽來的呢?
麥克斯威爾的電動力學出來之後, 物理學家立即就知道了, 光就是電磁波。
波是連續的, 而且不同的波長頻率會呈現出不同的顏色。像無線頻波,紅外線,可見光, 紫外線,X射線,還有伽馬射線。
你看, 當你學會了這個知識, 是不是有一種江山盡在掌握的感覺呢?
普朗克1875年上大學的時候, 他的老師就勸他不要學物理。原因是,物理學已經很成熟了, 盛宴已過,並沒有多少留給你研究的空間了。
1900年元旦這天, 熱力學巨擘凱爾文·南爵在一次演講中這麽說, 在基本已經建成的物理學大廈中, 後輩的物理學家只需要做一些零碎的修補工作就行了。。。。
 

但是, 在物理學晴朗的天空的遠處, 還有兩朵小小的令人不安的烏雲。 而這兩朵烏雲都和光有關。
第一朵烏雲是光速為什麽在各個方向上都不變。這後來導致愛因斯坦發現了狹義相對論。
第二朵烏雲是關於黑體輻射。
像太陽、燒紅的烙鐵,或者說純黑暗環境中的人體, 這些東西都可以近似為黑體。黑體發出的光是由它的熱量導致的,也就是熱輻射。
物理學家發現,黑體熱輻射的光跟它具體是一個什麽東西沒有關系, 完全由溫度決定。你只要看一眼它發光的顏色,就知道它的溫度是多少。如果它發紅光,那就是溫度還不算太高,
而如果發藍光,就意味著溫度很高。給定一個溫度,物理學家就能夠非常準確的告訴你, 黑體輻射光的顏色的分布曲線。這個也就是光的頻率的分布曲線。
經典物理學在這里失敗了 !!!
當時沒有任何一個理論能夠解釋 黑體的發光曲線為什麽是那樣的。


而這個正是經典物理學的終結, 也是量子力學的開端。
1900年的某一個晚上,普朗克如有神助, 他湊出了一個公式。這個公式完全符合實驗結果, 它完美地描繪出了前面說的那個光的頻率分布曲線。
可是問題來了, 從物理上來說, 這個公式應該怎麽解釋呢? 普朗克苦苦思索了幾個月, 最後他發現, 只要滿足一個物理假設, 就可以推導出這個數學公式。那就是 光 是一份一份的。
普朗克的這個假設是, 電子振動產生的能量跟水波不一樣, 它是一份一份的。可以說就好像是大米一樣, 是一粒一粒的。
普朗克憑借這個假設和那個公式, 拿到了1918年的諾貝爾物理學獎。
但是, 普朗克並不知道 那一份一份的能量意味著什麽。第一個把天機說破的, 還得是愛因斯坦。
 

這引出了另一個實驗, 光電效應。
奇怪的是, 電子如何往外跑, 和光的強度沒有關系, 只和光的顏色有關系。
這就好比說紅色的光, 不管它多強多亮, 也不能讓電子跑出來。但是如果換成綠光就不一樣了, 哪怕是很弱的綠光, 也能讓電子跑出來。而如果再換成藍光, 那不管強弱, 電子不但能跑, 而且跑出來的速度還很快。
按照麥克斯威爾方程式, 電磁波的能量不是只跟強度有關, 和顏色沒關系嗎? 那為什麽不能持續加大紅光的強度, 讓它攢夠能量再跑出來呢?
麥克斯威爾方程式解釋不了這個現象, 經典物理學失效了。

1905年是愛因斯坦奇跡年, 這一年愛因斯坦發表了六篇論文, 其中有一篇叫做 《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》, 這篇文章說的就是光電效應。
愛因斯坦解釋說, 電子之所以非得得到高頻率的光才能跑, 是因為光是一份一份的。
普朗克不是說了嗎, 光作為一種能量, 頻率越高,能量越大。比如藍光的頻率比紅光高, 所以藍光的一份能量才足夠大, 才能打動電子。
愛因斯坦的解釋, 相對於普朗克的假設來說, 可以說發生了一個思維概念上的躍遷。
普朗克說的一份一份, 是黑體中電子受到震動的能量。而愛因斯坦說, 這跟光是不是從黑體中的來沒有關系, 只要是光,能量就是一份一份的。愛因斯坦第一次提出了光量子。他說,光並不是連續的一片布, 而是由一個一個的光子組成的。每個光子的能量, 就是它的頻率乘以普朗克常數。表達成數學公式, 就是E等於H乘以F。
愛因斯坦用這一個公式解釋了光電效應, 計算結果非常吻合。而這篇論文也給愛因斯坦帶來了諾貝爾物理學獎。

普朗克和愛因斯坦的解題思路, 叫做量子化。量子力學從此登上歷史舞台。
黑體輻射和光電效應 都是經典物理學解釋不了的現象。
普朗克先用湊數的方法給了一個數學模型, 而愛因斯坦賦予了這個模型物理學上的意義。物理學家正式發現了光子。
 

 

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