黑體輻射

實(shí)際上，某種程度來(lái)說(shuō)“量子”本身的含義，遠(yuǎn)不及它帶來(lái)的革命重要。不過(guò)，在說(shuō)這些之前，我們可以先來(lái)了解一下，“量子”是咋來(lái)的。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，只要是溫度高于絕度零度的物體都會(huì)發(fā)出輻射，這種輻射是以“電磁波”的形式發(fā)出來(lái)的。比如：人體就在時(shí)時(shí)刻刻向外輻射電磁波，之所以我們看不到，是因?yàn)檫@種電磁波不是可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的電磁波。

那這種現(xiàn)象為什么引發(fā)物理學(xué)革命呢？實(shí)際上，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家是在研究工業(yè)上使用的電燈泡的輻射問(wèn)題（不要驚訝，當(dāng)時(shí)剛第二次工業(yè)達(dá)到頂峰），它們管這個(gè)問(wèn)題叫做：黑體輻射。黑體輻射具體是什么意思，在這里就不過(guò)多闡述了，因?yàn)橹v了并沒(méi)有太大的意義?？茖W(xué)家通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：

黑體輻射能量按波長(zhǎng)的分布僅與溫度有關(guān)。

并且得到了下面這樣一張圖表。

接下來(lái)要做的事情，其實(shí)也就很“簡(jiǎn)單”的，說(shuō)白了就是用方程解釋一下這個(gè)曲線就可以了。本來(lái)對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)極其簡(jiǎn)單的事情。但是硬是弄不出個(gè)結(jié)果來(lái)，很多當(dāng)時(shí)的大神都在這上面栽了跟頭。

如果我們注意看曲線，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這曲線好像是分段的，有個(gè)最高點(diǎn)。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家有的人能用方程描述前半段，后半段就失靈了；也有的人能描述后半段，前半段就不好使了。那問(wèn)題到底出現(xiàn)在哪里呢？

量子力學(xué)

這個(gè)時(shí)候有個(gè)叫做普朗克的科學(xué)家，他就不信邪，也來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題。結(jié)果，他也被整懵了。

在當(dāng)時(shí)，德國(guó)是全世界的學(xué)術(shù)中心，有很多大牛。其中有個(gè)叫做玻爾茲曼的天才，他可以被認(rèn)為統(tǒng)計(jì)力學(xué)的宗師級(jí)人物。他一直在和其他科學(xué)家為“光到底是波還是粒子”吵得不可開(kāi)交，當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)認(rèn)為“光是一種波”，在物理學(xué)史上能和牛頓、愛(ài)因斯坦齊名的麥克斯韋就這么看的。而玻爾茲曼覺(jué)得不應(yīng)該是這樣，他堅(jiān)持“光的粒子說(shuō)”。

他就跟普朗克說(shuō)，你們總是假設(shè)電磁波是連續(xù)的（也就是光是一種波），這肯定算不出來(lái)的，你試試看用不連續(xù)的方法來(lái)算（也就是光是一種粒子），一定可以。（PS：這段話是我自己想象的，不是真實(shí)歷史，但真實(shí)的歷史中，玻爾茲曼確實(shí)給了普朗克相關(guān)方面的啟示）

于是，普朗克提出了一種“量子”假設(shè)：

黑體輻射的能量變化并不是連續(xù)的，而是存在輻射能量的最小單位：量子。

基于這樣的假設(shè)，普朗克很快就得到了著名的普朗克定律：

用這個(gè)定律就可以很好地描述之前那個(gè)奇怪的變化曲線。不過(guò)，觀念總是根深蒂固的，普朗克雖然通過(guò)這個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，但他始終都對(duì)這個(gè)理論無(wú)力接受，不僅是他，后來(lái)在這個(gè)領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的愛(ài)因斯坦，薛定諤等偉大科學(xué)家都挺不能接受的。

“量子”顛覆了什么？

為什么這么多科學(xué)家都無(wú)法接受呢？

這是因?yàn)檫@個(gè)理論指出了一個(gè)“事實(shí)”，

凡是變化都存在著一個(gè)最小的單位。

時(shí)間和距離都是如此，因此就有了最小的時(shí)間間隔：10^-43秒；最小的可測(cè)距離：1.6x10^（-35）米。前者被稱為普朗克事件，后者被稱為普朗克距離。

意思是，時(shí)間的變化并不是連續(xù)的，同樣的距離的變化也不是連續(xù)。說(shuō)到這里，你或許還是不能理解，我們可以舉個(gè)例子，還拿時(shí)間來(lái)說(shuō)事。原本我們的觀念里認(rèn)為，時(shí)間從1秒到2秒，1秒到2秒，中間可能要度過(guò)1.000000000000000……1秒，也就是說(shuō)時(shí)間可以無(wú)限切下去，本質(zhì)上是連續(xù)的。但“量子”理論認(rèn)為，這不是可以無(wú)限切下的，而是存在一個(gè)變化的最小單位，也就是10^-43秒，時(shí)間的變化最小也是這個(gè)量，沒(méi)辦法比它再小了。所以，它顛覆的是“變化是連續(xù)”的世界觀。

量子和粒子

量子和各種粒子有相同也有不同，首先，它們都是最小的單位，其次，它們不同的是，前者是變化的最小單位，而后者是物質(zhì)粒子的基本單位（這里指的是費(fèi)米子和玻色子）。原子等例子描述的其實(shí)構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，并且它們?nèi)绾谓M合到一起。按照現(xiàn)在主流的理論，也就是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。這個(gè)模型中的粒子也就是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。

所以，量子和粒子是不同的兩個(gè)物理概念。