普朗克的天才假設(shè)：如果能量并不是連續(xù)的

1887 年，德國物理學(xué)家赫茲做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了大名鼎鼎的光電效應(yīng)。

赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果用一束光照射在相隔得很近的兩個(gè)銅球上，銅球之間會(huì)產(chǎn)生電火花。他當(dāng)時(shí)并不知道，這就是日后大名鼎鼎的“光電效應(yīng)”。當(dāng)金屬被光照射到的時(shí)候，就會(huì)有電子跑出來。但是，并不是什么光都行，比如紫色光能打出電子，但黃色光就不行。原來，光的顏色是由光波的頻率決定的，振動(dòng)得越快，表示頻率越高。對于某種特定的金屬來說，只有當(dāng)頻率超過了某個(gè)數(shù)值，才能打出電子來，否則，哪怕照射的時(shí)間再長，也不能打出電子來。

這個(gè)現(xiàn)象立即就讓波動(dòng)派的物理學(xué)家們感到震驚，他們感到波動(dòng)學(xué)說的理論根基被動(dòng)搖了，為什么呢？因?yàn)椴ǖ哪芰總鬟f是連續(xù)的，如果光是一種波，也就意味著光的能量是連續(xù)不斷地被金屬所吸收的，那么電子在吸夠了能量后，就應(yīng)該跑出來了嘛。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)成了很多物理學(xué)家們的夢魘，直到 1905 年，一位大神的出現(xiàn)，才解決了這個(gè)難題，他就是愛因斯坦。

而愛因斯坦是受到了另外一位著名物理學(xué)家——普朗克的啟發(fā)。在19 世紀(jì)中后期，西方各個(gè)主要工業(yè)國家都在大煉鋼鐵。當(dāng)時(shí)的人怎么測量鋼水溫度呢？答案是：用眼睛看。鋼鐵在被加熱的過程中，先是微微發(fā)紅，然后變得通紅通紅，再變成黃色。假如溫度再高，就會(huì)變成青白色。有經(jīng)驗(yàn)的煉鋼工人通過觀察鋼水的顏色，就能估算出溫度，但精確度難以得到保證。

于是，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們想搞清楚溫度與發(fā)光顏色的精確數(shù)學(xué)關(guān)系，也就是溫度與光頻率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。但是之前找到的公式不能很好解決這個(gè)問題，要么在高溫發(fā)散，要么在低溫發(fā)散。直到普朗克第一個(gè)找到了不發(fā)散的公式，就是普朗克“黑體輻射公式”。

普朗克公式中有個(gè)假設(shè)很奇怪，就是：能量有一個(gè)最小單位，高溫的物體發(fā)射出的某種頻率的光是一份一份發(fā)射出來的，而不是連續(xù)發(fā)射出來的。

普朗克陷入了深深的憂慮之中。因?yàn)橐再だ?、牛頓為首的經(jīng)典物理學(xué)家們都有一個(gè)最最基本的信念，那就是一切都是連續(xù)的，一切都是可以被不斷細(xì)分的。米可以拆分成厘米，厘米可以拆分成毫米，還可以繼續(xù)拆分成微米、納米。但是，普朗克為了計(jì)算出黑體輻射公式，不得不推翻了這個(gè)觀念，他只能假定能量是不能被無限細(xì)分的，而是有一個(gè)最小顆粒的。這對觀念的沖擊實(shí)在是太大了。

如果一個(gè)物理量是一份一份，是不連續(xù)的，就被稱為“量子化”，但普朗克自己都難以接受這樣的假定。而愛因斯坦卻將光電效應(yīng)與普朗克的理論聯(lián)系在了一起。

愛因斯坦想，原子對光的吸收也是一份一份的，每一份叫做一個(gè)“光量子”，也就是后來說的光子。每個(gè)光子的能量和頻率成正比，就是說頻率越高，能量越大。只有能量足夠大的一個(gè)光子，才能把一個(gè)電子從原子里邊砸出來。假如頻率不夠高，那么任憑你怎么砸，都是沒有用的。

這就是愛因斯坦對于光電效應(yīng)的解釋。美國的密立根做了 10 年的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷了千辛萬苦，終于證明了愛因斯坦是對的。光電效應(yīng)清晰地表明，光具有粒子的特性，一顆顆光子就像一顆顆炮彈。牛頓的微粒說來了一次逆襲?？茖W(xué)家們終于認(rèn)識(shí)到，光既是一種波也是一顆一顆的粒子，是波還是粒子，關(guān)鍵看你如何測量，這就是光的波粒二象性。

波粒二象性開啟了量子力學(xué)的大門，而量子力學(xué)將為人類打開一片神奇無比的新大陸。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：科學(xué)聲音

審核：夸密量子創(chuàng)始人兼CEO 前墨子號(hào)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員 張文卓

出品：中國科協(xié)科普部

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