光的故事（八）

前情提要

經(jīng)過法拉第，麥克斯韋，赫茲等人的不斷努力，人們發(fā)現(xiàn)光是電磁波的一種，光的波動說變得牢不可破，但是一個陰影在角落里發(fā)芽。

赫茲在做電磁波實驗的時候，發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。

為了能更清楚的看到電火花，他把這個實驗放在完全黑暗的盒子里，此時卻發(fā)現(xiàn)電火花的能夠傳遞的距離縮小了，必須讓兩個小球之間的距離變的更短才能接收到電火花。如果有光照的話，反而接收器更容易接收到電火花。

赫茲對這個現(xiàn)象百思不得其解，寫下了一篇論文《論紫外光在放電中產(chǎn)生的效應(yīng)》，赫茲發(fā)現(xiàn)如果有紫外線照射實驗設(shè)備，會讓實驗效果更好。

在當時，這個論文沒有引起太多的關(guān)注，因為電磁波是個更激動人心的發(fā)現(xiàn)，因為電磁波的發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了一系列重大發(fā)明，里面蘊含著巨大商機。

就連赫茲自己都不知道，他已經(jīng)觸摸到了量子物理的潘多拉魔盒。

當然，還是有一些潛心研究的物理學家，對這個現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣，做了一系列實驗。

人們發(fā)現(xiàn)只要紫外線照射金屬表面，金屬表面就會帶正電，好像負電飛走了一樣，當時還沒有發(fā)現(xiàn)電子，只能說是負電失去了。不同的金屬效果也不一樣，鉀鈉鎂鋁這類活潑金屬更容易失去負電。

1897年，湯姆遜在研究了陰極射線后發(fā)現(xiàn)了電子，人類開始使用電子的概念，來描述之前的負電。

上面的實驗也有了進一步發(fā)展，人們終于搞清楚，當紫外線照射金屬表面時，會讓金屬里的電子不知道出于什么原因，逃出金屬表面，因為光和電這種奇妙聯(lián)系，人們給這個實驗取了一個名字“光電效應(yīng)”。

隨著實驗越做越多，人們的困擾也越來越多。光能否從金屬表面把電子打擊出來，只跟光的頻率有關(guān)系。如果頻率不夠高，照一年也照不出電子。而且這跟光的強弱無關(guān)，最弱的紫外線也能打擊出電子，再強的紅外線也做不到這一點。

沒人知道，這是什么原因。

我們暫時拋開這個問題，去迎接20世紀的到來，一個嶄新的時代開啟了。

19世紀剛過，一個不算年輕的科學家走上歷史舞臺，他的名字叫普朗克。1900年，普朗克在研究物體熱輻射的時候發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的吸收和發(fā)射不是連續(xù)的，而是一份一份的，計算的結(jié)果才能與實驗結(jié)果相符。

1900年12月14日，人們正在準備歡度圣誕節(jié)。這一天，普朗克拋出了他那篇名垂青史的《黑體光譜中的能量分布》一文，提出了能量子的概念，后來被改名為量子，這一天后來被認為是量子物理的誕生日。

普朗克

這個量子是能量的最小單位，能量的傳遞不是連續(xù)的，在細分到一定程度之后，不能再分割。所有的能量都是以這個量子為基本單位的整數(shù)倍，我們可以傳遞1個量子，一千個量子，但是不能傳遞半個量子也不可以傳遞999個半量子。

量子概念的提出，是開天辟地的，因為這顛覆了人類的認知。物理學發(fā)展到這會，人們有一個從來沒有懷疑過的概念，那就是我們的世界是連續(xù)的。這是自牛頓創(chuàng)世以來幾百年，物理學中被認為堅不可摧想都不用去想的一個概念。

但是普朗克提出的概念，說的是我們這個世界不是連續(xù)的，是一份一份的。

如同一顆驚天炸雷響徹世間，量子物理的潘多拉魔盒被打開了。

當然，推翻經(jīng)典物理的基石沒有這么容易。就是普朗克自己都不愿意對這個問題做深思，只是把這個作為數(shù)學上為了方便計算引入的一個概念。他被這個離經(jīng)叛道的概念深深困擾，以至于他自己都在不斷強調(diào)，這只是一個概念，不要想太多。

在普朗克發(fā)表他這篇論文的同一年，一個青年人大學畢業(yè)了，他正在為生計發(fā)愁，因為他找不到工作。待業(yè)了將近一年后，在一個朋友的幫助下，他找到了一份專利局的技術(shù)員的工作。在專利局期間他用大把大把的時間思考最前沿的物理問題。幾年后，這個專利局的技術(shù)員震驚了世界，他的名字直到一百年后的現(xiàn)在，變的家喻戶曉，這個名字叫愛因斯坦。

年輕時候的愛因斯坦

1905年，這一年在物理學史上有個專門名稱——“愛因斯坦奇跡年”。整個物理學史上也許只有牛頓在鄉(xiāng)下躲避瘟疫的那一年可以媲美。

這一年愛因斯坦發(fā)表了五篇論文，還有一篇是下一年年初發(fā)表，如果不嚴格定義，那就是六篇論文。每一篇都是驚世之作，都能夠去角逐諾貝爾獎。

其中一篇叫做《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點》，這篇論文中，愛因斯坦從普朗克的量子假設(shè)出發(fā)，解釋了光是一群離散的量子，而不是連續(xù)性的波，每一個量子擁有的能量等于頻率和普朗克常量的乘積。

只有當單個光量子達到一定的能量級別才能夠讓金屬表面的電子逃逸，造成光電效應(yīng)。如果單個光量子達不到這個能量級別，照射再多也沒有用，完美的解釋了光電效應(yīng)的問題。

當然，理論的提出并不會讓人就立即接受。

就像麥克斯韋預言了電磁波，直到赫茲找到電磁波才能讓世人接受。

過了十年多，美國科學家密立根發(fā)表了一個實驗結(jié)果，證明了愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋，并重新測量了普朗克常數(shù)。這之后，到了1921年，愛因斯坦因為光電效應(yīng)獲得了諾貝爾獎。

光是一種電磁波這個結(jié)論變得不可動搖的時候，光量子的提出，又讓大戰(zhàn)一觸即發(fā)，光如果是一種波，那么光量子算什么？

光到底是波還是粒子？這個問題已經(jīng)變的糾纏不清了，波動派有強大的理論和實驗支持，微粒派也有強大的理論和實驗支持。雙方?jīng)Q定握手言和，得出了最終的結(jié)論，光具有波粒二象性，既是波又是粒子。

不止是光具有這個特性，之后掀起滔天巨浪的量子物理里，所有微觀的粒子都具有波粒二象性。至此，光學之爭，也算基本結(jié)束了。

而人類踏入了新的理論領(lǐng)域，量子物理席卷了整個物理學，這里是一個跟我們常識完全不同的領(lǐng)域。

我們在經(jīng)典物理中學到的很多東西，在量子物理領(lǐng)域都是不成立的，未來合適的機會，我們會一起了解這塊神秘的領(lǐng)域。

這幾百年的光之戰(zhàn)爭，幾乎物理學的每一個大神都牽扯了進來，他們用自己的智慧和執(zhí)著，去孜孜不倦的探索這個世界的本源，推動了整個社會不斷的進步。

到如今依舊有很多未解之謎，但是人類不會停止探索。

也許未來有一天，聽我們說這段歷史的你也會變成那顆閃閃發(fā)光的巨星。