文/老余

本系列的上一篇，我們說了物理學(xué)晴朗天空的邊緣，有兩朵小烏云：

• 一朵是光速到底是相對(duì)于誰的？這直接催生出了愛因斯坦的相對(duì)論（相對(duì)論系列已經(jīng)寫完，文末點(diǎn)擊鏈接查看）；

• 一朵是黑體輻射（黑暗中的人體就是一個(gè)黑體輻射源）為何經(jīng)典物理學(xué)解釋不了？這直接洞開了量子力學(xué)的大門。

當(dāng)一個(gè)理論能分毫不差地解釋99.9999%的真實(shí)世界，卻對(duì)那0.0001%毫無辦法時(shí)，往往這小到可以忽略不計(jì)的“0.0001”，就是打開另一個(gè)廣闊天地的窄門鑰匙。

就像《桃花源記》里那條曲徑通幽的窄道。

你看光速，經(jīng)典物理學(xué)能解釋萬事萬物的速度都是相對(duì)的，卻單單無法解釋光的速度是相對(duì)于誰的。

這速度世界里“0.0001%的異類”被愛因斯坦當(dāng)做鑰匙，打開了相對(duì)論的大門。

你再看黑體輻射，經(jīng)典物理學(xué)用一個(gè)簡(jiǎn)潔的公式就能描述萬事萬物的熱運(yùn)動(dòng)，甚至是一團(tuán)亂糟糟空氣的運(yùn)動(dòng)也能毫分不差，卻單單在解釋黑體輻射時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)折戟沉沙、無能為力。

熱運(yùn)動(dòng)世界里這“0.0001%的異類”被普朗克、愛因斯坦當(dāng)做鑰匙，洞開了量子力學(xué)的那扇窄門，由此人類就進(jìn)入了一個(gè)全新的世界：

——鬼魅般的量子世界。

1900年，反其道而行之的普朗克如有神助，不從物理意義而直接從數(shù)學(xué)出發(fā)，為黑體輻射生生地湊出一個(gè)能精準(zhǔn)描述其特性的公式，但接下來尷尬的事發(fā)生了：

這個(gè)公式在物理學(xué)上的意義是什么？普朗克以及整個(gè)物理學(xué)界始終無法搞明白。

與此同時(shí)，還有一個(gè)問題讓物理學(xué)界無法解釋：

按照麥克斯韋的理論，當(dāng)用一束光打金箔，電子跑不跑出來只與光的強(qiáng)度有關(guān)，而與光的顏色（也就是頻率）無關(guān)。

但實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻恰恰相反——電子是否跑出來與光的顏色有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)。

比如用紅光（頻率低）打金屬板，無論亮度如何，都不會(huì)有電子跑出來；但如果用藍(lán)光（頻率高）打，即使光很暗，都會(huì)有電子跑出來，且速度非?？?。

這讓物理學(xué)家們一籌莫展。

這兩個(gè)問題得再等五年才能得到解決，解決者現(xiàn)在剛剛畢業(yè)于蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)，正為畢業(yè)后的生計(jì)發(fā)愁。

年輕帥氣的愛因斯坦

（一）愛因斯坦的高光時(shí)刻之一：解釋光電效應(yīng)洞開量子力學(xué)之門

1905你那，瑞士普通的一個(gè)專利局里，一個(gè)26歲的年輕人在工作之余完美地解決了以上兩個(gè)問題，他的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦，他說：

金箔里的電子之所以碰到高頻率的光才會(huì)跑出來，是因?yàn)楣馐且环菀环莸?，普朗克老先生為黑體輻射湊那個(gè)精準(zhǔn)公式時(shí)不是說了嘛，只有光是一份一份的，他的那個(gè)公式才能夠成立，他是正確的；

一份光的能量E=hf（“h”被后世稱為普朗克常數(shù)=6.626×10^（-34）焦耳·秒，“f”是光的頻率），所以這束光的頻率越高，那一份一份光的能量就越大。

這就完美地解釋了“光電效應(yīng)”：紅光為何打不動(dòng)金箔里的電子，因?yàn)轭l率低能量就低；而藍(lán)光之所以能把金箔里的電子打出來，是因?yàn)樗{(lán)光的頻率高所以能量就大。

這個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美契合，由此愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾獎(jiǎng)。

在普朗克的基礎(chǔ)上，愛因斯坦把「特殊」推演到了「普遍」：

• 普朗克說黑體輻射光的能量是一份一份的，但愛因斯坦說不只是黑體輻射的光，所有的光，能量都是一份一份的；

• 既然光攜帶的能量是一份一份的，那光也應(yīng)該不是連續(xù)的，而是由一個(gè)個(gè)光子組成的。由此，“光量子”的概念被提出來。

在此，你可能會(huì)問：什么是量子？

其實(shí)很簡(jiǎn)單，比如光，宏觀看一束光是連續(xù)的，但未觀看這束光是由最基本粒子——光量子組成的。這就像看高清電視，我們坐在沙發(fā)上看是連續(xù)的高清畫面，但你貼近屏幕一看，是由一個(gè)個(gè)光點(diǎn)組成的，且光點(diǎn)之間是有空隙的，并不連續(xù)。

后世物理學(xué)家也學(xué)愛因斯坦把普朗克的學(xué)說普遍化，有人認(rèn)為我們這個(gè)世界就是量子世界，就連連續(xù)的引力、連續(xù)的空間其實(shí)都不是連續(xù)的，都是量子的。

他們說之所以身在其中的我們感覺不到那種“顆粒感和不連續(xù)感”，是因?yàn)槠绽士顺?shù)實(shí)在是太小了（6.626×10^（-34）），這比8K高清電視的分辨率要高千億億億億億倍，這個(gè)數(shù)量的不連續(xù)性是人類的感官系統(tǒng)遠(yuǎn)不能感知到的。

不只是我們，當(dāng)年愛因斯坦提出光量子的概念，大部分物理學(xué)家是完全無法接受這個(gè)“新思想”的。比如普朗克，雖然愛因斯坦是站在他的肩膀上解釋了“光電效應(yīng)”，但普朗克的下半輩子，都不接受這一理論。

為何會(huì)這樣？

我們繼續(xù)往下看。

普朗克

（二）在經(jīng)典物理學(xué)看來，光怎么可能是由粒子組成的呢？

到普朗克這會(huì)兒，100多年來物理學(xué)家之所以堅(jiān)定不移地相信光是一種波，是因?yàn)樽詮?803年英國的一個(gè)叫托馬斯·楊的醫(yī)生做了那個(gè)著名的“雙縫實(shí)驗(yàn)”后，無數(shù)人用各種光驗(yàn)證過，得出的結(jié)論是一致的：

——光就是一種波。

托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)

如果光是一種粒子，那就只能走直線，光線通過雙縫后就只能打在正前方，其他地方完全不可能有所謂的“干涉條紋”。

啥是干涉條紋？

就是“明暗相間”的紋路。之所以有這樣的紋路，是因?yàn)檫^兩縫的光相互作用（干涉）：

• 如果波峰與波峰相遇就會(huì)彼此疊加，打在背景板上比原來更亮；

• 如果波峰與波谷相遇就會(huì)相互抵消，打在背景板上就是暗的。

這樣一圈一圈地交替相遇，背景板上就有了明暗相間的條紋。

只有波才會(huì)有這樣的性質(zhì)，所以光是一種波，且所有的波都有這樣的性質(zhì)，水波、光波、聲波都是這樣的。

我們現(xiàn)在用的降噪耳機(jī)之所以有效，并不是因?yàn)樗母粢艉?，而是運(yùn)用聲波可以相互抵消的原理：

——耳機(jī)根據(jù)外界聲音，自身制造出一種反向同頻的聲波去抵消它。

回到光是一種波，100多年來實(shí)驗(yàn)結(jié)果反復(fù)驗(yàn)證了這一點(diǎn)，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分毫不差，光既然是波，怎么可能又是粒子呢？這兩者就像水與火一樣對(duì)立，永遠(yuǎn)無法統(tǒng)一。

如果你是普朗克——一個(gè)把經(jīng)典物理學(xué)奉為圭臬的偉大物理學(xué)家，會(huì)接受愛因斯坦對(duì)光的新解釋嗎？

我設(shè)身處地，我要是他，肯定是打死也無法接受的！

巧的是，愛因斯坦那篇講“光電效應(yīng)”論文的審稿人恰好就是普朗克，雖然無法接受，但他的公正、正直和學(xué)識(shí)還是讓這篇論文發(fā)表了。

后來，普朗克一直在經(jīng)典物理學(xué)的框架內(nèi)尋找光電效應(yīng)的新解釋，但很可惜，物理學(xué)殿堂里是一代新人替舊人，普朗克始終沒有找到答案。

但是，他那種“我不喜歡你的觀點(diǎn)，但我誓死捍衛(wèi)你說話權(quán)力”的風(fēng)范，值得我輩敬仰。

（三）結(jié)語

愛因斯坦雖然是站在普朗克的肩上，才得出了光的粒子性，但普朗克卻從來沒有支持過這一學(xué)說；

雖然是愛因斯坦洞開了量子力學(xué)之門，但他下半輩子卻一直在反對(duì)量子力學(xué)。

為何會(huì)這樣？

這些人類史上最聰明的頭腦之所以如此，并不是針對(duì)誰，只是因?yàn)榱孔拥氖澜缯娴氖翘嵏擦?，太讓人難以接受了，就像前一篇說的一樣，你接受的科學(xué)訓(xùn)練越多，你可能就會(huì)越反對(duì)它。

但物理學(xué)的歷史也是車輪滾滾，一直向前，經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為「光是一種波」，愛因斯坦說「光是一種粒子」。

這兩種水火不容的解釋真的就不能統(tǒng)一起來嗎？

不會(huì)的，有牛人能把他們統(tǒng)一，就像當(dāng)初哥白尼統(tǒng)一了天與地，就像麥克斯韋當(dāng)年統(tǒng)一了電與磁。

這個(gè)人很快就出現(xiàn)了，他是誰？他是怎么做到的？

篇幅有限，我們下回分解。

（完）