科学有故事推开量子物理的大门（物理学上空的两朵乌云上帝掷骰子吗）

科学有故事推开量子物理的大门（物理学上空的两朵乌云上帝掷骰子吗）电磁波和光《上帝掷骰子吗？量子物理史话》读书笔记1在处理黑体辐射这朵乌云是过程中首先由维恩从经典热力学的思想出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的，然后通过精密的演绎，他终于在1894年提出了他的辐射能量分布定律公式，我们称这个公式为维恩公式；但是维恩却面临着一个基本的难题：他的出发点似乎和公认的现实格格不入，换句话说，他的分子假设使得经典物理学家们十分不舒服。因为辐射是电磁波，而大家已经都知道，电磁波是一种波动。用经典粒子的方法分析，似乎让人感到隐隐地有些不对劲，有一种南辕北辙的味道。而且很快物理学家在实验中发现维恩定律在长波内的失效。在发现这个问题后英国物理学家瑞利试图修改公式以适应维恩公式中ρ（能量分布的函数）和T（是绝对温度）在高温长波下成正比这一实验结论。瑞利的做法是抛弃玻尔兹曼的分子运动假设，简单地从经典的麦克斯韦理论出发，最终他也得出了自己的公式。后来

本章作者以开尔文在阿尔伯马尔街皇家研究所举行的报告会上的名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》开始讲述了牛顿经典物理和麦克斯韦电磁理论在光的传播介质中的相对速度的测量以及黑体辐射实验的理论及实验的不一致性。前者最终导致了相对论革命的爆发，后者最终导致了量子论革命的爆发。

“失败的迈克尔逊-莫雷实验”

该实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度。在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。实验结果却令人震惊且失望无比：两束光线根本就没有表现出任何的时间差。这个实验的结果是如此地令人震惊，以致它的实验者在相当一段时期里都不敢相信自己结果的正确性。但正是这个否定的证据，最终使得“光以太”的概念寿终正寝，使相对论的诞生成为可能。

维恩公式or瑞利—金斯公式；短波or长波；粒子性or波动性 左右摇摆的黑体辐射能量分布定律公式

在处理黑体辐射这朵乌云是过程中首先由维恩从经典热力学的思想出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的，然后通过精密的演绎，他终于在1894年提出了他的辐射能量分布定律公式，我们称这个公式为维恩公式；但是维恩却面临着一个基本的难题：他的出发点似乎和公认的现实格格不入，换句话说，他的分子假设使得经典物理学家们十分不舒服。因为辐射是电磁波，而大家已经都知道，电磁波是一种波动。用经典粒子的方法分析，似乎让人感到隐隐地有些不对劲，有一种南辕北辙的味道。而且很快物理学家在实验中发现维恩定律在长波内的失效。在发现这个问题后英国物理学家瑞利试图修改公式以适应维恩公式中ρ（能量分布的函数）和T（是绝对温度）在高温长波下成正比这一实验结论。瑞利的做法是抛弃玻尔兹曼的分子运动假设，简单地从经典的麦克斯韦理论出发，最终他也得出了自己的公式。后来，另一位物理学家金斯（James H.Jeans）计算出了公式里的常数，最后他们得到了瑞利—金斯公式。但是瑞利—金斯公式是一个拆东墙补西墙的典型。而且非常具有讽刺意味的是，它在长波方面虽然符合了实验数据，但在短波方面的失败却是显而易见的。当波长趋于0能量将无限制地呈指数式增长。这样一来，黑体在它的短波，也就是高频段就将释放出无穷大的能量来！于是我们得到了2个公式，一个适用于长波，一个使用于短波。但是2者不能统一。

当物理学家们被这个难题困扰着的时候我们的主角，一个留着小胡子，略微有些谢顶的德国人——马克斯·普朗克登台了。当他为研究黑体辐射公式花了6年时间二徒劳无功之后决定不再去做那些根本上的假定和推导，不管怎么样，我们先尝试着凑出一个可以满足所有波段的普适公式出来。利用数学上的内插法，普朗克开始玩弄起他手上的两个公式来。要做的事情，是让维恩公式的影响在长波的范围里尽量消失，而在短波里“独家”发挥出来。普朗克尝试了几天，无意中凑出了一个公式，看上去似乎正符合要求！在长波的时候，它表现得就像正比关系一样。而在短波的时候，它则退化为维恩公式的原始形式。这就是著名的普朗克黑体公式。在普朗克在柏林德国物理学会的会议上，把这个新鲜出炉的公式公之于众的当天晚上，鲁本斯就仔细比较了这个公式与实验的结果。结果，让他又惊又喜的是，普朗克的公式在每一个波段里给出的数据都十分精确地与实验值相符合。问题来了，现在公式是有了但是包括他的发明者在内的所有物理学家都不知道这个公式背后的物理意义。作为一个传统保守的物理学家，普朗克总是尽可能地试图在理论内部解决问题，而不是颠覆这个理论以求得突破。但是，在种种尝试都失败了以后，普朗克发现，他必须接受他一直不喜欢的统计力学立场，从玻尔兹曼的角度来看问题，把熵和概率引入到这个系统里来。而后一个完全意想不到的景象在他面前呈现了出来。原来普朗克发现，仅仅引入分子运动理论还是不够的。在处理熵和概率的关系时，如果要使我们的新方程成立，就必须做一个假定：假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。对于能量来说连续性、平滑性的假设，是微积分的根本基础。牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，便建筑在这个地基之上，度过了百年的风雨。当物理学遇到困难的时候，人们纵有怀疑的目光，也最多盯着那巍巍大厦，追问它是不是在建筑结构上有问题，却从未丝毫怀疑它脚下的土地是否坚实。而现在，普朗克的假设引发了一场大地震，物理学所赖以建立的根本基础开始动摇了。普朗克的方程要求，能量必须只有有限个可能态，它不能是无限连续的。在发射的时候，它必须分成有限的一份份，必须有个最小的单位。这个最小单位，普朗克把它称作“能量子”。但随后很快，在另一篇论文里，他就改称为“量子”。

1900年12月14日，就是这一天量子的幽灵从普朗克的方程中脱胎出来，它所过之处，最富丽堂皇的宫殿都在瞬间变成了断瓦残垣。物理学构筑起来的精密体系被毫不留情地砸成废铁。它还是一个前所未有的建设者。科学史上最杰出的天才们参与了它成长中的每一步，赋予了它华丽的性格和无可比拟的力量，人类理性最伟大的构建终将在它的手中诞生。从此人类迈进了量子时代。

电磁波和光《上帝掷骰子吗？量子物理史话》读书笔记1