量子理論是如何發現的?為何愛因斯坦到死都不信該理論,只因玄幻

2020-12-05 日曉科普

量子理論是如何被發現的?它的發現說出來你會難以置信!僅僅是因為一個燈泡,對,一個燈泡。

在1890年初期,德國政府部門問馬克斯·普朗克如何使燈泡更高效?就是那種又省電又能發出很亮的光的燈泡。普朗克面臨的第一個難題是測量燈泡絲髮出的光的總量。他知道光是由電磁波組成的,不同頻率的光發出來不同的顏色。所以要確保可見光範圍的電磁波頻率儘可能的多,減少紫外線或紅外線這種不可見光的頻率。所以他嘗試計算出一個熱物體發射出每種顏色的光量佔比。但是他發現,基於電磁理論的預測與實驗數據不一致。後來他乾脆大膽的拋開現有的理論。

從實驗測量中他發現了一個新的物理現象:不同波長的光攜帶不同單位的能量,高頻光攜帶較高單位的能量,而低頻光攜帶較少單位的能量。光是一份一份的或"量子"的想法在當時看來很瘋狂。但愛因斯坦很快發現這種現象很像當前很流行的一個詞,即共享。看來一百年前就有了。所以你看要不要懂點文化,可能當時「共享單車」就是你提出來的了。

量子的概念深究就很複雜了,不過啊,我大概可以舉個有趣的例子。你就會懂了。假如在一個房間裡,如果你想逗樂熊孩子,就給他一塊餅乾;但是如果有兩個熊孩子,而你卻只有一塊餅乾,你就只能把餅乾掰一半分給他們;但是如果有四個、八個、十六個或成千上萬個熊孩子。只用你手裡的一塊餅乾,你就沒辦法讓他們都滿足,你把餅乾都均勻掰碎,使得每個小孩都能吃到一點餅乾末,那沒有人會開心。我們剛才說過光是一份一份的量子。所以我們把這塊餅乾當成燈泡的溫度,把每個熊孩子當成每一份光子。

正如你所知道的,當我們在一個房間裡打開燈(餅乾)的時候,這個房間裡就會有無數個各種不同頻率(熊孩子)的光子。這些光子(熊小孩)會吸收燈泡的溫度(餅乾)。因為高頻率的光子(紫外線)需要的能量多,低頻率的光子(紅外線)需要的能量少,它們所攜帶的平均能量,就取決於這個燈泡的"溫度"。

所以根據普朗克的規則,溫度越高就會有更高頻的光(紫外線)放出。例如,我們的太陽溫度超級高,因此,我們的地球就暴露在紫外線下(不可見光)。所以當一個物體溫度越來越高時,它會按照紅外-紅-黃-白-藍-紫-紫外的順序發光,根據普朗克提出的量子理論,他告訴我們電燈泡的燈絲,被加熱至大約2927攝氏度的時候,可以保證大部分能量都以可見光的形式發出。再加熱,我們就要沐浴在紫外線下了。

在同樣溫度下,不同瓦數(大小)的燈泡(餅乾),能夠產生更多的各種不同頻率的光子(滿足更多的熊孩子),比如一個書本上就會有更多的光子撞擊過來,因此亮度就會顯得更亮。事實上,量子力學一直存在。在我們發明電燈泡和日光床之前,雖然我們沒有發現這個真理,但人類早在百萬年前就利用了這個成果,就是火的使用,火焰正是量子力學發出的光啊!

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