1.4　充滿誘惑的量子迷宮

現在我們都知道，這個世界的萬物無一處不滲透著量子。在物理學領域，量子幾乎縈繞著每一個方程，支配著每一個實驗。量子的發現及其概念的建立，無疑是物理學史上的一次重大革命，它開創了物理學發展的新時代。多少年過去了，量子概念在科學中的意義和影響愈來愈重要，愈來愈深遠。在此基礎上建立的量子力學理論大廈，足以傲視人類整個20世紀史甚至更遠。給這座大廈打下良好基礎的人，就是大器晚成的德國科學家馬克斯?普朗克。

馬克斯·普朗克

人類對黑體輻射問題的研究促進了量子論的誕生。黑體輻射是熱學中的一個問題。我們知道所有物體都發射出熱輻射，這種輻射是一定波長范圍內的電磁波。對于外界的輻射，物體有反射和吸收的本領。如果一個物體能夠將外界對它的輻射全部吸收而不反射，這個家伙就稱為黑體。

19世紀后半期，人們對黑體輻射問題進行了深入研究。四位德國物理學家精確測定了黑體輻射的能量隨波長的分布，并畫出了黑體輻射的實驗曲線。為了從理論上探討黑體輻射的本質，維恩求得了一個黑體輻射公式，接著，瑞利又求得另一個黑體輻射公式。由維恩公式繪制的曲線，在短波長區與實驗曲線符合得很好，而瑞利公式則在長波長區與實驗曲線符合較好，但在短波區卻偏離實驗值越來越遠。由于理論公式不能解釋位于紫外光區（即短波長區）熱輻射的特性，當時的物理學界把它稱為“紫外光的災難”。號稱已經十分完美的經典物理學理論，竟不能求出一個統一的公式來描述黑體輻射實驗，這使19世紀的物理學家們感到十分難堪。

1900年10月19日，42歲的德國物理學家普朗克向德國物理學會提出了一個輻射的經驗公式，這個公式用內插法把適合于長波的瑞利公式和適合于短波的維恩公式合在一起，使它適合于所有的波長，但是這個公式沒有任何理論根據。當天晚上，魯本斯把自己曾經做過的實驗數據，同普朗克的公式進行了仔細比較，他驚奇極了：經驗公式與實驗數據符合得非常精確！第二天一大早他就去拜訪普朗克，告訴他這個公式孕育著極其重要的真理，而不是一般的巧合。于是普朗克就開始尋找他的公式的理論基礎。

兩個月以后，為了解釋他的公式，普朗克采取了一個決定性的步驟：假設微觀系統中振子能量與振動頻率成正比，它不能夠連續發射而只能一份一份地發射出去，發射的最小單位就是一個能量子，就像我們買東西，付錢的最小單位是一分，不能再小了。這個發現對物理學來說具有劃時代的重大意義，可是當時并沒有引起人們的重視，因為能量子的假設是與經典物理學相抵觸的。

1905年，瑞士專利局里有位不出名的年輕職員認為普朗克的奇想是稀世之寶，他用這個理論成功地解釋了1888年霍爾瓦茲發現的光電效應（用波長長的光照射金屬，光再強也無電子飛出；用波長很短的光照射時，光再弱也有電子飛出）。這位職員就是后來聞名全球的愛因斯坦。從此，普朗克的量子理論才得到科學家們的公認，成為探索微觀世界的強大支柱。