普朗克——不情愿的革命者

量子理論誕生于1900年，當(dāng)時，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了讓他們迷惑的被稱為“黑體輻射”的東西。例如，我們無法解釋為什么一根鋼筋被加熱到高溫時會發(fā)光，熱得發(fā)紅，然后熱得發(fā)白，或者為什么巖漿從火山噴發(fā)出時熱得發(fā)紅。

假設(shè)光純粹地像波浪那樣，可以在任何頻率振動，他們發(fā)現(xiàn)自己的理論不能預(yù)測熱得發(fā)紅和熱得發(fā)白的顏色。這種困惑被稱為“紫外線災(zāi)難”（其中紫外線只是指高頻輻射），多年來一直困擾著科學(xué)家。

1900年，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克（MaxPlanck）找到了解決這個問題的辦法。他是柏林的一名教授，在那里正進行一些關(guān)于黑體輻射的精確實驗。一個星期天，他和妻子招待一些實驗物理學(xué)家。海因里希·魯本斯（Heinrich Rubens）是其中之一，他無意地告訴了普朗克自己關(guān)于黑體輻射的最新發(fā)現(xiàn)。魯本斯離開后，普朗克意識到自己可以通過數(shù)學(xué)技巧推導(dǎo)出一個正確擬合魯本斯數(shù)據(jù)的方程。他為他的新理論感到興奮，那天晚上，他給魯本斯寄了一張明信片，告訴他自己的發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)普朗克在那個月向柏林物理學(xué)會展示他的成果時，他非常謙虛，只有一半的人相信他提出的理論的意義。他提出輻射并非如物理學(xué)家所想的那樣，完全像波浪，而是以確定的離散包形式的能量轉(zhuǎn)移。普朗克在自己1900年12月的論文中提醒道，“實驗將證明這個假設(shè)在自然界中是否成立。”

普朗克意識到物理學(xué)家從未見過能量的粒狀性質(zhì)，因為每個包的“尺寸”非常小（由數(shù)字h=6.5×10-27erg sec確定，現(xiàn)稱“普朗克常數(shù)”）。這個數(shù)字實在太小，因此，我們從未在日常生活中看到量子效應(yīng)。

物理界對普朗克的新想法和它的邏輯結(jié)論，光不是連續(xù)的而是粒狀的持強烈的懷疑態(tài)度。光可以被劈成像粒子一樣的“量子”碎片被認(rèn)為非常荒謬。

5年后，1905年，愛因斯坦（仍是一位默默無聞的物理學(xué)家）寫下光電效應(yīng)理論，將量子理論推向了下一個關(guān)鍵步驟。普朗克是一個不情愿的，幾乎是膽小的革命者，這是19世紀(jì)物理學(xué)家典型的氣質(zhì)；愛因斯坦則大膽地提出了自己的理論，在新的方向上大步跨出。

愛因斯坦利用普朗克關(guān)于量子的奇怪理論猜想，當(dāng)光粒子撞擊金屬時會發(fā)生什么？如果光是遵循普朗克理論的粒子，那么，它應(yīng)該從金屬中的一些原子中將電子反彈出去，并產(chǎn)生電。然后，愛因斯坦用普朗克常數(shù)計算出了彈出的電子能量。

實驗物理學(xué)家很快就驗證了普朗克定律和愛因斯坦方程。普朗克在1918年因其量子理論獲得諾貝爾獎，隨后，愛因斯坦于1921年因提出光電效應(yīng)獲得諾貝爾獎。

今天，我們受益于量子光電效應(yīng)的應(yīng)用。舉例來說，電視成為可能正是因為這個發(fā)現(xiàn)。電視里的攝像機利用光電效應(yīng)記錄金屬表面上的圖像。光線通過相機的透鏡進入相機撞擊金屬，并產(chǎn)生特定的電模式，然后轉(zhuǎn)換成電視波打到家用電視機上。不同于普通的照相機膠片僅暴露一次，這種金屬可以重復(fù)使用，因此可以捕捉運動圖像。