十九世纪末,经典物理学已经达到巅峰,大伙认识到大到宇宙星体,小到原子电子,无非是大大小小的物体按照规律运动,经典力学、经典电动力学和经典热力学(加上统计力学)形成了物理世界的三大支柱,已知一切物理现象,几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切,都在控制之中,而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信,这个世界所有的基本原理都已经被发现了,物理学也就没什么可研究的。
普朗克刚参加工作的时候,物理学大概就是这样一个状态,所以导师劝他不要在物理学上浪费时间,说物理学科已经到头了,再研究也就是捡点前人剩下的边角料,不会再有大的发展。
不过普朗克热爱物理,不挑食,觉得随便研究点什么都好,准备在物理这条路上一条路走到黑。
当时还真有两个边角料,也就是传说中物理学的两片乌云。
说是乌云,其实就是两个物理现象用现有的规律没法解释,第一个是以太的问题。那个时候认为光的传播依靠一种以太的东西,这玩意充斥宇宙,而且是绝对静止。后来以太作为一种媒介深入人心,我们现在把网络叫以太网,也是来源于此。不过物理学家各种测试也没找到这个东西,进一步,大家对绝对静止也产生了怀疑。
第二片乌云是黑体辐射。当时有两套理论解释黑体现象,一个适用于大波长,另外一个适用于小波长。问题是两套理论解释的是一种现象,而且没法统一,这让物理学家非常不爽,物理学家天生就有大一统的观念,期望一个公式能打遍天下,一个现象有两种解释,无论如何不能接受。
不过鉴于当时物理学界一片形势大好,大家都觉得两片乌云无伤大雅,只是物理学发展过程中的小插曲。大厦都建好了,通个下水道的事,派两个小角色就搞定。
谁也没想到乌云最后变成了狂风暴雨,几乎摧毁了整个经典物理大厦。
其中第一块乌云演化成相对论,第二块乌云诞生量子科学。
一、量子物理的提出-普朗克常数
第一块乌云被爱因斯坦看上了,普朗克选择了第二块乌云。经过一顿烧脑的公式推导和实验,他发现如果想解释奇怪的黑体辐射现象,只能假设能量是不连续的,也就是一段一段的不可分割,按照这个思路普朗克研究出一套公式,完美解释了不同波长下的黑体辐射现象。
普朗克把这不可分割的一小段,称为量子,而且他还算出了这个量子的大小,当然是非常小了,大概是小数点后几十个零这种量级,这个数后来被命名为普朗克常数,是量子的最小单位,然后量子科学诞生了。
大家要有个概念,量子比粒子的概念要广,所有不连续的东西都可以表述为量子。粒子肯定是量子,因为不可分割,但是量子不一定就是粒子。按照普朗克的理论,不连续的能量也可以是量子,不连续的波也可以是量子,只要不可分割,都可以称为量子,不一定是有形的物质。
量子科学的核心是以量子的概念去思考问题,也就是把传统认为连续的东西改为离散的方式去研究。
那么问题来了,什么是连续和离散?
比如烧开水,水从0度到100度,中间过程就是连续的,如果画成图,就是一条连续的线段,不管精度有多高,总能找到一个中间温度状态,而且还能细分,这就是连续。离散类似于上台阶,只能一级一级上,你不能只上0.5级或者0.3级,体现在图上就是一个个点的组合。