#你我皆量子#量子(Quantum)的概念最早由M·普朗克在二十世纪初提出,主要是为了解释黑体辐射现象。我们学“光”的时候,大部分中学老师会告诉你黑色可以吸收所有光。这是一个便于小朋友理解的简化说法。如果到大学仍然学物理,就会发现这句话的内涵相当丰富,其背后的理论是可以说是量子论的奠基石,指出了光是一种能量取值不连续的微观简谐振子,而不是一种光微粒。
相比黑体辐射,光电效应更能简单地让人理解经典物理在描述电磁波方面的局限性。简单来说,19世纪末的物理学家在研究电磁波的时候,意外发现发现当光照在金属罩子上的时候,把什么玩意打出来了。过了几年,电子被观察到,人们就知道这个被打出来的玩意是电子,形成了光电流。这个现象就是光电效应。
但是这里就有问题了:当时由于光的衍射等实验,物理学界普遍认为光是一种波。按照波动理论,光电子是因为金属原子被光波强行震动,围着它的小电子被迫一起摇摆,能量累积起来,电子受不了了就跑了。那么也就是说,光震动的幅度越大(光强越大),电子就被晃得越厉害,被甩飞出去的时候速度也就越大。但实验证明,光电子跑不跑,跑得快不快,跟光强压根没关系。
于是,光的波动理论受到了挑战。那么如果光是一种粒子,光电效应就可以描述为罩子上下了一场光粒子雨,把许许多多小电子从原子身上砸了出来。光越强,也即粒子数量越多,被打出来的电子就越多,形成的光电流就越大。因为都是被同样的光粒子打出来的,所以初始能量都一样,不存在跑得快不快的问题。
但是问题又来了,这个理论没法解释为什么红色光比紫色光打出来的粒子跑得慢。
这时候爱因斯坦就基于普朗克量子假设,提出了光量子说,圆满解释了光电效应的全部实验规律:单色光由光量子组成,是能量的最小单元,既有波动性,也具有微粒性。波长越长的光量子能量越小,所以红色光比紫色光打出来的电子跑得慢。
说到这里,读者一定不知道我想说什么。其实我想说的是,那个最开始发现光电效应的物理学家,名字叫海因里希·鲁道夫·赫兹。我们所熟悉的频率单位Hz就是他的姓Hertz,艾赫EHz是Exa-Hertz的缩写。
这位大哥当时主要是基于波动理论,想证明电磁波存在,设计了一个观察电火花的小实验,具体是啥实验不赘述了。总之,赫兹观察到了光电效应,但当时汤姆孙还没有观察到电子,而赫兹的主要注意力集中在麦克斯韦电磁理论上,所以也没有做进一步研究。
赫兹1887年观察到光电效应,1894年去世。汤姆孙1897年观测到了电子。普朗克1900年建立黑体辐射理论。1905年爱因斯坦提出了光量子说,引起轩然大波,被麦克斯韦的粉丝们集体抵制了十几年,终于事实胜于雄辩,也胜于权威崇拜。诺贝尔奖1921年被物理学界乖乖捧到爱因斯坦的手上,获奖原因正是爱因斯坦光电效应方程。
固有思维定势拥有强大的惯性,即使是物理学家也有死不认错的时候,而且错的人越多越不肯低头,这都是人性。但是人类的进步绝不会因此而止步不前,最终敢于突破、尊重事实、承受得住误解与孤独的人才能找到海洋中的宝藏,与历史上最伟大的思想同频共振,迸射出恒星诞生一般的耀眼光芒。
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