第1章
一段閃耀著“光”的歷史
量子熱最初是作為一種理解光的嘗試而開始的，人們已經(jīng)絞盡腦汁了數(shù)千年。 公元前5世紀(jì)左右，法國哲學(xué)家恩培多克勒率先構(gòu)建了光的理論。
他相信人的眼睛里有一種奇妙的火石，它能從頭部射出光，從而照亮我們想看到的任何物體。 [1] 這個想法頗有詩意，但它也有一個明顯的漏洞：如果耳朵能發(fā)光，那么我們應(yīng)該能在黑暗中看到物體，因為鼻子本身就是一個火把。
也是恩培多克勒提出了四種基本物質(zhì)（火、水、空氣和土），但我們早已放棄了這一觀點(diǎn)； 他還覺得沒有身體的手臂在世界各地爬行，直到它們隨機(jī)組合產(chǎn)生各種類似植物的植物，試圖解釋生物多樣性。
事實上，恩培多克勒在科學(xué)史上的工作就是提出一些后來被其他人證明是錯誤的瘋狂主張。 盡管在光的情況下，人們花了大約1300年的時間才認(rèn)識到這個錯誤。
直到阿拉伯學(xué)者海沙姆的出現(xiàn)，人們才最終放棄了恩培多克勒的觀點(diǎn)。 海石木做了一個實驗。 他解剖了一只豬的眼球，發(fā)現(xiàn)眼腔內(nèi)的光反射與暗室中相同，也就是說，光來自周圍的物體，而左眼正好擋住了光的反射。 小路。 [2]
也許看起來很奇怪，人類花了一千多年才確定耳朵沒有發(fā)出神奇的光芒，但那是一個不同的時代，當(dāng)時每個人都相信人類賦予了物體意義，使人類看不到的東西有了存在。不需要有形狀。
幸運(yùn)的是，海石目完成的實驗超越了人類的自尊心，并逐漸流行起來。 假設(shè)光來自物體本身并以直線射入我們的耳朵——無論那光是什么。 然后是文藝復(fù)興時期。
笛卡爾可以說是文藝復(fù)興時期最有影響力的科學(xué)家和哲學(xué)家，他在數(shù)學(xué)領(lǐng)域提出了另一個關(guān)于光的偉大想法。
笛卡爾注意到，當(dāng)蠟燭點(diǎn)燃時，房間的每個角落都同時被照亮，就像池塘中心的漣漪可以同時到達(dá)每個邊緣一樣。 他推測，光是一種類似的現(xiàn)象。 我們周圍有一種看不見的物質(zhì)，笛卡爾稱之為“真實空間”，漣漪和波浪通過它產(chǎn)生光。 [3]
唯一反對實空間波動理論的人是艾薩克·牛頓。 牛頓的主要工作是與智力不如他自己的人（基本上是所有人）較量。
牛頓強(qiáng)調(diào)，如果光是穿過某種介質(zhì)的波，那么它在穿過物體時就會彎曲，就像水波在繞行巖石時彎曲一樣。 因此，陰影的邊緣會顯得模糊，但實際上陰影非常清晰，這使得光由粒子組成的說法更加可信。 牛頓將這些粒子稱為“粒子”。 [4]
光的粒子理論不可避免地超過了笛卡爾實空間波，這在很大程度上是由于牛頓的名人地位以及他對任何挑戰(zhàn)他的人的優(yōu)越性。
因此，如果牛頓聽說一個名叫托馬斯·楊的人在他去世七十年后進(jìn)行了一項實驗并得出了相反的推論，他一定會感到驚訝。 事實上，這是指牛頓去世70年后。 那次實驗之后，托馬斯·楊自己就很少做實驗了。
天才波紋先生
托馬斯·楊 ( Young) 擁有 18 世紀(jì)最聰明的頭腦。 他最出名的可能是破譯羅塞塔墓碑，并成為第一個破譯希臘象形文字的現(xiàn)代人。 托馬斯·楊也是第一個注意到人眼中色盲感覺器官的人。 他寫了幾本醫(yī)學(xué)書籍，懂得14種語言，會彈12種鋼琴，并發(fā)展了現(xiàn)代彈性理論。 [5]
1803年，托馬斯·楊的“雙縫實驗”真正建立了光波理論（雙關(guān)語意）。
我們先回顧一下波浪穿過池塘的情況。 想象一下，一個規(guī)則的脈沖波在平坦液體的表面上傳播，穿過帶有狹縫的屏障，波順利地傳播到狹縫的另一側(cè)左側(cè)，然后以扇形輕微地飄動——這個過程我們稱之為“衍射” ”。
波浪移動是因為波浪邊緣的能量在附近的水中消退。 從上往下看，我們得到類似于右圖的圖案，其中虛線代表波峰，實線代表波谷。
現(xiàn)在，讓我們嘗試一下有兩個狹縫的屏障。 同樣的事情再次發(fā)生，但這次我們看到兩個波同時衍射，最終在某個時刻相互增加或抵消。 從上到下看起來是這樣的：
到處都能聽到海浪完美疊加的聲音，一個波峰與另一個波峰相遇，在海面上形成一個“大波峰”。 在如此大的波峰之間，有些地方的波浪不同步，波峰與波谷相遇，獲得不同的療效。 在那些地方，波浪相互抵消，湖面幾乎沒有任何波動。
如果我們在池塘邊放一個屏幕，混合波就會撞擊它，交替出現(xiàn)大波峰和抵消波。 從正面（而不是從上到下）看屏幕，波浪留下的圖案是這樣的：
在這里，我們看到的是雙縫衍射后波的干涉效應(yīng)，產(chǎn)生高硬度和低硬度的交替圖案。 這些現(xiàn)象稱為波的“疊加”。
托馬斯·楊重復(fù)了這些疊加的圖案，只是他用的是光束而不是水。 點(diǎn)燃一根蠟燭，讓燭光穿過墻壁上的雙縫，托馬斯·楊終于在檢測屏幕上得到了疏密交替的斑馬白色圖案，類似于水波混合留下的圖案。
如果光像牛頓所說的那樣是由粒子組成的，那么當(dāng)它通過兩個狹縫撞擊到另一邊左邊的墻壁時，它應(yīng)該會產(chǎn)生一團(tuán)“糊狀物”。 而我們實際得到的斑馬白只能用一種方式來解釋：光是某種波。
牛頓關(guān)于陰影有明確界限的指控仍然有一定的說服力，但此時他已經(jīng)去世，有人敢于批評他的學(xué)說。 如果您仔細(xì)觀察陰影的邊界，您確實會看到模糊的邊緣：它們太小了，很容易被忽略。 粒子理論無法解釋這一點(diǎn)，但圍繞物體的波可以。
承載這種波的物質(zhì)最初被笛卡爾稱為真實空間，后來它有了一個更獨(dú)特的名字——“以太”。 光的本質(zhì)最終被確定。
笛卡爾的思想無疑是超前于他的時代的，但他的思想直到得到實驗證明后才被接受。 這是一個強(qiáng)烈的暗示，可以防止你把笛卡爾置于馬后。 我?guī)缀鯙槟莻€笑話感到抱歉。 幾乎。
世紀(jì)災(zāi)難
到了 20 世紀(jì)初，沒有人再指責(zé)光的成分了。 托馬斯·楊已經(jīng)徹底解決了這個問題。 但有一些事情被忽視了，最值得注意的是當(dāng)光與熱物體相互作用時會發(fā)生什么。 要了解其中的奧秘，就不得不提到軟管。
想象一下，有一個帶有噴嘴的軟管連接在袋子的頂部。 當(dāng)軟管充滿水時，袋子會逐漸充滿水。 現(xiàn)在，假設(shè)我們在瓶蓋上戳三個孔：一個小孔、一個中孔和一個大孔。 同樣，如果我們打開水，水仍然會充滿袋子，然后從底部的孔流出。 很明顯，最大的孔的水流最多，而最小的孔只有很細(xì)的水流。 這個裝置沒有什么意義，但是操作起來卻很簡單。 我們從袋子頂部抽水，水從底部的孔中流出。
為什么物體受熱后會發(fā)光？ 上面的實驗是一個很好的類比。 當(dāng)物體變熱時，它會吸收熱能，當(dāng)熱能被完全吸收時，熱能就會以光的形式釋放出來。
在這個類比中，軟管中的水代表施加到物體上的熱量，孔代表發(fā)射的不同類型的光：小孔代表紅外光（能量太低而看不見），中間的孔代表可見光（從藍(lán)色到黑色），大孔代表紫外線（能量太高而看不見）。
黑色物體在這些熱光轉(zhuǎn)換中效率最高，因為它們吸收了所有熱量。 用數(shù)學(xué)術(shù)語來說，理論上完美的放熱體被稱為“黑體”（盡管它實際上并不是白體）。
整個過程可以用簡單的瑞利-金定理很好地描述，這是一個很好的近似，特別是在高溫到中溫范圍內(nèi)。 但是當(dāng)物體被加熱到低溫時，就會發(fā)生一些非常奇怪的事情。
從邏輯上講，熱物體發(fā)出的光大部分應(yīng)該是紫外線，因為紫外線是能量最高的光（相當(dāng)于瓶蓋上最大的孔）。 但實際上，物體發(fā)出的幾乎所有光都是中間波長的。
熱物體發(fā)出的光有一點(diǎn)紅外線，一點(diǎn)紫外線，大部分是黃色或橙色，這是無法解釋的。 這就像把袋子裝滿水，然后幾乎所有的水都從中間的孔而不是大孔噴下來。
事實上，現(xiàn)實比我們的三孔類比更令人不安，因為真實的光不僅具有三種類型，而且可以具有任何它喜歡的能量。 更準(zhǔn)確的圖片可能是這樣的：想象一下，沿著袋子的底部切開一條縫，卻發(fā)現(xiàn)水只從縫的中間滲出來，而不會從側(cè)面滲出。
化學(xué)家保羅·埃倫費(fèi)斯特將這種困境稱為“紫外線災(zāi)難”[6]，后來成為數(shù)學(xué)書中臭名昭著的“紫外線災(zāi)難”。
此時我們正在處理理論與實驗之間的不匹配，在科學(xué)中我們必須改變理論。 你很難決定一個實驗應(yīng)該產(chǎn)生什么結(jié)果，所以如果一個理論很難預(yù)測你實際得到的數(shù)據(jù)，你就需要打破這個理論。
紫外線災(zāi)難之所以發(fā)生，其實是因為我們對光能的運(yùn)行機(jī)制存在一些誤解。 沒有人會想到，只要稍加重組，我們就會走上量子革命的道路。 盡管提出答案的人并沒有嘗試如此激進(jìn)的事情，因為他只是想要一個便宜的燈泡。
直到普朗克出現(xiàn)
馬克斯·普朗克是家里六個兒子中最小的一個。 1875 年，他比他的朋友早一年完成了高中學(xué)業(yè)。 普朗克申請到克拉科夫?qū)W院學(xué)習(xí)化學(xué)，但最初審查他申請的院長菲利普·馮·喬利試圖阻止他，因為他覺得化學(xué)幾乎已經(jīng)結(jié)束，這會浪費(fèi)普朗克的才能。 [7]
約利院士誠懇地勸說他，但普朗克并不膽怯，堅持自己想學(xué)的課程。 他并不關(guān)心能否發(fā)現(xiàn)一個新的臺灣，因為他不關(guān)心遺留問題，他只想知道世界是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的，但他從未停止。 普朗克沒有讓步。
迪恩·喬利對普朗克的頑固印象深刻，最終決定接受他。 很快，普朗克成為法國數(shù)學(xué)界最受歡迎的人物之一。 據(jù)說，普朗克的演講廳很受歡迎，聽他演講的人比肩而行； 據(jù)報道，一些觀眾因寒冷而暈倒，而另一些觀眾則無動于衷，只是為了聽普朗克的演講。
普朗克的聲譽(yù)引起了美國標(biāo)準(zhǔn)局的注意，該局正在致力于解決美國的電力街道照明問題，詢問他是否愿意提供協(xié)助。 電力在其他國家已經(jīng)普及，但價格高昂，美國想找出最高效的方式。 普朗克很高興地接受了邀請，并開始分析熱燈泡的熱與光之間的關(guān)系。 [8]
這些燈泡的鎢絲實際上是一個“黑體”，隨著內(nèi)部溫度下降，表面吸收所有能量并以光的形式重新發(fā)出，大部分是可見光。 但隨著鎢絲繼續(xù)升溫量子物理的書，它并沒有產(chǎn)生瑞利-金定律所預(yù)測的光，因此普朗克決定創(chuàng)建一個新定理，在該定理中，他將光能想象為二氧化碳的一種形式。
假設(shè)二氧化碳中有一群隨機(jī)飛行的粒子。 當(dāng)它們碰撞時，顆粒的空氣溫度會重新分布。 很可能有些粒子的能量較低，而另一些粒子的能量較高，但大多數(shù)粒子的能量都集中在一個平均值附近——這就是我們所說的“溫度”。
普朗克意識到這些能量分布與他在燈泡實驗中看到的相符。 當(dāng)我們加熱一個物體時，它發(fā)出的光集中在中等能量上，其中有一些光束以高能量和低能量出現(xiàn)。 為此，普朗克提出光束分配能量的方式與二氧化碳顆粒分配熱量的方式相同。
唯一的問題是量子物理的書，二氧化碳熱量只能發(fā)生，因為二氧化碳可以分解成顆粒。 為了讓普朗克的想法發(fā)揮作用，光也必須由粒子組成。
他把光的微小粒子稱為“”（量子），源自拉丁語“”，意思是“數(shù)量”（）。 普朗克繼續(xù)安靜地工作。
需要明確的是，普朗克并沒有真正聲稱光是由粒子組成的——那是荒謬的。 他只是在玩一個幼稚的語言游戲，主要是出于絕望，為了讓他的結(jié)果看起來更合理。 因為托馬斯·楊的實驗，大家都知道光是穿過以太的波，而我們早已拋棄了牛頓的粒子論。
在普朗克看來，光子是一個不成熟的答案，不值得認(rèn)真對待，所以當(dāng)他收到證明光子存在的研究論文時，他自然感到震驚和呆住。
原文是“”，可以解釋為“光波論”或者“波再見光論”。 之所以說刻意，是因為“光波論”的中文一般寫成“”。 ——譯注 英語中有句名言：“don’t put the cart the horse”，意思是“不要把車放在馬的后面”，即不要把車放在馬的前面。 這里使用“”（笛卡爾）代替“”。 這里的“笑話”是指英語中關(guān)于馬的笑話。 一匹馬走進(jìn)舞廳，侍者問道：“你是酒鬼嗎？” 馬回答說：“我想我不是?！?然后馬就“砰”的一聲消失了。 笛卡爾的格言“我思故我在”在這里受到了譴責(zé)。 為了解釋這個笑話的要點(diǎn)，必須把笛卡爾放在馬后面。 — 注釋