十九世紀(jì)的最后三天，法國的化學(xué)學(xué)家聚首一堂，迎接新世紀(jì)的將至。知名的科學(xué)家開爾文爵士驚呼于數(shù)學(xué)學(xué)的偉大成就，自豪地宣布數(shù)學(xué)學(xué)的研究早已走到盡頭。
開爾文如此說，是由于在哪個時代，精典熱學(xué)通過牛頓、拉格朗日、拉普拉斯等人的貢獻(xiàn)早已清楚的解釋了物體之間的互相作用和天體運(yùn)行規(guī)律，麥克斯韋電磁等式組將電與磁完美的統(tǒng)一上去，熱力學(xué)統(tǒng)計數(shù)學(xué)可以解釋分子的運(yùn)動規(guī)律，如同數(shù)學(xué)學(xué)早已完全成熟了，沒有哪些重大的理論問題須要解決。之后的化學(xué)學(xué)家只須要將數(shù)學(xué)常數(shù)的精度提升幾位就可以了。
然而，開爾文同時也說：“在數(shù)學(xué)學(xué)放晴的天空中，還飄著兩朵令人不安的烏云?！彼f的這兩朵烏云其二是指宋體幅射問題中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論不符合，另一朵是指找尋光的參考系-以太的麥克爾孫莫雷實(shí)驗(yàn)的失敗。
恰恰是這兩朵烏云，發(fā)展成為二十世紀(jì)數(shù)學(xué)學(xué)最偉大的兩個發(fā)覺：量子熱學(xué)和相對論的誕生。人類認(rèn)識到自己探求自然的公路還很漫長。
明天開始我將連載量子熱學(xué)系列科普內(nèi)容，明天是第一期《量子熱學(xué)的開端》。
宋體
為了理解量子量子物理學(xué)，我們首先介紹一下宋體。化學(xué)研究發(fā)覺：一切物體都在吸收、反射和幅射電磁波。假如一個物體只吸收和幅射電磁波，不反射電磁波，這個物體就稱為宋體。諸如太陽就可以看作一個宋體，由于太陽的幅射非常強(qiáng)，幅射的電磁波硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反射的電磁波。
人們經(jīng)過研究發(fā)覺，宋體幅射的情況與物體的氣溫有關(guān)。
圖中縱座標(biāo)是單位波長單位面積幅射功率量子物理學(xué)，橫座標(biāo)是波長。我們通過這個圖可以發(fā)覺兩個推論：
第一：物體氣溫越高，幅射硬度越大。宋體單位面積幅射能量與濕度的四次方成反比，稱為斯特番-波爾茲曼定理。人們按照這個規(guī)律估算了太陽表面水溫大概是6000K。
第二，物體氣溫越高，幅射硬度最大處的波長越短，稱為維恩位移定理。例如炙熱的石塊會發(fā)光，但是氣溫不同時，顏色也不同。有經(jīng)驗(yàn)的鐵匠可以按照石塊的顏色判定石塊的體溫。
紫外災(zāi)難
然而，這兩個定理都是實(shí)驗(yàn)規(guī)律，怎么從理論上解釋呢?
卡文迪許實(shí)驗(yàn)室處長瑞利從精典電動熱學(xué)出發(fā)，推導(dǎo)入一個宋體幅射公式，即瑞利-金斯公式。
不過，這個公式并不能符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。只有在波長比較大的時侯，公式才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，在波長較小時，公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差很大。
最可怕的是：當(dāng)波長趨近于零時，瑞利公式的結(jié)果發(fā)散，幅射硬度無窮大，這似乎是很愚蠢的。人們難以調(diào)和理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并把這個問題稱為“紫外災(zāi)難”（這是由于紫外是比可見光波長更短的光，表示波長短時實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值不符）。
普朗克和量子
為了解釋這個問題，許多化學(xué)學(xué)家提出了自己的看法。最成功的是英國科學(xué)家普朗克。以下是普朗克學(xué)習(xí)化學(xué)過程中容貌變化圖。
普朗克在1900年提出：為了解釋宋體幅射現(xiàn)象，必須作出一定的假定，這種假定可能與人們熟悉的數(shù)學(xué)學(xué)規(guī)律不同：
震動的帶電粒子能量是一份一份的，每一份的能量都與震動頻度有關(guān)，稱為一個能量子，或簡稱為量子。
根據(jù)這個假定，普朗克推導(dǎo)入了宋體幅射的普朗克公式。
這個公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的特別好，宋體幅射問題得到完美解決。并且，許多化學(xué)學(xué)家并不能完全理解量子的概念，這與精典數(shù)學(xué)學(xué)的沖突致使科學(xué)界仍然不能完全相信普朗克的假定。直至十八年后，普朗克才獲得諾貝爾獎。
然而，能量子的概念提出后，許多化學(xué)學(xué)家借用這個概念得出了豐碩的成果。諸如1905年，愛因斯坦借用普朗克的觀點(diǎn)解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并獲得了諾貝爾獎。
如今人們認(rèn)識到：量子熱學(xué)是統(tǒng)治微觀領(lǐng)域的數(shù)學(xué)規(guī)律，它與宏觀世界滿足的規(guī)律不同。牛頓定理統(tǒng)治著宏觀低速世界，量子熱學(xué)主宰著原子量級的微觀世界，而在高速時，我們又須要求救于相對論了。科學(xué)越發(fā)展，就越會發(fā)覺更多未知的世界。正如牛頓所說：
“我似乎是一個在海灘嬉戲的兒子，不時為拾到比一般更光滑的沙子或更美麗的貝殼而歡欣鼓舞，而凸顯在我面前的是完全未探明的真理的海洋?！?span style="display:none">CLS物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))