1900年是20世紀的第一年自伽利略時代以來，現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展了近300年

300年來，物理學(xué)家孜孜不倦地探索自然的奧秘，開辟了力學(xué)，光學(xué)，熱學(xué)，電磁學(xué)等諸多研究領(lǐng)域，涌現(xiàn)出牛頓，法拉第，麥克斯韋，玻爾茲曼等一大批天才物理學(xué)家。到1900年，人們已經(jīng)搞清楚了太陽系的運行規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了元素周期表，發(fā)明了蒸汽機和發(fā)電機，甚至發(fā)明了無線電通訊...

人類對世界的認識和改造達到了前所未有的高度當(dāng)時，許多物理學(xué)家自信地認為，人類對自然了如指掌，人類對物理的探索即將結(jié)束到那時，宇宙在人類眼中將不再有秘密

1900年，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克剛滿42歲，但他已經(jīng)滿載榮譽普朗克先是在母校慕尼黑大學(xué)任教，21歲博士畢業(yè)后回到家鄉(xiāng)基爾大學(xué)他帶著在熱力學(xué)領(lǐng)域的杰出工作，于1889年來到柏林，成為柏林大學(xué)理論物理研究所所長1894年，他當(dāng)選為普魯士科學(xué)院院士

馬克斯·普朗克

榮膺此殊榮的普朗克，在世人眼中已經(jīng)是一位非常成功的物理學(xué)家，但他卻時?；叵肫鹱约旱拇髮W(xué)物理老師馮·喬利對他說的話當(dāng)時他一心研究物理，于是申請從數(shù)學(xué)系轉(zhuǎn)到物理系馮茱莉居然告訴他，物理的大樓已經(jīng)建好了，剩下的只是在一些偏僻的角落修修墻角，沒什么大前途

雖然普朗克沒有被這些話勸阻，但這些話在他心里扎下了根他常常想，物理學(xué)真的要走到盡頭了嗎在當(dāng)選院士的那一年，普朗克決定攻克黑體輻射這個當(dāng)時物理學(xué)界的著名難題他希望克服這個問題，即使是修復(fù)建筑的角落，他也要修復(fù)最困難的那個

當(dāng)一個物體被加熱時，它會發(fā)出光和熱比如一個燒紅的鐵塊，在黑暗中會發(fā)出橘黃色的光當(dāng)時物理學(xué)家已經(jīng)知道光是電磁波，光發(fā)射是輻射電磁波，電磁波攜帶的能量被測量為熱

紅色鐵塊發(fā)出可見光。

事實上，任何溫度高于絕對零度的物體都在發(fā)光，但它們發(fā)出的光并不都是可見光只有波長在400~700 nm的光才是可見光，也就是人眼能識別的電磁波其他波段的電磁波，人類是看不見的，看不見的

比如，雖然人類也在發(fā)光，但發(fā)出的是肉眼看不見的紅外線但該物體只有加熱到500℃以上才會發(fā)出強烈的可見光

電磁波譜中可見光的范圍

對于物體發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象，物理學(xué)上有一個專有名詞——熱輻射。

溫度越高，輻射能力越強看來散熱并不復(fù)雜按理說，那個時候，人們已經(jīng)有了完善的光學(xué)，熱力學(xué)，統(tǒng)計力學(xué)，電磁學(xué)等理論解釋這種現(xiàn)象應(yīng)該不是什么難事，但令人驚訝的是，在當(dāng)時竟然是個大問題

為了研究熱輻射，人們設(shè)想了一種理想的情況如果一個物體能吸收所有外界的光，那么它受熱時能最大限度地發(fā)光，這就是理想的熱輻射，也叫黑體輻射bold這個概念是普朗克的老師基爾霍夫在1862年提出的

物體是黑色的，因為它能吸收光而不反射光顯然，最黑的物體可以吸收所有照射到其表面的光，而完全不反射，這種物體被稱為黑體

起初，人們用發(fā)黑的鉑片作為黑體來研究后來，德國物理學(xué)家韋恩想出了一個更巧妙的制作黑體的方法:找一個內(nèi)壁為黑色的耐熱密閉盒子，在盒子上打一個小洞因為射入小孔的光能被完全吸收，這個小孔就是一個黑體

空腔黑體

當(dāng)時人們已經(jīng)通過實驗得出了光波波長與黑體輻射輻射能的關(guān)系曲線對于一個理想的熱輻射，這個曲線是確定的，只隨溫度變化

不同溫度下黑體輻射的能譜曲線

但在理論解釋中，并沒有合適的公式來描述這條曲線物理學(xué)家通過經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)推導(dǎo)出兩個公式，分別叫做韋恩公式和瑞利—金斯公式，但這兩個公式只能分別解釋一半的曲線，都不能給出所有曲線的能量密度分布經(jīng)典物理學(xué)在這個問題上似乎無能為力

到1900年，普朗克已經(jīng)研究黑體輻射六年了作為熱力學(xué)專家，頂著科學(xué)院院士的光環(huán)，奮斗了六年，依然一無所獲普朗克承受著巨大的壓力，他的努力和回報似乎不成比例他能否取得成果還不知道他應(yīng)該在這個問題上花費一生嗎

一輩子就要一輩子！普朗克下定決心解決一個重大問題勝過解決十個常見問題普朗克知道這個問題對整個物理學(xué)至關(guān)重要他決定不惜任何代價找到黑體輻射的理論解釋

普朗克很清楚，經(jīng)典物理無法解決這個問題似乎必須做出一些改變這個變化是大是小還是未知，但這一步是必須要走的

于是普朗克決定拋棄經(jīng)典物理的條條框框，先拼湊一個公式不管公式的由來是什么，先找到一個能符合實驗曲線的公式，再去尋找這個公式背后的物理內(nèi)涵

普朗克從維恩公式入手，結(jié)合自己六年來熟知的實驗曲線，經(jīng)過一番推敲，最后利用數(shù)學(xué)插值，居然得出了一個公式，可以完整解釋整個黑體輻射曲線，一點不錯！這個結(jié)果讓普朗克欣喜若狂，但也讓他更加緊張和焦慮他已經(jīng)看到了希望的曙光，但似乎還處在黎明前的黑暗中他必須找到這個公式背后的物理奧秘，以迎接黎明的真正到來

接下來的幾周是普朗克生命中最忙碌，最緊張的幾周他所有的心思都花在這個公式上了他不滿足于偶然發(fā)現(xiàn)這個公式他的目標(biāo)是得到它他的大腦保持著高速運轉(zhuǎn)，日以繼夜地計算著這個公式背后的秘密，漸漸地，一幅完全意想不到的畫面在他的腦海里變得清晰起來——能量可以不連續(xù)嗎他不停地問自己

在經(jīng)典物理中從來沒有人問過這個問題，或者說從來沒有人意識到這是一個問題大家潛意識里認為能量一定是連續(xù)的，就像我們在數(shù)學(xué)中處理一條光滑的曲線，可以得到曲線上任意一點的值但是，普朗克腦子里的畫面不斷告訴他，為了推導(dǎo)這個公式，能量必須是不連續(xù)的！最終，普朗克做出了一個痛苦的決定，接受能量的不連續(xù)性，不管它與經(jīng)典物理學(xué)多么不相容

日前，在柏林科學(xué)院的會議上，普朗克宣讀了一篇題為《黑體光譜中的能量分布》的論文在這篇論文中，他提出了前所未有的能量量子化假說:電磁輻射的能量不是連續(xù)的，而是一個接一個的他把這種一個一個的能量單位稱為能量量子從此，量子論正式誕生

在普朗克的假說中，就像物質(zhì)是由原子構(gòu)成的一樣，電磁波的能量實際上是由能量量子構(gòu)成的。每個能量量子攜帶的能量可以用一個簡單的公式來表示:

E=hυ

其中:υ是電磁波頻率A，h普朗克是一個新的物理常數(shù)，叫做普朗克常數(shù)。

量子化的概念是一個全新的概念，是任何人都沒有想到的在經(jīng)典物理學(xué)的建筑中沒有這個概念的位置普朗克的老師認為物理學(xué)的大廈即將建成，但也許普朗克自己并沒有意識到他鏟起了第一鏟土，為一座新樓做地基，并制成了第一塊磚這個新的物理學(xué)建筑被稱為量子力學(xué)

量子力學(xué)這個術(shù)語對應(yīng)的是經(jīng)典力學(xué)，也就是牛頓力學(xué)它研究宏觀世界中物體的運動規(guī)律，而量子力學(xué)研究微觀世界中粒子的運動規(guī)律宏觀和微觀的界限取決于普朗克常數(shù)

普朗克常數(shù)是量子力學(xué)的符號常數(shù)，可以反映微觀系統(tǒng)的空間尺度和能量量子化特性，因此也成為定義經(jīng)典物理和量子力學(xué)適用范圍的重要參數(shù)當(dāng)普朗克常數(shù)的影響趨于零時，量子力學(xué)問題就會退化為經(jīng)典物理問題

千克的定義是由普朗克常數(shù)決定的，其原理是將移動一個質(zhì)量為1kg的物體所需的機械力轉(zhuǎn)換成可以用普朗克常數(shù)表示的電磁力，然后通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式計算出質(zhì)量。

由于普朗克常數(shù)非常非常小，對宏觀物體和宏觀運動的影響基本等于零，這也是我們在日常生活中看不到量子效應(yīng)的原因，所以人們總是誤以為能量是連續(xù)的。

普朗克常數(shù)

幸運的是，普朗克常數(shù)很小，我們的日常世界是有序的，有規(guī)則可循的如果你進入量子世界，那里不可預(yù)知的混亂可能會讓你徹底迷茫，毫無章法

當(dāng)然，這是當(dāng)時物理學(xué)家所不知道的普朗克剛剛砌好了第一塊磚，量子力學(xué)的大廈，還需要更多有才華的物理學(xué)家一點一點去建造