孩子读得懂的量子力学

各位同学一定都很熟悉，在每次期末考试之后，班主任都会组织一次班会，说一下这个学年大家的学习情况，也许还会邀请学霸来谈一下学习经验。 其实不只是我们，科学家们也喜欢开这样的会，不过他们并不是每年都开。 在一百多年前的1900年4月27日，科学家们打算开一个会，总结一下上一个世纪以来的工作，还请了一位学霸进行总结报告，这位学霸就是开尔文爵士。 开尔文爵士是个天才，他十岁就上了大学，二十二岁就成为大学教授，是当时*优秀的科学家、热力学的创始人之一。 爵士的成就还不止于此，他还是当时*杰出的工程师，主持铺设了世界上**条海底电缆，所以由他来做这个报告再合适不过。 在大会上，开尔文爵士认为当时的形势一片大好，科学问题基本得到了解决，以后的物理学家将无事可做，唯一可做的就是把实验数据做得更精确一些。 这听起来有点吹牛，并且是开尔文爵士说的，更加让人觉得有点问题，因为开尔文爵士经常说一些错误的预言，他曾经声称任何比空气重的机器都不可能在天空翱翔，这错得有点离谱了，现在飞机都已经成了重要的交通工具，而飞机毫无疑问要比空气重，这次是不是开尔文爵士又说错了呢？ 这次开尔文爵士还真没有吹牛。 当时，伟大的牛顿爵士解决了力学问题，把天地万物纳入了牛顿力学之中，无论日月星辰还是飞花落叶，都要遵从牛顿的智慧；法拉第和麦克斯韦则解决了电磁学问题，开阔了人类的视野；开尔文爵士和一众英雄发现了热力学的秘密，现在的汽车、火车、轮船的发动机都还遵从热力学的规律。 不过作为优秀的科学家，爵士还是谨慎地指出了当时科学界还有两个小问题没有解决——这就是传说中的“两朵乌云”。 非常遗憾的是，在这个问题上爵士又错了，这看起来只是万里晴空下两朵微不足道的小乌云，带来的却是一场科学新革命的暴风雨。 两朵乌云，其中一朵乌云带来了爱因斯坦的相对论，另一朵乌云则带来了量子力学。而带来量子力学的那朵乌云其实就是关于黑体的问题。 要说黑体，就得先说什么是黑；要说什么是黑，就得先说什么是颜色；要说什么是颜色，就要从光说起。 我们都知道，白光可以分解为赤橙黄绿青蓝紫七种颜色。 我们看到一个红色的物体，是由于这个物体吸收了其他颜色的光，把红光反射到了我们的眼睛里，所以我们就看到了红色；绿色物体自然就是吸收了其他颜色的光，反射了绿光……依此类推。 而关于黑色，你们一定都听过一句话：天黑得伸手不见五指。 其实“伸手不见五指”只是一种比喻，在现实生活中，我们都见不到这种黑。乌云笼罩下的夜空，也会有模糊的星光穿透乌云；在没有月光的夜晚，也还有街头的点点灯光……那么，到底有没有“伸手不见五指”的黑呢？ 还是有的，那就是黑体。 黑体是一种假想的物体，只存在于想象之中，在现实中并不存在。我们平时所见的黑色物体，都是只吸收光而不反射光，而黑体不仅吸收光，它连电磁波都吸收（光也是一种电磁波，我们会在以后的章节中详细说这个问题，在这里，我们只要知道黑体是宇宙间*黑*黑的物体就可以了）。 不过黑体也并不是在任何情况下都这么抠门，要是把黑体架在火上烤，黑体的温度就会升高，这时候黑体就可以辐射电磁波，甚至发出光来。并且黑体有一个非常特别的性质，那就是黑体的辐射只和温度有关，温度的不同，黑体辐射出来的光的颜色也不同，随着温度的升高，黑体会依次发出红——橙红——黄——黄白——白——蓝白各种不同颜色的光。 既然黑体只是一种假想出来的物体，那么科学家们为什么还要研究它呢？ 因为黑体就好比是数学中的“1”，任何一种现实中的物体，只要乘以一个系数，就可以知道这种物体的辐射规律。 这一点太重要了，新冠肺炎疫情期间用来测量体温的测温枪就是利用