孩子读得懂的量子力学

作者简介

李朝晖，男，某钢铁集团总工程师。高考时以物理、化学满分的成绩考入重庆大学。 专注科学史近三十年，是火爆公众号“科学史话”（专注讲述科学背后的故事）的作者及创始人，发表的物理学类推文均得到读者认可，话题度很高；在知乎平台发表物理学文章六十余篇，获得赞同十余万，粉丝六万多，成为同类型科普作者中的佼佼者。

内容简介

1.比黑洞还黑的黑体 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 最优秀的科学家、热力学的 创始人之一。 爵士的成就还不止于此 ，他还是当时最杰出的工程 师，主持铺设了世界上第一 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 知道黑体是宇宙间最黑最黑 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 的测温枪就是利用了这一点 ，测温枪接收了人体发出的 辐射，反射回来就知道了人 体的温度。 辐射规律的应用还不止 于此。每天太阳都会温暖地 照耀着大地，可是太阳的温 度有多高呢？总不能飞到太 阳上去测量吧。所以我们只 要分析一下太阳光的颜色， 就可以知道太阳的温度了。 同样，我们也可以用这种方 法来分析夜空中闪烁的星星 的温度。 但是在当时，研究黑体 辐射规律时出了大问题，这 也就是开尔文爵士所说的“ 两朵乌云”中的一朵。 科学家们根据实验数据 总结出了黑体的辐射规律， 在这个过程中，需要运用到 科学界的第一条铁律——奥 卡姆剃刀原则。 奥卡姆剃刀原则就是尽 量用最少的规律来概括世间 万物运行的规则，小读者们 要用心记住哦，这是一条非 常重要的规则，以后我们会 反复提到。 依据奥卡姆剃刀原则， 科学家们觉得黑体辐射应该 可以用一条规律来表达，但 大家一直没有找到这条规律 ，所以开尔文爵士才说，这 是物理学上空一朵乌云的原 因。 P2-5