老师说别学物理,他不听,还顺便打开了新世界的大门 | 王木头讲科学

摘要: 看似光的波动学说已经取得了最后的胜利,结果剧情却又一次发生了翻转

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今天是王木头讲科学的第16期节目。



来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。



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麦克斯韦凭借一己之力揭开了光的本质。光是波这件事情已经是盖棺定论了,在所有人看来粒子说应该是没有了翻身的机会。这一项伟大的发现也让麦克斯韦成为了和牛顿一样伟大的科学家。在当时的人看来只要手上有牛顿的力学定律和麦克斯韦方程,那么世界上的一切现象都可以得到解释。

1873年当麦克斯韦方程组被第一次完整提出来的时候,正有一位年轻人进行着艰难的选择——大学应该学习什么专业。他多才多艺,非常擅长音乐,也很喜欢物理,他还专门去咨询了当时有名的物理学教授。这位教授却告诉他,还是不要选择物理学了,即使再如何努力也不会更为大的发现了,以前有牛顿定律,现在又有了麦克斯韦方程,能被研究的问题已经几乎都被研究完了,物理已经没有什么未知的事情了。


开尔文勋爵

和这位教授想法相同的人大有人在。1900年,新世纪之初,德高望重的物理学家开尔文勋爵就在一次演讲中说到,现在的物理学已经很完美了,剩下的事情就是做一些修修补补。现在的天空中只有“两朵乌云”,这两个还都和光有关,不过他相信这两个问题很快也会被修补好的。

两朵乌云中的第一个是我们之前讲到过的,在迈克尔逊-莫雷实验中发现了光速的不变性。另一个是和热辐射有关的。

任何物体只要有温度都是会放出辐射的,而且温度越高放出辐射所包含的能量就越多。这里说的辐射就是电磁波了。我们现在已经知道了电磁波和光是一种东西,所以一个物体如果把温度加热到很高的时候,它是会放出可见光的。同学们可以在家长的帮助下试试看,用夹子夹住一根针,放在蜡烛或是煤气灶上烧,就会发现随着针的温度升高,针会先发出淡淡的光,这个光的颜色是会从红色变成黄色最后变成白色的。

红外热像仪就是利用了这个原理的。我们人体是有温度的,所以也会一直释放着辐射。只不过我们人的温度不高,这个散发出去的光线不是可见光而是红外线。红外热像仪就是用一个可以接收到红外线的照相机去接收这些辐射,然后根据接受到的红外线的波长来判断温度的高低。温度越高红外线的波长越小。

大家可以看一下下面这个图,就是用红外热像仪拍摄的样子。



在右边的图片中,颜色越亮就代表这里红外线的波长越短,自然温度也就越高了。这个仪器还有透视的功能,红外线是可以穿透障碍物的。在图左边的科学家一只手被蒙在黑色塑料袋里,我们根本看不见。而在右边却可以看到隐藏起来的手。所以,如果有人在行李箱里面装了小动物想偷偷逃过飞机的安检是不可能的。用这个仪器一看就会发现。在战争中这个仪器也经常被使用。夜晚想要查看隐藏在建筑物里的敌人,只要带上这个仪器,敌人即使躲在墙后面也是会被发现的。

这种现象叫做热辐射现象,经过科学家们观察规律是比较明显的。首先我们要明白,热辐射出来的电磁波可不是只有一种波长,而是一个不同波长的组合。这种组合是有规律的,大家可以先看一下下面这个图。



图上有3条彩色的曲线分别代表了3个温度下的辐射情况,都是中间高两边低。其实这就代表了不论温度高还是温度低,总是那些波长特别小的或是波长特别长的辐射比较少。在图上表现出了就是曲线的左边和右边都比较低。而随着温度变化比较大的是中间,波长不是特别大也不是特别小的那部分。可以看到这部分正好有很多在可见光范围内。所以,温度升高时我们才会看到物体发出的光越来越亮。而且光线还是从红色逐渐变成白色,也是这个道理。

上面这个图是科学家们做了很多实验发现的,也就是说这是真实的情况。按照当时科学家们的想法,这个现象应该没有什么特别的,只要套用现在已经有的科学理论,也就是牛顿和麦克斯韦这一套,应该很轻松就可以解释。

可是当科学家们真的用理论去解释时却傻眼了,好像根本不是这么回事,而且结果还差得很多。大家再看一下上面那个图,其中有条黑线。这条黑线就是用那些理论预测的结果。和实验结果压根就不一样,而且在这个理论的预测下,波长短的电磁波会释放出无限多。这就更不可能了,这可不是符合不符合实验结果的问题了,而是直接打破了物理学中最基本的定律,能量守恒定律。也怪不得开尔文勋爵会把这件事情看做是物理学上的第二朵乌云。

第一朵乌云,也就是光速不变这个问题最终是爱因斯坦用相对论解决的,是在1905年。第二朵乌云的解决要更早,就在开尔文勋爵两朵乌云的演讲之后没几个月,就有人发表了论文说把第二朵乌云的问题解决了。这个人不是别人,就是我们刚才说过的那位年轻人,这个时候他年纪已经不小了。还好他没有听那个物理教授的建议,最终还是选择了物理学。这个人就是著名的物理学家普朗克。


普朗克

他解决这个辐射问题的方法很奇怪,我们平时看到的波都是连续的,其中含有的能量是连续的,可以无限的细分下去。而他却认为光波不是连续的。

大家可以想象这种感觉,假如你有两种武器,一个是普通的机枪,一个是最先进的激光武器。你用机枪射击,虽然连射的速度很快,但是还是可以感觉到子弹是一颗一颗发出去打中目标的。所以机枪射击就不是连续的。可是要换成激光武器呢?只要扣动扳机,激光就会持续地发射,并且持续地打在目标上,这种感觉就是连续的。

普朗克说,问题就出在了这个连续上,如果把电磁波当做是连续的话,最后出来的结果就是会无限大,就是破坏能量守恒。而如果把光看做是水流一样,水流虽然感觉起来是连续的,但如果一直放大的话也都是由一个一个独立的分子组成的。光也是一样,我们虽然看起来是连续的,其实是由一个一个小的能量包组成的。单个能量包所包含的能量大小是和光线的波长有关的,波长越短,也就是每秒钟震动的次数越多,那么单个能量包的能量越大,反之,波长越长,每秒钟震动的次数越少,能量就越少。

只要把光线进行这样的考虑,那么最后计算出来的结果就和事实非常匹配了。没有想到第二朵乌云,竟然又再一次让光粒子学说复活了,虽然这个时候所说的粒子和牛顿的粒子完全是两回事了。我们现在知道,普朗克所说的这个能量包其实就是量子。



当然,其中具体的计算过程是相当复杂的,即使是上了大学,不是这个专业的学生也很难搞明白。我们只需要记得,如果只是考虑有温度的物体会不会产生辐射这个问题,那么不论是光的波动说还是光的粒子说,都可以很容易搞定。问题就出在了,必须能够精确地预测出每种光都分别会发出多少。在这一点上,波动说根本就没有用,不只预测不准,还会破坏能量守恒。反而光粒子说却可以很好的解决这个问题。

令普朗克意想不到的是,他的这一套理论不仅让光粒子学说有了翻身的机会,同时还打开了一扇新的物理学大门,这就是现代物理学的两大基石之一的量子物理。另一个基石,就是另外那朵乌云的答案——爱因斯坦的相对论。曾经科学家们认为物理学已经因为牛顿和麦克斯韦而结束了,不会再有新的知识,现在看来他们的理论还只是真实世界的冰山一角。量子物理和相对论,又分别在极小和极大两个领域开拓了物理学的新边疆。

不过这些都是后话了,此时的普朗克虽然提出了电磁波能量的量子化,但是这些量子背后隐藏的秘密还在等待着某个人来为他揭开。这不是别人,正是爱因斯坦。我们下一次就来讲讲,爱因斯坦是如何解释光的本质的。最后胜利的是光的波动说,还是粒子说会取得最后的胜利呢?下次揭晓答案。


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