主题：【科学史话】量子世界——上帝之手

一、斗胆聊聊量子物理
回忆我的高中时代，在物理的学习过程中一步步地了解这个宇宙的规律。星体，重力，电、磁、光等等让我感觉自己已经掌握了这个世界的所有秘密，宇宙在我心中透明般地运行着。直到那该死的相对论还有量子力学！它们那么难懂，那么晦涩，甚至可以说那么荒谬，一下子让我感到非常沮丧，宇宙也重新变得神秘起来。
我相信大部分人和我一样，都是从相对论和量子学这所谓的近代物理学开始搞不懂，甚至开始排斥物理学。应该还有人觉得这两个理论一定是有缺陷的，一定是错误的，相信着科学家有一天会告诉我们一个更容易理解更完美的理论。
然而，宇宙就是宇宙，事实就是事实，它不会以我们的意志为转移。自从这两个理论被提出以来的近一个世纪的时间，已经无数次地被证实着它们的正确性。虽然它们有悖常理，但它们确实是这个世界的真相！我们都知道爱因斯坦说：“上帝不会掷骰子”，然而大部分人却不知道玻尔（爱因斯坦关于量子论的论战对手）的回应：“至少，上帝不用我们教他该怎么做”。
我们生活在这个时代，这个科学家已经把这个宇宙研究的如此深入的时代，是何等的幸运。如果仅仅因为理论的晦涩就排斥它、远离它而放弃了解宇宙将是多么大的一个遗憾。

我不是物理的专业人士，但我想抱着和朋友们一块学习的目的来谈谈量子理论，一起感受感受这个宇宙的奇妙。毕竟它就在我们的身边，和我们的一切都戚戚相关。光，空气，大地，桌椅等等所有所有都是按照它所描述的方式诡异地存在着。
当然也希望各种专业人士来挑错。
说到现代物理学，当然要从几百年前那个落在人脑袋上的苹果说起。

二、牛顿，改变了我们的世界观
三四百年前，人们已经知道了地球不是宇宙的中心，天上的日月星辰都是和我们的大地一样的星球。然而这些事情在人们的眼中是很神奇的，理所当然会认为它们是被上帝按照我们所不理解的一种方式在驱动着。能做的只是用数学、几何去描绘、计算它们的运行规律。以敬畏的心理来观察它们。
在这样的背景下，牛顿公布了他的万有引力和三大定律。带给人类的震撼是可以想见的，它们解释了我们身边一切！就连天上那神奇的星体，竟然也和我们身边的事物一样按照这规律运行！而这规律又如此的简洁而完美。
于是万事万物不再神秘，人类觉得自己已经掌握了宇宙的终极规律，并且开始认为这些物理公式就是宇宙的本质。其实对于今天的我们来说，对客观世界的观念也是主要形成于牛顿定律。虽然量子论和相对论已经展现了世界是完全不同的另一种面貌，但它们并未深入人心。
虽然牛顿定律非常完美，但我们即便不去追究万有引力的形成原因，物理学也还有很多事要做。最显而易见的就是光和电

三、经典物理的完美统一
其实牛顿给出了自己对于光的理解，他认为光是由非常多的小颗粒组成的，而每一个小颗粒都遵从牛顿定律。虽然胡克在1660年代就发表了光的波动说观点（牛顿定律发表在1687年），1690年惠更斯在他的《光的专著》里也发表了波动说，以及后来也有很多人支持波动说，但由于牛顿在当时无上的权威，“粒子说”是绝对的主流。
时间来到1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目，要求解释光的衍射现象。支持波动说的菲涅尔就是当时仅有的两名应征者之一。他用波动的观点给出了科学解释。但遭到了以泊松为首的粒子说支持者的强烈反对，泊松通过计算指出，如果波动说是正确的，那么光在通过一个圆球或圆盘后会在阴影的中间形成一个亮斑，他认为这显然是荒谬的，并希望以此来证明波动说是错误的。但是菲涅尔接受了这个挑战，立即用实验验证。结果真的出现了一个亮斑！泊松本来想要据此反驳波动说，没想到反倒帮助证明了波动说的正确性！菲涅尔大获成功，获得了科学奖，而人们戏剧性地把这个亮斑称作“泊松亮斑”。

三、经典物理的完美统一
其实牛顿给出了自己对于光的理解，他认为光是由非常多的小颗粒组成的，而每一个小颗粒都遵从牛顿定律。虽然胡克在1660年代就发表了光的波动说观点（牛顿定律发表在1687年），1690年惠更斯在他的《光的专著》里也发表了波动说，以及后来也有很多人支持波动说，但由于牛顿在当时无上的权威，“粒子说”是绝对的主流。
时间来到1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目，要求解释光的衍射现象。支持波动说的菲涅尔就是当时仅有的两名应征者之一。他用波动的观点给出了科学解释。但遭到了以泊松为首的粒子说支持者的强烈反对，泊松通过计算指出，如果波动说是正确的，那么光在通过一个圆球或圆盘后会在阴影的中间形成一个亮斑，他认为这显然是荒谬的，并希望以此来证明波动说是错误的。但是菲涅尔接受了这个挑战，立即用实验验证。结果真的出现了一个亮斑！泊松本来想要据此反驳波动说，没想到反倒帮助证明了波动说的正确性！菲涅尔大获成功，获得了科学奖，而人们戏剧性地把这个亮斑称作“泊松亮斑”。

四、一个事件需要两个公式，真是糟糕。
约利教授当时所说的“不重要的空白“之一，就是关于电磁波辐射的问题。
我们知道任何物体都会通过电磁波的形式辐射能量，同时也会以吸收电磁波的形式吸收能量。比如“万物生长靠太阳”，靠的就是太阳的辐射。我们知道太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光组成的，当然还有我们肉眼看不到的红外线，紫外线。而这些都是不同波长的电磁波。也就是说物体是同时以非常多不同波长的电磁波向外辐射能量。
当时的科学家尝试研究出固定温度下的物体辐射的能量和波长的关系。也就是想要给出在某一个波长的小区间内（比如波长范围为1厘米-2厘米之间的电磁波）辐射的能量和波长的关系。用数学时表达就是E = f(v).(不喜欢数学的朋友可以略过所有的表达式，应该不至于影响阅读)。

当时科学界已经有了这个关系式，但糟糕的很，不是一个，而是两个！（为了严谨，这里说明下：下边的关系式并非用来描述所有辐射的情况，而是用来描述一种特殊的辐射，叫做黑体辐射，有兴趣的朋友可以自行搜索。但是道理都是一样的。）
其中一个叫做瑞利-金斯公式，他的原理很简单，就是
某一波长区间的能量=该区间的电磁振动数*每个电磁振动包含的能量。
相信这个方程大家都能明白。

当时科学界已经有了这个关系式，但糟糕的很，不是一个，而是两个！（为了严谨，这里说明下：下边的关系式并非用来描述所有辐射的情况，而是用来描述一种特殊的辐射，叫做黑体辐射，有兴趣的朋友可以自行搜索。但是道理都是一样的。）
其中一个叫做瑞利-金斯公式，他的原理很简单，就是
某一波长区间的能量=该区间的电磁振动数*每个电磁振动包含的能量。
相信这个方程大家都能明白。

长无关，所以这个公式是认为这个能量和温度成正比，也就是所有波长电磁振动包含的能量都是（某个固定数*温度）。
这个公式推导过程很严格，但不幸的是，它和实验（这个测量实验也包含了科学家的智慧，有兴趣的可以了解下，搜索黑体辐射是可以找到的）结果不符合。并非完全不符合，对于普通的波长区间来说是符合的，但短波的区间内不符合。我们知道紫外线就是短波，所以这个事件就被叫做“紫外线灾难”。
于是出现了另外一个公式，而这个公式其实没什么推导原理，就是根据实验结果，按照经验给出的（你说猜的也成），它叫做“维恩公式”。这个公式在短波部分很符合实验结果（因为就是按实验结果凑的嘛），对于普通波长区间又不符合。
于是同一个物理事件，需要两个公式来描述，真是一件头疼而糟糕的事情。科学家当然是希望能够找到一个正确统一的公式来解决这个问题。
上边提到的普朗克完成了这个工作。但没想到的是，这么一个小事情引发了物理学的巨大革命。

为了方便理解，这里的公式都转化为简单的字面意思了。比如“该区间的电磁振动数”里边就包含了很多信息，也并不是一个简单的固定的数，而是一个很复杂的计算的结果。感兴趣的朋友可以按照公式名称自行搜索