【创作培育计划】“炉火纯青”有依据？光和量子有何关系

在生活中，我们对光很熟悉，对量子却觉得陌生。其实，光和量子的联系非常密切。今天讲一讲光和量子。

“三光日月星”，太阳、月亮和星星是人类最早熟悉的光源。太阳一直是我们身边最常见、用途最大的光源。月亮太暗，星星只是点缀。自然界还有雷电和野火，以及萤火虫的冷光。控制火是人类历史上的重大发明，燧人氏钻木取火的传说就是文化上的遗迹。

物体温度升高以后会发光，随着温度的升高，发光的颜色还会变化。以前的白炽灯就是这样发光的：将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光。为了解释这种现象，著名物理学家普朗克尝试了经典物理学里的各种方法，都没有成功，最后被迫提出了量子的概念，从而掀起了20世纪的物理学革命。具体地说，光携带的能量必须是量子化的，这个能量等于普朗克常数乘以光的频率。

在19世纪末，实验学家相当精确地测量了物体的温度和发光颜色的对应关系，更准确地说，就是在特定的温度下，物体的发光波长的分布情况。他们发现，波长的分布表现为一个峰，绝大部分的能量都聚集在那里，对于太长的波长和太短的波长，都没有什么能量。峰值波长随着温度的升高而变短，所以物体温度的变化导致发光颜色的变化。但是，在解释这些实验结果的时候，他们遇到了困难。

经典物理学能理解为什么能量在长波长区很少，但是不能解释为什么短波长区的能量也很少。经典物理学认为，在分配能量的时候，应该一视同仁，不管波长的长短有什么差别，每种光都应该拿到相同的能量（与温度的高低有关），这就是所谓的能量均分定理。

但是，光的波长是可以无限制地变短的，也就是说，光的种类有无限多，如果每种光都平等地获得相同数量的能量，系统的总能量就变得无限大了，太不合理了——这就是所谓的紫外灾难。这个名字的来源是，紫外光的波长比可见光和红外光的波长短。这个问题就是19世纪末“物理学天空上的两朵乌云之一”。

为了解决这个问题，普朗克引入了量子的概念。他认为，每种光能够得到的能量不是连续可变的，而是一份一份的，最小的能量是普朗克常数乘以光的频率。如果这份能量大于物体温度对应的能量，这种光就不能得到能量。换句话说，经典物理学的能量均分定理不成立，每种光是不平等的，只有那些每次要求的能量小于物体温度的光，才能够得到，太贪心的光（也就是波长太短的光）是得不到能量的。

也就是说，普朗克的公式可以揭示解释“炉火纯青”这个成语所描述的实验现象：炉子里的火焰颜色从金黄色转变为青色，表明炉温有了显著的提升，这在冶炼的实践中非常重要。从钢水的颜色来判断炼钢炉里的温度，现在仍然是钢厂里采用的方法。

普朗克的公式还可以解释太阳光的颜色：正是因为太阳表面的温度高达5000多度，太阳发出的光才覆盖了赤橙黄绿青蓝紫的可见光波段。通过测量宇宙微波背景辐射的波长分布情况，微波也是电磁波，可以认为，它是波长很长的“光”，利用普朗克公式还可以得到宇宙的温度，大约是3开尔文，也就是摄氏零下270多度，给出“宇宙大爆炸”理论的一个重要的实验观测证据。

当然，普朗克的贡献不仅在于他的模型和公式能够完美地解释实验结果，更重要的是，他提出的量子概念改变了我们对微观世界的看法，最终带来了20世纪的物理学革命。