普朗克的天才假设：如果能量并不是连续的

1887 年，德国物理学家赫兹做了一个实验，发现了大名鼎鼎的光电效应。

赫兹在研究电磁波的实验中发现，如果用一束光照射在相隔得很近的两个铜球上，铜球之间会产生电火花。他当时并不知道，这就是日后大名鼎鼎的“光电效应”。当金属被光照射到的时候，就会有电子跑出来。但是，并不是什么光都行，比如紫色光能打出电子，但黄色光就不行。原来，光的颜色是由光波的频率决定的，振动得越快，表示频率越高。对于某种特定的金属来说，只有当频率超过了某个数值，才能打出电子来，否则，哪怕照射的时间再长，也不能打出电子来。

这个现象立即就让波动派的物理学家们感到震惊，他们感到波动学说的理论根基被动摇了，为什么呢？因为波的能量传递是连续的，如果光是一种波，也就意味着光的能量是连续不断地被金属所吸收的，那么电子在吸够了能量后，就应该跑出来了嘛。

这个实验成了很多物理学家们的梦魇，直到 1905 年，一位大神的出现，才解决了这个难题，他就是爱因斯坦。

而爱因斯坦是受到了另外一位著名物理学家——普朗克的启发。在19 世纪中后期，西方各个主要工业国家都在大炼钢铁。当时的人怎么测量钢水温度呢？答案是：用眼睛看。钢铁在被加热的过程中，先是微微发红，然后变得通红通红，再变成黄色。假如温度再高，就会变成青白色。有经验的炼钢工人通过观察钢水的颜色，就能估算出温度，但精确度难以得到保证。

于是，当时的科学家们想搞清楚温度与发光颜色的精确数学关系，也就是温度与光频率之间的数学关系式。但是之前找到的公式不能很好解决这个问题，要么在高温发散，要么在低温发散。直到普朗克第一个找到了不发散的公式，就是普朗克“黑体辐射公式”。

普朗克公式中有个假设很奇怪，就是：能量有一个最小单位，高温的物体发射出的某种频率的光是一份一份发射出来的，而不是连续发射出来的。

普朗克陷入了深深的忧虑之中。因为以伽利略、牛顿为首的经典物理学家们都有一个最最基本的信念，那就是一切都是连续的，一切都是可以被不断细分的。米可以拆分成厘米，厘米可以拆分成毫米，还可以继续拆分成微米、纳米。但是，普朗克为了计算出黑体辐射公式，不得不推翻了这个观念，他只能假定能量是不能被无限细分的，而是有一个最小颗粒的。这对观念的冲击实在是太大了。

如果一个物理量是一份一份，是不连续的，就被称为“量子化”，但普朗克自己都难以接受这样的假定。而爱因斯坦却将光电效应与普朗克的理论联系在了一起。

爱因斯坦想，原子对光的吸收也是一份一份的，每一份叫做一个“光量子”，也就是后来说的光子。每个光子的能量和频率成正比，就是说频率越高，能量越大。只有能量足够大的一个光子，才能把一个电子从原子里边砸出来。假如频率不够高，那么任凭你怎么砸，都是没有用的。

这就是爱因斯坦对于光电效应的解释。美国的密立根做了 10 年的实验，经历了千辛万苦，终于证明了爱因斯坦是对的。光电效应清晰地表明，光具有粒子的特性，一颗颗光子就像一颗颗炮弹。牛顿的微粒说来了一次逆袭。科学家们终于认识到，光既是一种波也是一颗一颗的粒子，是波还是粒子，关键看你如何测量，这就是光的波粒二象性。

波粒二象性开启了量子力学的大门，而量子力学将为人类打开一片神奇无比的新大陆。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：科学声音

审核：夸密量子创始人兼CEO 前墨子号卫星团队成员 张文卓

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司