音頻在哪里？音頻在這里。
今天是王木頭講科學(xué)的第16期節(jié)目。
來自北京大學(xué)的木頭哥哥是把科學(xué)帶回家的明星主持人，他最擅長給孩子講有趣的科學(xué)。
▼ ▼ 用聽的 ▼ ▼
來自把科學(xué)帶回家
▼ ▼ 用看的 ▼ ▼
麥克斯韋憑借一己之力揭開了光的本質(zhì)。光是波這件事情已經(jīng)是蓋棺定論了，在所有人看來粒子說應(yīng)該是沒有了翻身的機(jī)會。這一項偉大的發(fā)現(xiàn)也讓麥克斯韋成為了和牛頓一樣偉大的科學(xué)家。在當(dāng)時的人看來只要手上有牛頓的力學(xué)定律和麥克斯韋方程，那么世界上的一切現(xiàn)象都可以得到解釋。
1873年當(dāng)麥克斯韋方程組被第一次完整提出來的時候，正有一位年輕人進(jìn)行著艱難的選擇——大學(xué)應(yīng)該學(xué)習(xí)什么專業(yè)。他多才多藝，非常擅長音樂，也很喜歡物理，他還專門去咨詢了當(dāng)時有名的物理學(xué)教授。這位教授卻告訴他，還是不要選擇物理學(xué)了，即使再如何努力也不會更為大的發(fā)現(xiàn)了，以前有牛頓定律，現(xiàn)在又有了麥克斯韋方程，能被研究的問題已經(jīng)幾乎都被研究完了，物理已經(jīng)沒有什么未知的事情了。
開爾文勛爵
和這位教授想法相同的人大有人在。1900年，新世紀(jì)之初，德高望重的物理學(xué)家開爾文勛爵就在一次演講中說到，現(xiàn)在的物理學(xué)已經(jīng)很完美了，剩下的事情就是做一些修修補(bǔ)補(bǔ)。現(xiàn)在的天空中只有“兩朵烏云”，這兩個還都和光有關(guān)，不過他相信這兩個問題很快也會被修補(bǔ)好的。
兩朵烏云中的第一個是我們之前講到過的，在邁克爾遜-莫雷實驗中發(fā)現(xiàn)了光速的不變性。另一個是和熱輻射有關(guān)的。
任何物體只要有溫度都是會放出輻射的，而且溫度越高放出輻射所包含的能量就越多。這里說的輻射就是電磁波了。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道了電磁波和光是一種東西，所以一個物體如果把溫度加熱到很高的時候，它是會放出可見光的。同學(xué)們可以在家長的幫助下試試看，用夾子夾住一根針，放在蠟燭或是煤氣灶上燒，就會發(fā)現(xiàn)隨著針的溫度升高，針會先發(fā)出淡淡的光，這個光的顏色是會從紅色變成黃色最后變成白色的。
紅外熱像儀就是利用了這個原理的。我們?nèi)梭w是有溫度的，所以也會一直釋放著輻射。只不過我們?nèi)说臏囟炔桓撸@個散發(fā)出去的光線不是可見光而是紅外線。紅外熱像儀就是用一個可以接收到紅外線的照相機(jī)去接收這些輻射，然后根據(jù)接受到的紅外線的波長來判斷溫度的高低。溫度越高紅外線的波長越小。
大家可以看一下下面這個圖，就是用紅外熱像儀拍攝的樣子。
在右邊的圖片中，顏色越亮就代表這里紅外線的波長越短，自然溫度也就越高了。這個儀器還有透視的功能，紅外線是可以穿透障礙物的。在圖左邊的科學(xué)家一只手被蒙在黑色塑料袋里，我們根本看不見。而在右邊卻可以看到隱藏起來的手。所以，如果有人在行李箱里面裝了小動物想偷偷逃過飛機(jī)的安檢是不可能的。用這個儀器一看就會發(fā)現(xiàn)。在戰(zhàn)爭中這個儀器也經(jīng)常被使用。夜晚想要查看隱藏在建筑物里的敵人，只要帶上這個儀器，敵人即使躲在墻后面也是會被發(fā)現(xiàn)的。
這種現(xiàn)象叫做熱輻射現(xiàn)象，經(jīng)過科學(xué)家們觀察規(guī)律是比較明顯的。首先我們要明白，熱輻射出來的電磁波可不是只有一種波長，而是一個不同波長的組合。這種組合是有規(guī)律的，大家可以先看一下下面這個圖。
圖上有3條彩色的曲線分別代表了3個溫度下的輻射情況，都是中間高兩邊低。其實這就代表了不論溫度高還是溫度低，總是那些波長特別小的或是波長特別長的輻射比較少。在圖上表現(xiàn)出了就是曲線的左邊和右邊都比較低。而隨著溫度變化比較大的是中間，波長不是特別大也不是特別小的那部分。可以看到這部分正好有很多在可見光范圍內(nèi)。所以，溫度升高時我們才會看到物體發(fā)出的光越來越亮。而且光線還是從紅色逐漸變成白色，也是這個道理。
上面這個圖是科學(xué)家們做了很多實驗發(fā)現(xiàn)的，也就是說這是真實的情況。按照當(dāng)時科學(xué)家們的想法，這個現(xiàn)象應(yīng)該沒有什么特別的，只要套用現(xiàn)在已經(jīng)有的科學(xué)理論，也就是牛頓和麥克斯韋這一套，應(yīng)該很輕松就可以解釋。
可是當(dāng)科學(xué)家們真的用理論去解釋時卻傻眼了，好像根本不是這么回事，而且結(jié)果還差得很多。大家再看一下上面那個圖，其中有條黑線。這條黑線就是用那些理論預(yù)測的結(jié)果。和實驗結(jié)果壓根就不一樣，而且在這個理論的預(yù)測下，波長短的電磁波會釋放出無限多。這就更不可能了，這可不是符合不符合實驗結(jié)果的問題了，而是直接打破了物理學(xué)中最基本的定律，能量守恒定律。也怪不得開爾文勛爵會把這件事情看做是物理學(xué)上的第二朵烏云。
第一朵烏云，也就是光速不變這個問題最終是愛因斯坦用相對論解決的，是在1905年。第二朵烏云的解決要更早，就在開爾文勛爵兩朵烏云的演講之后沒幾個月，就有人發(fā)表了論文說把第二朵烏云的問題解決了。這個人不是別人，就是我們剛才說過的那位年輕人，這個時候他年紀(jì)已經(jīng)不小了。還好他沒有聽那個物理教授的建議，最終還是選擇了物理學(xué)。這個人就是著名的物理學(xué)家普朗克。
普朗克
他解決這個輻射問題的方法很奇怪，我們平時看到的波都是連續(xù)的，其中含有的能量是連續(xù)的，可以無限的細(xì)分下去。而他卻認(rèn)為光波不是連續(xù)的。
大家可以想象這種感覺，假如你有兩種武器，一個是普通的機(jī)槍，一個是最先進(jìn)的激光武器。你用機(jī)槍射擊，雖然連射的速度很快，但是還是可以感覺到子彈是一顆一顆發(fā)出去打中目標(biāo)的。所以機(jī)槍射擊就不是連續(xù)的。可是要換成激光武器呢？只要扣動扳機(jī)，激光就會持續(xù)地發(fā)射，并且持續(xù)地打在目標(biāo)上，這種感覺就是連續(xù)的。
普朗克說，問題就出在了這個連續(xù)上，如果把電磁波當(dāng)做是連續(xù)的話，最后出來的結(jié)果就是會無限大，就是破壞能量守恒。而如果把光看做是水流一樣，水流雖然感覺起來是連續(xù)的，但如果一直放大的話也都是由一個一個獨立的分子組成的。光也是一樣，我們雖然看起來是連續(xù)的，其實是由一個一個小的能量包組成的。單個能量包所包含的能量大小是和光線的波長有關(guān)的，波長越短，也就是每秒鐘震動的次數(shù)越多，那么單個能量包的能量越大，反之，波長越長，每秒鐘震動的次數(shù)越少，能量就越少。
只要把光線進(jìn)行這樣的考慮，那么最后計算出來的結(jié)果就和事實非常匹配了。沒有想到第二朵烏云，竟然又再一次讓光粒子學(xué)說復(fù)活了，雖然這個時候所說的粒子和牛頓的粒子完全是兩回事了。我們現(xiàn)在知道，普朗克所說的這個能量包其實就是量子。
當(dāng)然，其中具體的計算過程是相當(dāng)復(fù)雜的，即使是上了大學(xué)，不是這個專業(yè)的學(xué)生也很難搞明白。我們只需要記得，如果只是考慮有溫度的物體會不會產(chǎn)生輻射這個問題，那么不論是光的波動說還是光的粒子說，都可以很容易搞定。問題就出在了，必須能夠精確地預(yù)測出每種光都分別會發(fā)出多少。在這一點上，波動說根本就沒有用，不只預(yù)測不準(zhǔn)，還會破壞能量守恒。反而光粒子說卻可以很好的解決這個問題。
令普朗克意想不到的是，他的這一套理論不僅讓光粒子學(xué)說有了翻身的機(jī)會，同時還打開了一扇新的物理學(xué)大門，這就是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一的量子物理。另一個基石，就是另外那朵烏云的答案——愛因斯坦的相對論。曾經(jīng)科學(xué)家們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)因為牛頓和麥克斯韋而結(jié)束了，不會再有新的知識，現(xiàn)在看來他們的理論還只是真實世界的冰山一角。量子物理和相對論，又分別在極小和極大兩個領(lǐng)域開拓了物理學(xué)的新邊疆。
不過這些都是后話了，此時的普朗克雖然提出了電磁波能量的量子化，但是這些量子背后隱藏的秘密還在等待著某個人來為他揭開。這不是別人，正是愛因斯坦。我們下一次就來講講，愛因斯坦是如何解釋光的本質(zhì)的。最后勝利的是光的波動說，還是粒子說會取得最后的勝利呢？下次揭曉答案。
聯(lián)系客服
