不愛套路的宇宙精靈：普朗克量子常數

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所謂「黑體」，是指對光不反射、只吸收，但卻能發出輻射的物體。

但黑體看起來並不總是「黑」的，它的顏色取決於它的溫度。人們從日常生活經驗中能夠知道，如果你把撥火棍插入火爐中，它的顏色將會隨著溫度的變化而變化:溫度逐漸升高後，它會變成暗紅色，然後是更明亮的紅色，然後是亮眼的金黃色，再後來還可能呈現出藍白色。

但人們想不到的是，撥火棍上的物理，竟然隱藏著一場革命。德國物理學家普朗克(Max Planck,1858-1927年)雖然思想保守，卻在量子力學的誕生史上充當了一次革命者。

但普朗克並沒有提出光量子的思想，直到1905年，26歲的愛因斯坦對光電效應的貢獻才真正使人們看到了量子概念所閃現的曙光。愛因斯坦認為，光線的能量不是連續的，而是以一個一個光量子的形式存在。

普朗克對黑體輻射的解釋，以及愛因斯坦對光電效應的解釋，顛覆了光波的「連續」性，代之以一個一個的光子。然而，我們平時卻感覺不到光的粒子性。太陽光照到臉上，溫暖的感覺像是連續傳遞過來的，不像有一個一個的粒子打到臉上，那是因為每個光子的能量是個很小的數值。

量子力學將光理解成一個一個的「光子」，表面看起來像是又回到了牛頓的微粒說。但光子的概念與牛頓的「光微粒」完全不是一碼事，並且，量子力學並未否認光的波動性，而認為光具有二象性，既是粒子又是波。

量子理論是一場革命，它既與經典理論迥異，又與經典理論有千絲萬縷的聯繫。隨著物理的研究深入到比原子更小的微觀世界，物理學家們發現了一個又一個不可思議的物理現象，但謬誤往往孕育著真理，矛盾和困難發掘著人們的想像。

正是這些從連續到離散的擴展，造就了一個接一個的量子英雄。

1900年，普朗克為解決經典的黑體問題而首次提出量子概念，引入普朗克常數，揭開了量子物理的序幕；1905年，愛因斯坦為解釋經典光電效應提出了光量子；1913年，玻爾提出半經典原子模型；1923年，德布羅意提出物質波的概念；1922年，玻色將統計概念擴展到量子，提出玻色一愛因斯坦統計；1925年，泡利提出不相容原理、海森伯創立矩陣力學……

量子理論建立在光和物質二象性的基礎上。這種效應只在尺度很小的範圍內，即微觀世界中才會顯現出來。多大的尺寸才算微觀世界呢？這與普朗克常數h有關。普朗克常數h的數值很小，凡是需要用量子來解釋的場合它都會出現。它就像是被普朗克放出到微觀世界的一個精靈，從量子的概念產生了許多與人們經典觀念完全不同、難以接受的結論。

普朗克曾經為自己釋放出了這個量子精靈誠惶誠恐、後悔莫及，花了十幾年的時間研究如何將此怪物收回去，重新壓進箱底！也就是說，普朗克試圖發展一種沒有量子妖精的理論，來解釋黑體輻射及微觀世界的一些怪異現象，但卻未能成功。

精靈一旦被放出了潘多拉的盒子，就再也收不回去了。與普朗克的願望相反，與經典理論相衝突的量子現象越來越多，量子精靈在微觀世界大鬧天宮、難以收拾、大放異彩。

整理節選自《愛因斯坦與萬物之理：統一路上的人和事》，購書請戳「閱讀原文」

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