量子论的诞生

量子力学以一种迂回的方式，出来搭救这些自我毁灭的经典原子。它始于一个并非存心要闹革命的德国物理学家普朗克。普朗克的工作实际上要比卢瑟福的原子模型早10年。当时所有的理论都不能够解释一个物体的温度和它发出的电磁辐射的量之间的关系：比如，一个烧红了的火钳，当再加热时为什么会变白。当时的理论学家是根据一种理想的模型来做出预言的，这种模型叫做“黑体”，它百分之百地发出或吸收辐射。在辐射谱的红端也就是低频部分，黑体模型与实验符合得很好。对于高频部分，它预言物体将发出无穷大的能量。这个荒谬的结果被戏称为“紫外灾难”。事实上，观测表明，辐射的密度在高频和低频端都很小，而在中间某个地方出现有一个峰，峰的位置决定于发出辐射的物体的温度。

到了19世纪90年代后期，人们把一些近似的定律拼凑在一起，用来拟合黑体辐射的实验测量结果。但是，对于辐射密度随着频率变化的规律，一直等到1900年10月19日，才由普朗克在德国物理学会的一次会议上，给出了一个令人满意的解释。他的这一个历史性的宣布，其根源要追溯到1897年他和玻尔兹曼的一次争论，在那次争论中，玻尔兹曼建议他用一种统计方法去解决问题。普朗克是当时最重要的热力学家之一，他自然希望热力学能够解决黑体问题。玻尔兹曼首先创立了一种统计力学方法作为热力学的基础，这种方法的根据是假设原子和分子存在。作为一个原子论的反对者，普朗克当时拒绝用这种方法。其实早在1891年的一次偶然见面中，玻尔兹曼就曾对普朗克和奥斯特瓦尔德谈到，在他看来，“没有理由认为，能量不是分成一个一个‘原子’的”。作为一个老派物理学家的普朗克，最终反悔而接受了玻尔兹曼的建议。他最后得到的定律对黑体谱给出了十分漂亮的描述。

为了导出他的定律，普朗克确实不得不假定，电磁辐射所携带的能量是一份一份的，他把这叫做量子。他发现，像物质一样，能量也只能被分成为有限的份数，而不是无限多份。他这个工作的中心点是一个数学关系，它表明，量子的能量可以用辐射的频率，乘以一个新的基本自然常数来计算，现在这个常数就被称为普朗克常数。能量和辐射频率之间的这一简单的“普朗克关系”，实际上说明了能量和频率是同一种东西，只不过是用不同的单位来表示罢了。再一次是爱因斯坦，他把这个理论向前推进了一大步。他对量子论做出卓越贡献是在1905年，在这一年，他关于相对论和布朗运动的论文发表在《物理学年刊》上。实际上，正是由于他在量子论方面的这一突破而不是相对论，使他获得了1921年的诺贝尔物理学奖（这一消息是1922年发布的）。他这一成就解决的中心问题，是所谓的光电效应。实验表明，照射在固体金属表面上的光，可以使金属发射出电子。这些电子的能量不随光的强度变化，而是随光的颜色变化。这样的行为完全不能用经典的电磁理论来说明，因为按照这一理论，光的强度越大，从金属里面打出的电子的速度也就越大。但实际观测到的是，当颜色给定时增加光的强度，只会打出更多的电子，而电子的能量却保持不变。为了解释这个现象，爱因斯坦认为，能量是以微小份额的形式由光线携带的，他把这称为“光量子”。比较亮的光线表明有更多的量子——所以能从金属中打出更多的电子。频率比较高的光意味着更大的量子，所以逃逸出来的电子会具有更大的速度。在某一量子尺度下，电子就完全不能够获得足够的能量而离开金属表面。

对他（完全基于演绎）的特殊解释，人们当时是表示怀疑的。因为尽管有普朗克早先的工作，但人们仍然普遍认为，电磁辐射的能量是连续的。爱因斯坦的建议在某种意义上是说，光是由微粒构成的，这是牛顿支持的一种观点，它早在1678年就已经被荷兰惠更斯的光的波动说所取代了。波动说看上去是如此优美，它清清楚楚地解释了一系列光学现象，例如折射、反射和干涉（当从两个光源发出的光叠加在一起时，就会发生干涉，这时候产生明暗相间的干涉条纹），因而使人们不愿放弃。

实验物理学家们用了许多年时间，详细地检验了爱因斯坦的光电效应理论。到了1916年，它被完全证实了。这个理论的非凡成功，最终迫使科学家们在20世纪20年代重新考虑光的本质。然而，令人啼笑皆非的是，这一理论与波动理论的冲突，却使爱因斯坦在其后半生中忧虑不安。他总是强调，光量子说只是一种暂时性的假定。1951年12月12日，那时他已近垂暮之年，他写信给他的朋友贝索说：“这50年来，冥思苦想并没有让我接近这个问题的答案：什么是光量子？当今任何一个普通人，都认为他知道这个答案，但是他是错的。”尽管爱因斯坦本人的保留态度，光的这一独特的存在形式，今天已经被毫不含糊地证实了。光量子被命名为“光子”，这是物理化学家列维斯1926年建议的。