67 量子物理的诞生：黑体辐射

德国物理学家普朗克被称为“量子物理之父”，是因为普朗克提出了光量子的概念，从而解释了19世纪末至20世纪初飘在“经典物理大厦头上两朵乌云”之一的黑体辐射问题。

我们给一个物体加热，譬如说一块铁，当温度升到一定程度时，它就会开始发光，这就是热辐射现象。但是铁并不是“黑体”，因为它并不会把照射到它上面的光线尽数吸收，而是会反射一部分光线，这就是为什么铁看上去不是纯黑的。黑体是一种理想中的物体，我们假设它会100%吸收入射的电磁波。当然黑体不会只吸收电磁波，否则根据能量守恒，它的温度将永远升高。当吸收能量以后，黑体原子中的电子将被激发到高能级，但是高能级不稳定，它会掉落回低能级并释放光子。其实一块铁即便不被加热而是处在室温状态，它也会辐射电磁波，只不过在室温状态下，它辐射的电磁波主要处在红外线波段，并非可见光，所以看上去它并不发光，如果用红外夜视仪看的话，是可以看到它辐射出红外线的。

黑体辐射的问题就是，当我们给一块黑体加热时，它所辐射电磁波频率的分布问题。根据实验结果所知，在任何温度下，黑体辐射电磁波的频率，永远是极低频率和极高频率的占比少，中间段的频率占比多，是一条两头小、中间大的“钟”形曲线。问题就出在这个曲线的形状上。用当时所有的经典理论去计算这条曲线，发现永远都得不出这样两头小、中间大的规律，要么是低频段符合得很好，高频段南辕北辙，要么是高频段符合得好，低频段却驴唇不对马嘴。

而普朗克只做了一件事就彻底解决了这个问题。普朗克假设黑体辐射的电磁波的能量是量子化的，也就是他假设电磁波的发射跟子弹一样，是“一颗一颗”发射出来的，而非如水流一般连续地流淌出来。普朗克假设电磁波是以“光量子”的形态辐射出来的。没想到如此一番假设，算出来的辐射曲线居然跟实验曲线符合得严丝合缝。

后来我们知道了，原子里电子的能级是量子化的，所以发射出来的电磁波自然是以光子的形式辐射的。但即便得到了正确的结果，普朗克自己都无法说服自己这个假设是正确的。当时的人完全没有能量量子化的概念，普朗克认为自己只是使用了数学上的一个技巧而已，并不认同自己的假设，他认为这种光量子完全无法从物理上理解。即便如此，普朗克还是获得了诺贝尔物理学奖，并被同行尊称为“量子物理之父”。