一、斗胆聊聊量子物理
　　回忆我的高中时代，在物理的学习过程中一步步地了解这个宇宙的规律。星体，重力，电、磁、光等等让我感觉自己已经掌握了这个世界的所有秘密，宇宙在我心中透明般地运行着。直到那该死的相对论还有量子力学！它们那么难懂，那么晦涩，甚至可以说那么荒谬，一下子让我感到非常沮丧，宇宙也重新变得神秘起来。
　　我相信大部分人和我一样，都是从相对论和量子学这所谓的近代物理学开始搞不懂，甚至开始排斥物理学。应该还有人觉得这两个理论一定是有缺陷的，一定是错误的，相信着科学家有一天会告诉我们一个更容易理解更完美的理论。
　　然而，宇宙就是宇宙，事实就是事实，它不会以我们的意志为转移。自从这两个理论被提出以来的近一个世纪的时间，已经无数次地被证实着它们的正确性。虽然它们有悖常理，但它们确实是这个世界的真相！我们都知道爱因斯坦说：“上帝不会掷骰子”，然而大部分人却不知道玻尔（爱因斯坦关于量子论的论战对手）的回应：“至少，上帝不用我们教他该怎么做”。

　　我们生活在这个时代，这个科学家已经把这个宇宙研究的如此深入的时代，是何等的幸运。如果仅仅因为理论的晦涩就排斥它、远离它而放弃了解宇宙将是多么大的一个遗憾。
　　我不是物理的专业人士，但我想抱着和朋友们一块学习的目的来谈谈量子理论，一起感受感受这个宇宙的奇妙。毕竟它就在我们的身边，和我们的一切都戚戚相关。光，空气，大地，桌椅等等所有所有都是按照它所描述的方式诡异地存在着。
　　当然也希望各种专业人士来挑错。
　　说到现代物理学，当然要从几百年前那个落在人脑袋上的苹果说起。
　　日期：2013-03-17 10:41:40
　　二、牛顿，改变了我们的世界观

　　三四百年前，人们已经知道了地球不是宇宙的中心，天上的日月星辰都是和我们的大地一样的星球。然而这些事情在人们的眼中是很神奇的，理所当然会认为它们是被上帝按照我们所不理解的一种方式在驱动着。能做的只是用数学、几何去描绘、计算它们的运行规律。以敬畏的心理来观察它们。
　　在这样的背景下，牛顿公布了他的万有引力和三大定律。带给人类的震撼是可以想见的，它们解释了我们身边一切！就连天上那神奇的星体，竟然也和我们身边的事物一样按照这规律运行！而这规律又如此的简洁而完美。
　　于是万事万物不再神秘，人类觉得自己已经掌握了宇宙的终极规律，并且开始认为这些物理公式就是宇宙的本质。其实对于今天的我们来说，对客观世界的观念也是主要形成于牛顿定律。虽然量子论和相对论已经展现了世界是完全不同的另一种面貌，但它们并未深入人心。
　　虽然牛顿定律非常完美，但我们即便不去追究万有引力的形成原因，物理学也还有很多事要做。最显而易见的就是光和电。
　　日期：2013-03-17 10:46:41
　　三、经典物理的完美统一
　　其实牛顿给出了自己对于光的理解，他认为光是由非常多的小颗粒组成的，而每一个小颗粒都遵从牛顿定律。虽然胡克在1660年代就发表了光的波动说观点（牛顿定律发表在1687年），1690年惠更斯在他的《光的专著》里也发表了波动说，以及后来也有很多人支持波动说，但由于牛顿在当时无上的权威，“粒子说”是绝对的主流。
　　时间来到1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目，要求解释光的衍射现象。支持波动说的菲涅尔就是当时仅有的两名应征者之一。他用波动的观点给出了科学解释。但遭到了以泊松为首的粒子说支持者的强烈反对，泊松通过计算指出，如果波动说是正确的，那么光在通过一个圆球或圆盘后会在阴影的中间形成一个亮斑，他认为这显然是荒谬的，并希望以此来证明波动说是错误的。但是菲涅尔接受了这个挑战，立即用实验验证。结果真的出现了一个亮斑！泊松本来想要据此反驳波动说，没想到反倒帮助证明了波动说的正确性！菲涅尔大获成功，获得了科学奖，而人们戏剧性地把这个亮斑称作“泊松亮斑”。

　　从此，光的波动说渐渐地为人接受，成为了光学的主流。科学就是这么奇妙，数学公式和推理往往会战胜常识。以后我们还会看到更多类似的例子，一步步击碎我们的常识。

　　除了光以外，科学家对电磁的理解也越来越深入，库仑定律，高斯定律，法拉第定律等等逐步被人类发现。一直到1873年麦克斯韦发表了他的麦克斯韦方程组，还预言了电磁波的存在，并认为光就是电磁波，电磁理论被完美统一。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。
　　至此，人类认为物理学已经接近走到了终点，客观世界的奥妙已经被认识殆尽。比如当时慕尼黑的物理学教授菲利普?冯?约利劝他的一个学生不要学习物理，他认为“这门科学中的一切都已经被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补”。
　　幸运的是，这个学生说“我并不期望发现新大大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”他的名字叫做马克斯?普朗克。而他将点燃量子物理的导火索。
　　日期：2013-03-17 10:56:13
　　四、一个事件需要两个公式，真是糟糕。
　　约利教授当时所说的“不重要的空白“之一，就是关于电磁波辐射的问题。
　　我们知道任何物体都会通过电磁波的形式辐射能量，同时也会以吸收电磁波的形式吸收能量。比如“万物生长靠太阳”，靠的就是太阳的辐射。我们知道太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光组成的，当然还有我们肉眼看不到的红外线，紫外线。而这些都是不同波长的电磁波。也就是说物体是同时以非常多不同波长的电磁波向外辐射能量。
　　当时的科学家尝试研究出固定温度下的物体辐射的能量和波长的关系。也就是想要给出在某一个波长的小区间内（比如波长范围为1厘米-2厘米之间的电磁波）辐射的能量和波长的关系。用数学时表达就是E = f(v).(不喜欢数学的朋友可以略过所有的表达式，应该不至于影响阅读)。
　　当时科学界已经有了这个关系式，但糟糕的很，不是一个，而是两个！（为了严谨，这里说明下：下边的关系式并非用来描述所有辐射的情况，而是用来描述一种特殊的辐射，叫做黑体辐射，有兴趣的朋友可以自行搜索。但是道理都是一样的。）
　　其中一个叫做瑞利-金斯公式，他的原理很简单，就是
　　某一波长区间的能量=该区间的电磁振动数*每个电磁振动包含的能量。
　　相信这个方程大家都能明白。
　　电磁振动数是根据麦克斯韦方程推导出来的，没有问题，关键点是“每个电磁振动包含的能量”，当时电磁理论认为能量和波长无关，所以这个公式是认为这个能量和温度成正比，也就是所有波长电磁振动包含的能量都是（某个固定数*温度）。

　　这个公式推导过程很严格，但不幸的是，它和实验（这个测量实验也包含了科学家的智慧，有兴趣的可以了解下，搜索黑体辐射是可以找到的）结果不符合。并非完全不符合，对于普通的波长区间来说是符合的，但短波的区间内不符合。我们知道紫外线就是短波，所以这个事件就被叫做“紫外线灾难”。
　　于是出现了另外一个公式，而这个公式其实没什么推导原理，就是根据实验结果，按照经验给出的（你说猜的也成），它叫做“维恩公式”。这个公式在短波部分很符合实验结果（因为就是按实验结果凑的嘛），对于普通波长区间又不符合。
　　于是同一个物理事件，需要两个公式来描述，真是一件头疼而糟糕的事情。科学家当然是希望能够找到一个正确统一的公式来解决这个问题。
　　上边提到的普朗克完成了这个工作。但没想到的是，这么一个小事情引发了物理学的巨大革命。
　　日期：2013-03-17 13:06:48
　　五、无意间铸就潘多拉魔盒的钥匙
　　1900年普朗克获得一个和实验结果一致的纯粹经验公式，就是普朗克公式。说他是纯粹经验公式，是因为他得到这个公式的过程实在没什么理论依据。他观察上面说的瑞利-金斯和维恩公式，希望能够把他们统一，就是说希望能够找到一个公式，使它在短波时可以近似为维恩公式，而普通波长时可以近似为瑞利-金斯公式，这样在所有的情况下就可以都符合实验结果了。他摸索这个公式的过程是怎样的呢？

　　当时对辐射的测量工作做的最多的是一个叫做鲁本斯的科学家，据说普朗克几乎每天下午四点都去鲁本斯家里喝咖啡，并拿自己的公式和他的实验结果做对比，如果不符合晚上回家就修改。就这么删删改改的“凑”了两个月，终于得到了与实验结果完美符合的公式。
　　公式是得出来了，也肯定是正确的，因为实践是检验真理的唯一标准嘛。但要发表它，总得搞出一套说的通的推导过程和科学依据，总不能发表的时候说我这是凑出来的吧！
　　于是他就盯着自己的公式研究，他发现这个公式可以分为三部分
　　波长小区间的能量=波长范围内的振动数*未知部分1/未知部分2。

　　这个“波长范围的振动数”和上边所说的瑞利-金斯公式中的是一样的。而未知部分2非常的眼熟，它非常像热力学中一个叫做“熵“的东西。我们可以把熵看做表示无序度的一个量，比如一盒火柴，你把它摆放整齐，就可以认为熵很低，如果搞得很乱，就可以认为熵很高。那就剩下未知部分1了，它是这样的（一个固定的常数*电磁波的频率）。且慢，对比瑞利-金斯公式还少了一样东西，那就是每个波动的能量，那么无疑，未知部分1肯定就是波动的能量了。把无序度和这个能量一杂合，他认为这就是一种类似于空气分子的“光子空气”。每个光子的能量就是（一个固定的常数*电磁波的频率）。

　　于是就按照这个解释发表了，虽然这个解释并不完美，比如爱因斯坦是这样评价的：“普朗克先生运用玻耳兹曼等式的方式在我看来在这一点上是令人费解的,他引进状态的几率而竟没有给这个量下个物理定义如果我们接受他的这种做法,那么玻耳兹曼等式简直没有一点物理意义”。我们不去管他的话中的具体含义，但是说这个公式的推导不那么有说服力是肯定的了。但是，符合实验结果就是硬道理。

　　而正因为这个公式，包含固定能量（固定常数*频率）的“量子”的概念首次被提出，而这个固定常数也被人叫做“普朗克常数”。
　　其实，就连普朗克自己，也认为自己的这个公式和概念只不过是权益之计，适用面很窄，也就仅仅适用于这个实验数据而已。他相信以后一定会找到更合理和适用面更宽的方式来解释这个问题。
　　然而，事情出乎所有人的意料，就是“量子”这个概念，成了打开量子理论这个潘多拉魔盒的钥匙，而使用这把钥匙的人，叫做阿尔伯特?爱因斯坦。
　　日期：2013-03-17 14:43:10
　　六、爱因斯坦与量子理论
　　我们提到爱因斯坦，首先想到的肯定是“相对论”。而且大部分人也知道爱因斯坦非常抵触量子理论，最有名的就是那句“上帝不会掷骰子”，甚至会认为这是他的错误，为他感到遗憾。

　　然而事实往往不像我们看到的那么简单。爱因斯坦是真正发展量子理论的第一个人，他获得的唯一一个诺贝尔奖也是因为量子理论。当然相对论没有获得诺贝尔奖不是因为相对论不够伟大，而是因为相对论还缺少“足够确凿”的证据。当然爱因斯坦后来反对量子理论也是事实，而且这个反对还非常强烈，他和玻尔关于量子理论的论战可以称作是科学史上最伟大的论战。但是我们不能简单地把这个归结成爱因斯坦的错误，或者他的固执，因为爱因斯坦之所以反对量子理论，是因为他比常人更聪明，看的更远，想的也更多。我这么说是有根据的，后边会提到爱因斯坦在这次论战中给我们后人留下的遗产，而这个遗产将给我们展现一个多么神奇的东西！这个东西就叫做“量子纠缠”，一个被称作“上帝效应”或者“幽灵效应”的超乎人类想象的真实存在。

　　当然，现在我们还是要把视线拉回到普朗克提出辐射公式的年代。
　　日期：2013-03-17 15:46:47
　　七、另一个令人头疼的问题。
　　同辐射存在的问题一样，当时完美的物理学还有一个不能解释的现象：光电效应。
　　光电效应是在1887年被德国物理学家赫兹发现的，它指的是这么一个现象：当光照射某些物质时，会有电子激发出来，通俗地说就是会有电子飞出来。
　　乍看起来，这也没什么好奇怪的，物质吸收光的辐射，获得能量，电子能量增多就挣脱了原子的束缚飞出来了嘛。话是这么说，但凡事就怕较真二字，一较真就会发现这个现象可没那么简单，没那么符合常理了。
　　光电效应的实验有着这样的特点：
　　1，飞出来电子的动能和光强没有关系，反而是和光的频率成正比。频率越高，动能越大。
　　2，当频率比某一个值低时，不管你的光强再大，光再亮，照的时间再长，也永远不会发生光电效应。
　　3，只要频率高于2中所述的那一个值，不论光有多弱，也会发生光电效应。
　　4，从光照射到物质，只要频率够大，就会立即发生光电效应（时间间隔不超过10的-9次方秒）。
　　如果我们把辐射电磁波想象成连续不断的传递能量而电子吸收足够的能量后就飞出来的话，上边的特点就完全解释不通。
　　如果有朋友不知道光强和频率的区别，这么说就可以明白了：频率代表电灯的颜色，比如发出荧光灯发白光，钨丝灯发的泛红色的光等等；而光强就是电灯的亮度。现在再考虑下前边的特点应该就会感到奇怪了吧：就是你的电灯只要颜色不对，就是亮瞎眼，物质也是纹丝不动。只要颜色对，就是昏天暗地一丁点的亮度也照样发生光电效应。
　　1887年这个现象被发现以来，一直都得不到合理的解释。
　　再回到普朗克提出的“量子”概念（1900年），当时主流科学界对此并不认可，因为经典的物理学，电磁理论已经解释了太多现象，在太多的领域都得到了证明。科学家们更倾向于努力把普朗克的公式融会到现有的理论体系中。当然这是对于那些老有所成的前辈来说，初出茅庐你的后生可不管那一套。
　　这个后生就是爱因斯坦。他在1905年，把“量子”的概念拿去往光电效应身上一套，发现简直就是是量身定做的一般！

　　日期：2013-03-17 16:04:43
　　八、爱因斯坦对光电效应的解释。
　　我们来看看把“量子”应用到光电效应后的情况：
　　现在，我们不能把光看成是电磁波了，应该把它看成是一个一个的小颗粒。这个小颗粒取个名叫做“光子”。比如电灯发的光，我们就不能把它看成是连续的，而是随机超四面八方乱射的子弹，这个子弹就是光子。我们想象让电灯暗到一定程度，比如每次只能发出一颗子弹，就是每次只放出一个光子。情况将会这样：你家的墙壁随机的这里亮一下，那里亮一下。而不会是熟知的这样：光线越来越暗，但整间房子保持一样的亮度。

　　每颗光子子弹所包含的能量是（普朗克常数*光的频率）--把光当成子弹，但是还得用到它的频率，真是一件很矛盾的事情，但是我们姑且把这个频率当做光子的一个属性对待好了。

　　现在我们考虑这些光子子弹射到物质上发生光电效应的情况：
　　我们假设电子被束缚在原子中，而电子要挣脱这个束缚飞出来所消耗的能量是一个固定值A。那么他吸收一颗光子子弹，如果这颗子弹包含的能量比这个固定值A小的话，显然电子飞不出来，于是就会把这颗光子子弹的能量转化为热能而消耗掉。
　　如果这颗子弹包含的能量>固定值A，那么电子就会吸收这个子弹的能量而挣脱束缚飞出来，飞出来时电子的动能自然就是（光子子弹包含的能量-固定值A）。
　　现在我们用这个模型来解释下光电效应的特点：
　　1，（电子的动能=光子子弹的能量-固定值A），而（光子子弹的能量=普朗克常数*频率）。自然也就有（电子的动能=普朗克常数*频率-固定值A）了。也就是上述第一条的电子动能与频率成正比。
　　2，光子子弹不够，那么不管子弹再多（电灯有多亮），都只能转化为物质的热能，而不会让电子挣脱束缚飞出来
　　3，这一条特点中指的当然就是固定值A了
　　4，吸收一颗子弹用的时间当然是很短的，也不会和往物质上开枪的持续时间有关。
　　于是，光电效应完美的，严丝合缝地被解释清楚了！
　　确实很完美，但我们别被胜利冲昏头脑。还记得那个戏剧性的“泊松亮斑”吗？那可是千真万确的表明光是连续不断的波的啊，这里怎么又成了一颗颗孤立的光子子弹了！这，这，这算个毛的回事啊！
　　日期：2013-03-17 16:26:25
　　九、感到不对劲了吗？究竟哪里不对劲呢？
　　我们回忆一下牛顿定律，为什么接触它的时候给人以茅塞顿开的感觉，而丝毫不会排斥它。
　　现在的普朗克公式和爱因斯坦对光电效应的解释，为什么让我们觉得玄玄乎乎，总有哪里不对劲？
　　为什么同样是物理规律却给人造成如此不一样的感觉？

　　日期：2013-03-17 17:43:47
　　十、现在！马上！立即！丢掉对科学的神秘感，对科学家的神秘感。
　　仔细想想不难发现，牛顿定律的F=ma。之所以让我们接受起来如此的舒服，如此的心甘情愿，是因为力，质量，加速度这些都是我们熟知的事情，在我们身边本来就一直存在。我们自己就可以使劲，自然对“力”这个概念不陌生。质量当然也是如此，因为虽然它和重量不是一个概念，但是重量这个概念却可以很好地帮助我们理解它。加速度，虽然是牛顿新提出的，但我们对速度一词是很熟悉的，加速度就是速度的变化嘛，理解起来也并不困难。而且力气越大物体的速度变化越快也很符合我们的常识，所以牛顿定律更像是帮我们把我们的常识非常清楚的归纳起来了，整理明白了。就像有人帮我们把杂乱的房间整理的清清楚楚，我们当然感到心情愉悦。

　　然而，到了普朗克公式和爱因斯坦所解释的光电效应，情况完全不同了。能量怎么就和频率是倍数关系了呢？而且你把光当做波来看，有频率这个属性当然没问题，但你又把它当做一个颗粒，一个子弹式的东西，怎么还说它有频率呢？而且还说它的能量与频率成倍数关系，这都哪跟哪啊？我们脑子里哪有这些玩意啊？如果说牛顿帮我们把房间整理的清清楚楚，那么量子力学就相当于把我们房间扯的到处都是线，把桌子、椅子、沙发、床、电灯、电脑等等的东西胡乱的都连上绳子。我们怎么会不感觉乱，不感觉不可接受呢？

　　那么科学家为什么要提出这些理论，科学家为什么能提出我们理解不了的理论？难道是因为科学家更聪明吗？难道科学家就能明白为什么光子的能量是频率的倍数了吗？答案是：他们也不理解，他们也搞不懂，他们和我们一样感到不舒服！
　　那么科学家凭什么能提出这些理论呢？我们回忆一下普朗克公式和光电效应解释的过程就能明白。普朗克公式完全是按照数据给凑出来的，他根本不知道公式代表的什么含义，也不知道为什么，但这个公式符合事实了，所以他就公布了。爱因斯坦呢？大量的实验数据清楚的显示能量和频率就是有关系，再结合“量子”的概念，它确实就能够解释的通。
　　现在明白了吗？不是科学家要在我们的家具之间胡乱的扯上绳子，而是这些绳子本来就存在！只不过我们以前没发现罢了！科学家把这些透明的绳子给我们涂上了颜色，展现在了我们面前！科学家和我们一样，也不喜欢这些绳子，也嫌它们烦，嫌它们乱，也不知道这些绳子是为什么，但是实验数据使他们不得不承认绳子的存在！
　　所以，我们不要再感觉科学家神秘了，不要再感觉那些规律高深莫测不可理解了。那些物理公式，物理关系都是无数次的实验数据的总结！
　　也许你看到上边普朗克推导公式的过程感觉好不靠谱，好没科学依据，一定就是个例而已，不会是科学的常态。现在，我们应该认识到，这就是科学的常态！科学就是重复的实验数据，就是设计新的实验，为我们发现新的绳子！
　　当然，作为聪明的人类，不会容许这些绳子把我们的房间搞得乱七八糟的，但我们也不能无视这些绳子的存在。我们应该努力把这些绳子理顺，让我们自己觉得舒服些。这就是关于新的科学发现引发的哲学思考所在做的事!
　　当然了，现在还好，整个宇宙就一个“光”是特殊的，是令我们理不顺的嘛，其他的还都是明明白白的，也还算可以接受。我们慢慢研究，会把它理顺，搞清楚，整理明白的。