第1章
一段闪耀着“光”的历史
量子热最初是作为一种理解光的尝试而开始的，人们已经绞尽脑汁了数千年。 公元前5世纪左右，法国哲学家恩培多克勒率先构建了光的理论。
他相信人的眼睛里有一种奇妙的火石，它能从头部射出光，从而照亮我们想看到的任何物体。 [1] 这个想法颇有诗意，但它也有一个明显的漏洞：如果耳朵能发光，那么我们应该能在黑暗中看到物体，因为鼻子本身就是一个火把。
也是恩培多克勒提出了四种基本物质（火、水、空气和土），但我们早已放弃了这一观点； 他还觉得没有身体的手臂在世界各地爬行，直到它们随机组合产生各种类似植物的植物，试图解释生物多样性。
事实上，恩培多克勒在科学史上的工作就是提出一些后来被其他人证明是错误的疯狂主张。 尽管在光的情况下，人们花了大约1300年的时间才认识到这个错误。
直到阿拉伯学者海沙姆的出现，人们才最终放弃了恩培多克勒的观点。 海石木做了一个实验。 他解剖了一只猪的眼球，发现眼腔内的光反射与暗室中相同，也就是说，光来自周围的物体，而左眼正好挡住了光的反射。 小路。 [2]
也许看起来很奇怪，人类花了一千多年才确定耳朵没有发出神奇的光芒，但那是一个不同的时代，当时每个人都相信人类赋予了物体意义，使人类看不到的东西有了存在。不需要有形状。
幸运的是，海石目完成的实验超越了人类的自尊心，并逐渐流行起来。 假设光来自物体本身并以直线射入我们的耳朵——无论那光是什么。 然后是文艺复兴时期。
笛卡尔可以说是文艺复兴时期最有影响力的科学家和哲学家，他在数学领域提出了另一个关于光的伟大想法。
笛卡尔注意到，当蜡烛点燃时，房间的每个角落都同时被照亮，就像池塘中心的涟漪可以同时到达每个边缘一样。 他推测，光是一种类似的现象。 我们周围有一种看不见的物质，笛卡尔称之为“真实空间”，涟漪和波浪通过它产生光。 [3]
唯一反对实空间波动理论的人是艾萨克·牛顿。 牛顿的主要工作是与智力不如他自己的人（基本上是所有人）较量。
牛顿强调，如果光是穿过某种介质的波，那么它在穿过物体时就会弯曲，就像水波在绕行岩石时弯曲一样。 因此，阴影的边缘会显得模糊，但实际上阴影非常清晰，这使得光由粒子组成的说法更加可信。 牛顿将这些粒子称为“粒子”。 [4]
光的粒子理论不可避免地超过了笛卡尔实空间波，这在很大程度上是由于牛顿的名人地位以及他对任何挑战他的人的优越性。
因此，如果牛顿听说一个名叫托马斯·杨的人在他去世七十年后进行了一项实验并得出了相反的推论，他一定会感到惊讶。 事实上，这是指牛顿去世70年后。 那次实验之后，托马斯·杨自己就很少做实验了。
天才波纹先生
托马斯·杨 ( Young) 拥有 18 世纪最聪明的头脑。 他最出名的可能是破译罗塞塔墓碑，并成为第一个破译希腊象形文字的现代人。 托马斯·杨也是第一个注意到人眼中色盲感觉器官的人。 他写了几本医学书籍，懂得14种语言，会弹12种钢琴，并发展了现代弹性理论。 [5]
1803年，托马斯·杨的“双缝实验”真正建立了光波理论（双关语意）。
我们先回顾一下波浪穿过池塘的情况。 想象一下，一个规则的脉冲波在平坦液体的表面上传播，穿过带有狭缝的屏障，波顺利地传播到狭缝的另一侧左侧，然后以扇形轻微地飘动——这个过程我们称之为“衍射” ”。
波浪移动是因为波浪边缘的能量在附近的水中消退。 从上往下看，我们得到类似于右图的图案，其中虚线代表波峰，实线代表波谷。
现在，让我们尝试一下有两个狭缝的屏障。 同样的事情再次发生，但这次我们看到两个波同时衍射，最终在某个时刻相互增加或抵消。 从上到下看起来是这样的：
到处都能听到海浪完美叠加的声音，一个波峰与另一个波峰相遇，在海面上形成一个“大波峰”。 在如此大的波峰之间，有些地方的波浪不同步，波峰与波谷相遇，获得不同的疗效。 在那些地方，波浪相互抵消，湖面几乎没有任何波动。
如果我们在池塘边放一个屏幕，混合波就会撞击它，交替出现大波峰和抵消波。 从正面（而不是从上到下）看屏幕，波浪留下的图案是这样的：
在这里，我们看到的是双缝衍射后波的干涉效应，产生高硬度和低硬度的交替图案。 这些现象称为波的“叠加”。
托马斯·杨重复了这些叠加的图案，只是他用的是光束而不是水。 点燃一根蜡烛，让烛光穿过墙壁上的双缝，托马斯·杨终于在检测屏幕上得到了疏密交替的斑马白色图案，类似于水波混合留下的图案。
如果光像牛顿所说的那样是由粒子组成的，那么当它通过两个狭缝撞击到另一边左边的墙壁时，它应该会产生一团“糊状物”。 而我们实际得到的斑马白只能用一种方式来解释：光是某种波。
牛顿关于阴影有明确界限的指控仍然有一定的说服力，但此时他已经去世，有人敢于批评他的学说。 如果您仔细观察阴影的边界，您确实会看到模糊的边缘：它们太小了，很容易被忽略。 粒子理论无法解释这一点，但围绕物体的波可以。
承载这种波的物质最初被笛卡尔称为真实空间，后来它有了一个更独特的名字——“以太”。 光的本质最终被确定。
笛卡尔的思想无疑是超前于他的时代的，但他的思想直到得到实验证明后才被接受。 这是一个强烈的暗示，可以防止你把笛卡尔置于马后。 我几乎为那个笑话感到抱歉。 几乎。
世纪灾难
到了 20 世纪初，没有人再指责光的成分了。 托马斯·杨已经彻底解决了这个问题。 但有一些事情被忽视了，最值得注意的是当光与热物体相互作用时会发生什么。 要了解其中的奥秘，就不得不提到软管。
想象一下，有一个带有喷嘴的软管连接在袋子的顶部。 当软管充满水时，袋子会逐渐充满水。 现在，假设我们在瓶盖上戳三个孔：一个小孔、一个中孔和一个大孔。 同样，如果我们打开水，水仍然会充满袋子，然后从底部的孔流出。 很明显，最大的孔的水流最多，而最小的孔只有很细的水流。 这个装置没有什么意义，但是操作起来却很简单。 我们从袋子顶部抽水，水从底部的孔中流出。
为什么物体受热后会发光？ 上面的实验是一个很好的类比。 当物体变热时，它会吸收热能，当热能被完全吸收时，热能就会以光的形式释放出来。
在这个类比中，软管中的水代表施加到物体上的热量，孔代表发射的不同类型的光：小孔代表红外光（能量太低而看不见），中间的孔代表可见光（从蓝色到黑色），大孔代表紫外线（能量太高而看不见）。
黑色物体在这些热光转换中效率最高，因为它们吸收了所有热量。 用数学术语来说，理论上完美的放热体被称为“黑体”（尽管它实际上并不是白体）。
整个过程可以用简单的瑞利-金定理很好地描述，这是一个很好的近似，特别是在高温到中温范围内。 但是当物体被加热到低温时，就会发生一些非常奇怪的事情。
从逻辑上讲，热物体发出的光大部分应该是紫外线，因为紫外线是能量最高的光（相当于瓶盖上最大的孔）。 但实际上，物体发出的几乎所有光都是中间波长的。
热物体发出的光有一点红外线，一点紫外线，大部分是黄色或橙色，这是无法解释的。 这就像把袋子装满水，然后几乎所有的水都从中间的孔而不是大孔喷下来。
事实上，现实比我们的三孔类比更令人不安，因为真实的光不仅具有三种类型，而且可以具有任何它喜欢的能量。 更准确的图片可能是这样的：想象一下，沿着袋子的底部切开一条缝，却发现水只从缝的中间渗出来，而不会从侧面渗出。
化学家保罗·埃伦费斯特将这种困境称为“紫外线灾难”[6]，后来成为数学书中臭名昭著的“紫外线灾难”。
此时我们正在处理理论与实验之间的不匹配，在科学中我们必须改变理论。 你很难决定一个实验应该产生什么结果，所以如果一个理论很难预测你实际得到的数据，你就需要打破这个理论。
紫外线灾难之所以发生，其实是因为我们对光能的运行机制存在一些误解。 没有人会想到，只要稍加重组，我们就会走上量子革命的道路。 尽管提出答案的人并没有尝试如此激进的事情，因为他只是想要一个便宜的灯泡。
直到普朗克出现
马克斯·普朗克是家里六个儿子中最小的一个。 1875 年，他比他的朋友早一年完成了高中学业。 普朗克申请到克拉科夫学院学习化学，但最初审查他申请的院长菲利普·冯·乔利试图阻止他，因为他觉得化学几乎已经结束，这会浪费普朗克的才能。 [7]
约利院士诚恳地劝说他，但普朗克并不胆怯，坚持自己想学的课程。 他并不关心能否发现一个新的台湾，因为他不关心遗留问题，他只想知道世界是如何运转的，但他从未停止。 普朗克没有让步。
迪恩·乔利对普朗克的顽固印象深刻，最终决定接受他。 很快，普朗克成为法国数学界最受欢迎的人物之一。 据说，普朗克的演讲厅很受欢迎，听他演讲的人比肩而行； 据报道，一些观众因寒冷而晕倒，而另一些观众则无动于衷，只是为了听普朗克的演讲。
普朗克的声誉引起了美国标准局的注意，该局正在致力于解决美国的电力街道照明问题，询问他是否愿意提供协助。 电力在其他国家已经普及，但价格高昂，美国想找出最高效的方式。 普朗克很高兴地接受了邀请，并开始分析热灯泡的热与光之间的关系。 [8]
这些灯泡的钨丝实际上是一个“黑体”，随着内部温度下降，表面吸收所有能量并以光的形式重新发出，大部分是可见光。 但随着钨丝继续升温量子物理的书，它并没有产生瑞利-金定律所预测的光，因此普朗克决定创建一个新定理，在该定理中，他将光能想象为二氧化碳的一种形式。
假设二氧化碳中有一群随机飞行的粒子。 当它们碰撞时，颗粒的空气温度会重新分布。 很可能有些粒子的能量较低，而另一些粒子的能量较高，但大多数粒子的能量都集中在一个平均值附近——这就是我们所说的“温度”。
普朗克意识到这些能量分布与他在灯泡实验中看到的相符。 当我们加热一个物体时，它发出的光集中在中等能量上，其中有一些光束以高能量和低能量出现。 为此，普朗克提出光束分配能量的方式与二氧化碳颗粒分配热量的方式相同。
唯一的问题是量子物理的书，二氧化碳热量只能发生，因为二氧化碳可以分解成颗粒。 为了让普朗克的想法发挥作用，光也必须由粒子组成。
他把光的微小粒子称为“”（量子），源自拉丁语“”，意思是“数量”（）。 普朗克继续安静地工作。
需要明确的是，普朗克并没有真正声称光是由粒子组成的——那是荒谬的。 他只是在玩一个幼稚的语言游戏，主要是出于绝望，为了让他的结果看起来更合理。 因为托马斯·杨的实验，大家都知道光是穿过以太的波，而我们早已抛弃了牛顿的粒子论。
在普朗克看来，光子是一个不成熟的答案，不值得认真对待，所以当他收到证明光子存在的研究论文时，他自然感到震惊和呆住。
原文是“”，可以解释为“光波论”或者“波再见光论”。 之所以说刻意，是因为“光波论”的中文一般写成“”。 ——译注 英语中有句名言：“don’t put the cart the horse”，意思是“不要把车放在马的后面”，即不要把车放在马的前面。 这里使用“”（笛卡尔）代替“”。 这里的“笑话”是指英语中关于马的笑话。 一匹马走进舞厅，侍者问道：“你是酒鬼吗？” 马回答说：“我想我不是。” 然后马就“砰”的一声消失了。 笛卡尔的格言“我思故我在”在这里受到了谴责。 为了解释这个笑话的要点，必须把笛卡尔放在马后面。 — 注释