热辐射和什么有关(带你阅读高中物理课本学习量子知识——“量子纠缠”的量子是啥?)

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热辐射和什么有关(带你阅读高中物理课本学习量子知识——“量子纠缠”的量子是啥?)

北京时间2022年10月4日17时45分,瑞典皇家科学院宣布:将今年的诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect),美国科学家约翰·克劳瑟(John F.Clauser)以及奥地利科学家安东·塞林格(Anton Zeilinger),以表彰他们“用纠缠光子进行实验,证伪贝尔不等式,开创了量子信息科学”。

啥是纠缠光子?贝尔不等式是什么?量子理论?通常只听网友说“万事不决,量子力学”,前一阵,广播里还有“量子能量枕”的广告,前几年“量子阅读”,很多时候量子理论被骗子用来骗人,其实在高中物理课本中就介绍量子理论的基础知识了。

说量子,要从热辐射说起,所有的物体都在向外辐射电磁波,辐射电磁波的强度和温度有关,温度越高,辐射越强,看下图,随着温度升高,我们看到铁的颜色从暗红色逐渐变黄白色。

图片来自人教版高中物理必修三

19世纪,随着冶金、星体测温等需求,人们对热辐射的规律进行了大量的研究,可一般物体的热辐射规律和很多因素有关,例如:温度、材料、表面状况等,而人们发现黑体的热辐射就和温度有关,于是就研究黑体辐射,那又一个问题来了,啥是黑体?

如果某种物理能够完全吸收入射的各种电磁波而不发生反射,这种物体就是绝对黑体,简称黑体。例如下图带小孔的空腔,电磁波在内部反射吸收,不能从空腔射出,这就是一个近似绝对黑体的模型。


图片来自人教版高中物理选择性必修三

人们研究发现黑体辐射的规律如下图

图片来自人教版高中物理选择性必修三

这个实验规律告诉我们,黑体辐射的强度随着温度的升高,各波长的辐射强度都增大,同时峰值向短波方向偏移。

接下来,如何用已有的经典物理学理论来解释这个规律,出现了问题,德国物理学家维恩在1896年提出了辐射强度按波长分布的公式,可惜他的公式只在短波区域和实验符合。1900英国物理学家瑞利提出了自己的瑞利-金斯公式(后经英国天体物理学家金斯修正过,故称瑞利-金斯公式),但是瑞利-金斯公式只在长波区域符合,短波区域出现了严重偏差,史上称“紫外灾难”。(见下图)

如何解释黑体辐射的规律,量子力学的创始人——普朗克,从1894年就开始关注研究黑体辐射的规律,他想如果把维恩的公式和瑞利-金斯的公式凑在一起,那是不是就可以解决问题了?没想到他搞出了一个公式,和实验结果完美吻合。

普朗克

普朗克的黑体辐射公式

图片来自人教版高中物理选择性必修三

但是如果要符合这个公式,那就存在一个和他的思想完全不一样的要求,就是能量不能是连续的,这是他这样的经典物理学家所不可想象的,但是伟大就是伟大,在思索良久后,他在1900年12月在德国物理学会的例会上发表了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现:为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍,这个最小数值就叫能量子(简称量子)。辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h,后来被命名为普朗克常数,它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。

普朗克1918年因量子理论获诺贝尔物理学奖,之后,爱因斯坦在他启发下提出了光电效应的光子说解释,玻尔提出了氢原子光谱的理论解释。

这就是量子,后续再慢慢讲爱因斯坦和玻尔的世纪大战,“量子纠缠”以及现在漫威经常使用的“平行宇宙”。

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