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？)

Posted 2023-06-02

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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”。