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第 3 节 不连续性上帝玩的也是沙盒游戏（第1页）

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我们的量子列车在虚拟世界里疾驰了这么久，也看到了不少奇幻的风景，但是还没停下来真正站到量子世界的地面上，感受下这个世界的底层基础。所以这站就邀请大家走下车来，一起踏到地面上，在量子世界里面散散步。

当我们漫步这片神奇领域中，想更充分的认识下这个世界，需要了解的最基础知识应该是什么呢？

嗯，应该是量子究竟是什么吧？

的确，我们一直在谈论着各种量子现象和各种有趣的实验，可是我们连量子究竟是什么都还没有谈到。

那么，这站就让我们边散步，边来谈谈所谓量子究竟是什么吧。

其实，量子这个称呼大家虽然用得很多，但是大家并不明确它究竟是指一种粒子，还是指一种能量，或者是指一种状态，比如我们常说的光量子、量子态或者量子化又都是什么。

大家都知道现在市场上打着各种量子旗号的产品营销概念非常多，诸如什么量子保健、量子治疗、量子显示器甚至量子去污、量子加热等等，有关量子的词汇已经被用的泛滥成灾，真是万事皆可量子，以至于都流传起「遇事不决，量子力学」的顺口溜来。

这些混乱的词汇几乎完全混淆和污染了这个物理学概念，以至于大家都快以为这是营销骗子们的专用招牌用词。

那么量子究竟应该是什么呢，普通人可以弄明白这个概念吗？我们能不能也用虚拟世界的角度来尝试理解它呢。

我们还是先来回顾下这个概念的诞生过程吧，顺便我们也正好能补上之前谈到的物理学上曾经出现过的黑体理论矛盾案例。

量子这个词最早来源于德国科学家马克斯·普朗克的创造，他在一篇让他荣获诺贝尔物理学奖的论文中首次使用类似的词：「能量子」（Energieelement），但随后很快，在另一篇论文里，他就改称为「量子」（Elementarquantum），英语就是quantum。这个字来自拉丁文quantus，本来的意思就是多少「量」的意思，这个词已经使用到现在，当然其针对的概念也有了一些变化。

普朗克最早创造这个词的原因其实是为了解决一个当时物理学上的大麻烦，这个麻烦是来自于当年物理学对于「黑体辐射」问题的研究。

19世纪末的时候，物理学家们开始对黑体模型的热辐射问题发生兴趣。

什么是黑体呢？

学过中学物理就都知道一个物体之所以看上去是白色的，那是因为它反射所有频率的光波。反之，如果它看上去是黑色的，那是因为它吸收了所有频率的光波的缘故。

物理上定义的「黑体」，指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体，比如一个空心的球体，内壁涂上吸收辐射的涂料，外壁开一个小孔。那么，因为从小孔射进球体的光线基本都无法反射出来，这个小孔看上去就是绝对黑色的，这就是一个「黑体」。

不过黑体不一定是黑色的，其实只要不反射外来的光线的物体都可以看成黑体，而黑体自己也是可以发光的。比如太阳也是一个黑体，它基本不反射外来的光线，所有的光都来自自身。

黑体就是不反射任何辐射的物体

其实很早的时候，人们就已经注意到黑体的温度和他对外的辐射频率似乎有一定的对应关系。

比如我们把一块铁放在火上加热，那么到了一定温度的时候，它会变得暗红起来（其实在这之前有不可见的红外线辐射），温度再高些，它会变得橙黄，到了极度高温的时候，我们可以看到铁块将呈现蓝白色。

所以我们发现黑体对外辐射能量的频率和温度之间有着一定的函数关系。

科学家研究现象的时候最早是使用经典热力学的两个公式来计算，一个叫做维恩分布公式，也叫维恩定律，另一个叫瑞利—金斯公式。

为啥要用两个公式呢？

因为这两个公式都不能完全符合黑体辐射的实际实验数据。

维恩分布公式在短波长范围内和实验数据符合得很好，但是在长波长的范围就不对了，产生了很大的误差。

而瑞利—金斯公式正好相反，它在长波方面符合了实验数据，但在短波方面的失败却是显而易见。尤其是瑞利—金斯公式显示，黑体辐射的波长越短的话，释放的能量就会指数级别的上升，如果到达紫外光波段，辐射能量甚至会趋向无穷大。这个结果实在是太荒谬了，以至于有的物理学家把这个问题称之为「紫外灾变」（ultravioletcatastrophe）。

你看，物理学家们就经常遇到这种糟心事，两套公式都在某个领域是对的，但是又不能完全覆盖所有情况。

这就像你有一双皮鞋，可惜都是左脚的，有一双运动鞋，可惜又全都是右脚的。你虽然拥有两套鞋子，而且分别都是合脚的，但居然都凑不出一双能穿出去的，这可太难受了。

一般来说，物理学家遇到这种问题就会明白，大革命的时候到了，这一定说明现有的旧理论过时了，需要一个全新的更加普适的理论体系才能解决问题。

就像之前我们提到的量子理论和相对论之间的矛盾和冲突一样，我们不能简单地通过修改旧理论来解决问题，我们必须创建出全新的革命性的大一统理论来彻底替代它们才行。

其实相对于现在大一统的世纪难题来说，这个紫外灾变问题的困难级别当然要低得多得多，但是就算这样，那也是划时代的问题，不是随便什么人都能解决得了的。

不过幸运的是，当年这个问题出现的时机特别好，正逢20世纪初的物理学发展的超级黄金年代。那个年代正是人类天才迸发、高手乱入的神奇时期，各路神仙正在等待机会纷纷现世，而这种时机必然会成就大神。

果然，还没有多久，就有一位大神就盯上了这个黑体问题，正是大名鼎鼎的德国物理学家马克斯·普朗克，一位脸庞消瘦，留着小胡子，还略微有点谢顶的中年男人，看上去似乎像个很普通图书管理员。当然他年轻时候还是很帅气的，只是中年形象变得似乎邋遢了一点而已，但这不重要，重要的是他马上要做出的事情却是开创时代的。

物理学：我不背这个变丑的锅

大约从1894年起，36岁的普朗克就开始研究这个棘手的黑体辐射问题了。

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