小小的窗户竟藏着量子力学？

随着城市化的不断发展，高楼大厦在今天已经屡见不鲜了，居民楼也越建越高。当我们无聊时，相信不少同学和我一样总喜欢透过窗户看向窗外水马龙与高楼大厦，这时不知大家是否发现，白天时看到别人家的窗户里面是漆黑一片的但进入人家家里后发现人家家里采光很好，很明亮，可是从外部看就是很黑。夜晚的时候却能透过窗户清楚看到别人家内部的结构。这不禁让我陷入沉思：明明白天的光照强度和夜晚的光照强度相差不大，（白天室内的光照强度约为100～500lux，夜晚LED灯的光照强度为100～300lux）为什么白天看不到别人家里的东西呢？

首先这里要讲解光的一个概念——反射。反射分为镜面反射和漫反射，当光照到一个光滑的平面时，光会朝着一个方向反射出去，这就是镜面反射。如图一。当光照到凹凸不平的平面时，它会向各个方向反射出去，这就是漫反射如图二。光碰到物体都会发生反射，或透过物体发生折射。

大家这时候一定了解了什么是反射了吧，那么接下来就要讲一个新物理量——黑体。顾名思义，如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，如图4.1-1，在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。光也是一种电磁波。由此我们就不难解释之前的问题了，窗户很小，而房间很大，光从窗户进入房间后，发生了很多的反射将室内照的十分明亮，而从外界看，由于光的多次反射与衰减，最后从房间内反射出的光很少很少，也就是说，这时的房间可以看作一个近似黑体，所以我们从外面就看不到室内的环境了。晚上由于灯光是从房间内部发出的，这样大量光就能透过窗户进入我们的眼睛，因此晚上可以看到别人家的里面。

让我们讨论回到黑体这一物理量，它不能反射出去电磁波（白天照进屋子里的光出不去），但是可以向外辐射电磁波（晚上开灯后光可以出去很多），我们管这一现象叫做“黑体辐射”。19 世纪，由于冶金、星体测温等需求，人们对热辐射进行了大量的研究。当时物理学家已有能力对热辐射的强度随波长的分布进行比较准确的测量。研究表明，对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。于是人们开始探索黑体辐射的规律。利用分光技术和热电偶等设备，可以测出黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况。如图4.1-2。从图中可以看出，温度升高，各波长的辐射强度都有所增加，另一方面辐射强度的最大值向着波长较短的方向移动。

人们试图解释这一规律，科学的发展必须找到普适规律，因此科学家们开始探索计算这一规律。按照 当时物理学的认识，每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。因此，科学家们就用牛顿的基础力学和电磁学原理来推导这一理论解释。

德国物理学家维恩在 1896 年、英国物理学家瑞利在 1900 年，分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。 他们提出的公式都只能解释一部分实验现象。维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离较大 ;瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。

在人们一筹莫展之时，普朗克找到一个公式，与实验结果契合的十分完美，于是他将电磁学，力学、统计物理学等学科结合起来，将公式推导了出来。他大胆假设，带电微粒产生的电磁辐射的能量是一份一份的，而不是连续的，也就是说能量是某一最小能量值€的整数倍。如1€，2€……我们称这一最小能量值€为能量子，表达式为：

€=hv

这里的h是一个常量，我们叫他为普朗克常量，v为粒子的震动频率。h的值为h=6.62607015*10-34J.S

普朗克对微观带电微粒能量取值的假设和宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。例如，一个弹簧振子，把 小球推离平衡位置后开始振动，能量为 E，下一次我们可 以把它推得稍远一些，使它振动的能量稍多一些，例如，1.2E 或1.3E，也可以把它推得更远，能量更大。弹簧振子的能 量不一定是某个最小值的整数倍。只要在弹性限度以内， 我们可以把小球推到任何位置，它的能量可以是任何值。

由此可见，宏观弹簧振子的能量值是连续的。而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。这是微观与宏观世界物理规律最重 要的差别之一。

因此，普朗克 1900 年的假设第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角。从此，物理学进入了一个新的纪元。普朗克本人因此获得了 1918 年的诺贝尔物理学奖。

普朗克这一大胆的假设并证明，致此开启了一个新的物理学时代——量子力学的时代。他也被称为“量子理论之父”。没想到，透过小小的一扇窗，竟然能看到如此庞大的量子学世界啊！而普朗克的故事也告诉我们，不要局限于以往之前已经存在的种种条条框框，只有大胆的尝试与创新，才能探索到真正的规律与价值。正如普朗克所说：科学的历史不仅是一连串事实、规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。

因此，白天的时候可以打开窗户，夜晚的时候大家要记得拉好窗帘哦。同时，希望我们能够从生活中的小事来发现科学，拥有发现科学的眼睛。