為什麼電燈泡不會發出藍光？其中的奧秘或許只有愛因斯坦才能揭開

1890年的德國是一個新興國家，於近代才統一併馬不停蹄地推動著工業化進程。在這個剛剛統一的國家，一大批工程公司如雨後春筍般成立起來，他們斥資數百萬馬克來購買愛迪生生於歐洲的最新發明的專利權：電燈泡。

電燈泡是現代科技的縮影，人類社會進步的標誌性象徵。這些工程公司迅速意識到，為新德意志帝國安裝路燈將帶來巨大的利潤，但他們沒有意識到的是，這也為一場科技革命敞開了大門。

說來也奇怪，這些微不足道的電燈泡卻為整個科學界最具分量的理論的誕生做出了貢獻，這個理論就是量子力學，很多科學家畢其一生研究這個理論。

這是因為，如果倒回到19世紀，燈泡的發明也隨之帶來一個奇怪的問題。工程師們都知道，如果你用電來加熱燈絲，它就會發光。而物理學家們在研究它時，對其發光的原理一無所知，尤其涉及到燈芯的溫度與其產生光的顏色之間的關係，對這個基礎問題人們仍無法解答。

顯然這個未解之謎亟待破解，在新德國政府的幫助下，科學家們在他們的競爭對手破解之前搶先了一步。

1887年，德國政府斥資數百萬馬克在柏林投資建立了全新科研機構：德國物理技術研究院，簡稱PTR，之後在1900年，他們招募了一位精明能幹的科學家來幫助帶領這裡的研究，他的名字就是馬克思-普朗克。

普朗克選了看似簡單的問題，為什麼光的顏色會隨著燈芯溫度的升高而改變？為了能更直觀地體會到普朗克所面臨的難題。有些人可能騎過用老式發電機來給老式電燈供電的自行車，騎得越快，燈泡就越亮，發電機產生的電量也就越多，燈芯的溫度越高，從而燈泡就越亮。

但是燈泡的燈光並不只是變得更亮，它的顏色同樣也在改變。當加速騎行時，其顏色會從紅色變成橙色再變成黃色。如果繼續加速騎行，燈會變得更亮，但其顏色似乎保持不變，始終是黃白色！

為什麼光不會再變藍呢？為了探究這個問題，普朗克和他的同時建造了一個黑體輻射器，這是一個特殊的管狀裝置，它可以加熱到極其精確的溫度，並用來測量光所產生的顏色和頻率。如今100多年過去了，德國物理技術研究院仍然在進行著同樣的測量，只不過更精確了。

裝置顯示，當溫度800度時，發射出來的顏色是橘黃色，而當溫度上升到2000度時，發射出來的是更加明亮的白色光芒，要產生這種顏色和強度的光，需要大約40千瓦的電力。儘管燈光更加白亮，呈現紅白色，當仍然幾乎看不到藍色，為何藍色的產生要比紅色更難？

在光譜的更遠端，超出藍色之後，就是所謂的紫外線，其產生難度可想而知，即便觀察如太陽那般火熱的物體，其溫度達到5500攝氏度，所產生光的大部分都為可見光，而考慮到其熾熱的溫度，紫外線卻微乎其微，到底為什麼？為何紫外線光的產生如此之難？對於這種經典理論所遇到的困境，19世紀末的科學家們給它起了一個極具戲劇性的名稱，他們把其稱之為紫外災難。

在攻克難題上，普朗克則邁出了至關重要的第一步，他發現了精確的數學表達，將光的顏色，頻率和其能量聯繫起來，但他卻不明白其關聯有何意義。然而，另一個令人費解的現象讓本已不安的局面又蒙上了一層陰影。

在19世紀末，科學家們紛紛研究著最新發現的無線電波以及其傳播的方式。為了方便研究，他們建造了許多實驗設備。研究結果表明，光和電之間存在著某種神秘的關係，被稱為「光電效應」!

紫外災難和光電效應是物理學家所面臨的兩大難題，因為僅憑當時有限的科技水平，難以做出正確的解釋。從科學角度，可以確切地說，光是一種波！

觀察我們周圍，光能完美地表現出波的特性，留一下光線照到我們的手掌留下的陰影，其邊緣十分模糊，我們知道這是因為光在遇到手的邊緣時，會發生細微的彎曲從而變得模糊，就如同水波遇到障礙物那樣，具有與波完全相同的基本特性。

儘管這種波理論能完美解釋諸如影子這種現象，但當用其來解釋紫外災難和光電效應時，就顯得力不從心了。問題就在於，光是怎麼做到的？為了能抓住這個不可思議的現象的本質，科學家們發現也許波浪在水中的表現也許會有所幫助。

波浪越大，所具有的能量就越多，如果光是一種波，越強的光則應能擊退越多的電子，但事實上並非如此，所以把光當作波並不能解決難題。為了解答這個問題，就需要有異乎尋常的思考方式。而在1905年，有一個人就做到了，你或許聽說過他，他的名字就是阿爾伯特-愛因斯坦！

位於柏林的阿恆霍德天文台，有一架很大的天文望遠鏡，這架望遠鏡始建於1896年，是同類型中規模最大的，從而使得該天文台成為新時代科技界中驚駭世俗的代表。愛因斯坦曾在此發表了他拿關於相對論的著名演說，這也是使得他名聲大噪，卻不是讓他獲得諾貝爾獎的那次。

1905年，愛因斯坦又提出了用來解釋光電效應的新理論，而他的想法頗具劃時代意義，甚至還有些叛逆，他認為我們需要完全拋棄光是波的觀念，轉而要把光當作是一束微小的粒子，而他用來形容光粒子的術語正是量子。

在愛因斯坦看來，一個量子就是一小股能量，儘管在當時科技並不發達的1905年，他把光當作量子的想法也足夠瘋狂。但就是遵循愛因斯坦這看似瘋狂的理論，經過縝密的邏輯推算，所有關於光的難題都迎刃而解。

根據愛因斯坦的理論，每個紅色光粒子都攜帶極少的能量，因為紅光頻率較低，所以即使用很多紅光粒子的強光也很難去除金屬板表面的電子，而用紫外線就能很輕鬆地去除金屬板上的電子，這是因為紫外線有更高的頻率。

愛因斯坦提出的光是由無數小的粒子或者量子組成的理論，恰是光電效應的完美解釋。同時，這套精妙理論也幫助解釋了普朗克對燈泡的疑惑，紫外線之所以微乎其微，是因為產生紫外線量子需要巨大的能量，是產生普通光量子的100倍以上，難怪燈光中幾乎不存在。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！