很多人對於物理的基礎認知還停留在牛頓-麥克斯韋時代：經典力學、經典熱學和經典電磁學三座基座建立起了物理學的大廈，在這個體系下，一切自然規律都可以被解釋，萬有引力、電磁波、力場線...上帝造物的奧秘似乎已經被人類所掌握了。但是實際上，正如開爾文1900年於英國皇家學會上發表的演講一樣：十九世紀物理學的大廈已經建成，但是晴朗的天空中漂浮著兩朵令人不安的烏雲，一個是相對論，一個是量子力學。而這兩朵“烏雲”在二十世紀裡深深地顛覆了整個經典物理體系，特別是量子力學，更是從根本上改變了物理學家認識世界的方式。
在神秘的量子面前，我們所有人不過是襁褓裡的嬰兒，僅僅揭開了上帝神秘面紗的一角。
那麼究竟什麼是量子，量子又如何改變了物理學，故事要從一個著名悖論講起。
芝諾的烏龜：量子的誕生
古希臘有一位哲學家叫做芝諾，他假設了一個場景：
有一天，一隻行動緩慢的烏龜找到了阿喀琉斯（希臘第一勇士），向他發起挑戰，聲稱他絕不可能追上自己。阿喀琉斯哈哈大笑：就算是世界上跑的最快的豹子，我也能超越它的速度，何況你這隻老邁的烏龜呢？烏龜不緊不慢地說，假如我現在離你100米遠，你來追我，當你跑了100米之後，我也往前爬了10米，當你又往前跑了10米之後，我也往前走了1米，如此當你到達我原來所處地點的時候，我永遠往前前進了一點，你只能無限接近我，卻永遠無法超過我。阿喀琉斯心想，是這麼回事啊，我竟然追不上一隻烏龜？
其實我們從數學的角度很好理解芝諾的烏龜，就是極限。比如阿喀琉斯的速度是10m/s，烏龜的速度是1m/s，烏龜原本領先阿喀琉斯9m，經過最簡單的數學計算，其實阿喀琉斯只需要1s就能追上烏龜。但是按照烏龜的算法，實際上阿喀琉斯會永遠被困在0.99999.....9的無數個小數點裡，只要烏龜願意，就可以把數字無限細分下去。
這個悖論的背後其實涉及到一個重要的前提，那就是能量的傳輸是連續的，什麼意思呢，當天氣預報說氣溫從10°C上升到了20°C時，我們都會覺得，氣溫是從10°C上升到11°C，再上升到12°C...它必然會經歷10-20°C之間所有的值。能量這種連續地性質，是經典物理學的基礎，牛頓也正是在此基礎上建立了微積分。
但是量子物理卻一舉推翻了這個假設。
這個故事要從19世紀末，物理學家們對於黑體熱輻射問題的研究，中間的研究過程暫且不表，來自東普魯士的物理學家維恩經過精密地物理演算，得出了一個公式（維恩分佈公式）
根據實驗，物理學家們發現，當黑體被加熱到1000多K高溫的時候，其短波頻率和這個公式是相符合的，但是長波卻完全不一致。而另一位英國的科學家瑞利，推倒出了另一個公式（瑞利-金斯公式）：
而這個公式則符合黑體的長波數據，而對其短波的測量結果，則完全不一樣。這個事情就很荒謬，因為兩個公式完全是從不同的前提出發推導出來的，一個是從粒子的角度，一個是從經典電磁波的角度，而黑體不可能同時又是粒子又是電磁波，如何才能把這兩個公式統一起來呢？
著名的德國物理學家普朗克在研究了6年之後，終於得出了著名的普朗克黑體公式：
並且發表了《黑體光譜中的能量分佈》，一石激起千層浪。為什麼這個公式如此重要，因為它成立的前提是：物質的能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。就像一個國家的貨幣，有1元的，有5毛的，所以一個商品的價格可以是12元，也可以是12.5元，但是絕對不能是12.25元，因為沒有這個最小單位的貨幣。而能量傳輸間的這個最小單位，普朗克把其稱之為“能量子”（Energieelement），其後又將其改稱為量子（Elementarquantum），就此開啟了量子物理的大門。
那麼我們再回過頭來看芝諾的烏龜這個悖論，用量子體系就非常好解釋了，因為能量的傳輸不是連續的，所以時間不能無限細分，這個悖論自然也就不存在了。
神秘的電子躍遷
量子的發現，在各個方面都深刻地改變了物理學，最先迎來這場風暴的，卻是和化學領域強相關的原子結構問題。相信大部分人都知道原子的“行星模型”，電子像行星一樣按照既定的軌道圍繞著原子核做著永恆的繞圈運動，這個模型在20世紀初被盧瑟福提出之後，被廣泛認知，甚至在很長一段時間內成為了科學的象徵圖：三個電子圍繞著原子核做運動的圖。
但是這個模型卻存在一個致命的缺陷，我們都知道電子是帶著負電荷的粒子，而原子核是帶正電荷的粒子，當電子圍繞著原子核運動時，按照麥克斯韋的理論，兩者之間會發出強烈的電磁輻射，就像磁鐵的正負極會相互吸引一樣，這意味著這個體系是不穩定的。電子會一點點失去它的能量，不停地縮小運行鈑金，最終墜毀在原子核上，而這個過程用時可能都不足一秒，也就是世界將會隨時隨地發生核爆炸...這顯然不符合實際情況。
而量子理論的提出，解決了這個問題。
當時人們已經發現了任何元素被加熱到一定程度會釋放出特定波長的光線，智慧的中國人民很早就發現了這個特點，夜空中綻放的顏色各異的煙花，就是特定的金屬元素在高溫下顯現的溫度：比如鈉是黃色的，鉀更偏向紅橙色，鉀則是紫色的...而這些譜線實際上是有規律 ，1885年，瑞士的一位數學家巴爾末發現了其中的規律，並推導出了著名的巴爾末公式：
其中R是一個常數，n是大於2的正整數，這個公式裡蘊含著揭開電子運動秘密的答案。
我們剛才說到，量子物理裡的一個最基礎的規律，能量不是連續傳輸的，而是有一個最小的傳輸量。而巴爾末公式裡對於n的界定：正整數，無疑是一種量子化的表述。著名的科學家玻爾（沒錯，就是和愛因斯坦爭得死去活來的那位）發現了巴爾末公式和之前提到的普朗克公式之間的關聯，從而推導出，電子在原子內部只能釋放定量的能量，它只能按照某些“確定的”軌道運行，也就是當電子離原子核最近的時候，它的能力是最低的，當它一旦獲得了特定的能力，它就能躍遷到其他軌道，一旦沒有了能力的補充，它又會回落回來，而且在這一過程中，電子智能釋放或吸收特定的能量，而不是任意連續的能量，所以原子的結構重行星圖，變成了一個概率圖，電子像一個幽靈一樣，在某個點突然消失，在另一個點又突然出現，這就是我們所謂的“電子的躍遷”。
概率的世界：電子波的發現
如果說電子真的如幽靈一般，在原子裡隨意出現，那物理學家如何掌握其運動的規律，我們這個世界不就是完全隨機的了嗎？
相信我們很多人都知道愛因斯坦大名鼎鼎的質能方程：E=MC^2，而根據普朗克定律E=hv，那麼根據最簡單的推理：MC^2=hv，從而得到：v=mc^2/h，此處的v是頻率，c是光速，h是普朗克常數，來自法國的科學家德布羅意推導出了這個公式，意味著當電子以速度v前進時，必然伴隨著一個速度為c^2/v的波，而且這個波的速度竟然比光速還快上許多，這就是著名的德布羅意波。
這個波實際上就是我們捕捉電子的概率波，現在科學界普遍認為物質波在某一處的強度和粒子在該出出現的幾率成正比，也就是物質波越強，證明此處電子密度大，物質波越弱，證明此處波動越小，這其實就是一種概率波。
所以實際上，量子物理是一個概率的物理，我們不再像處於經典物理體系裡一樣，可以根據萬有引力公式預測恆星的位置，甚至發現黑體的存在；也不能通過光線的變化，預測遙遠行星的物質構成；也不能通過簡單的計算，測算出行星軌道的位置...我們甚至捉不住一隻電子。
但是這也是量子物理的魅力所在，它將人類的視線擴大到了粒子的世界裡，吸引著一代又一代的科學家去研究那令人心馳神往的量子世界。
關於量子的故事，還遠未結束~有興趣的朋友可以關注漫遊君，瞭解更多有趣的物理知識喲
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