下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在 牛顿、爱因斯坦等一众物理科学巨匠带领人类逐渐揭开宇宙神秘面纱的同时，研究宇宙及万物构成基础的微观物理学也在飞速发展。
牛顿的宇宙支持物质微粒说，认为宇宙万物由肉眼不可见的不可分的微粒构成。但牛顿在其另一部科学巨著《光学》中提出光子也是微粒的说法，却遭到了克里斯蒂安·惠更斯光波理论的挑战。公元1801年英国医学家、物理学家托马斯·杨的双缝干涉实验证实光子通过双缝时会产生只有波才会产生的干涉波，表明光是波而不是微粒，但这并不影响物质微粒说被普遍认可。彼时科学家相信构成宇宙万物的最小物质单元是肉眼不可见的不可再分的微粒。公元1803年，牛顿和麦克斯韦时代之间的英国数学家和化学家约翰·道尔顿将这种不可再分的微粒命名为原子。
“原子”一词来源于古希腊朴素原子论，该理论猜想宇宙万物由数量无限多的、大小形状各不相同的不可分的不生不灭的原子构成。之后近一个世纪的时间里，人们都认为原子就是组成宇宙万物的最小物质单元。
19世纪末20世纪初，先是公元1897年，英国科学家约瑟夫·汤姆逊发现了电子，接着公元1912年，出生在新西兰的英国科学家欧内斯特·卢瑟福发现了原子核，揭示出原子由更小的“微粒”原子核和电子构成。七年后，卢瑟福又发现了原子核内部的质子，揭示出原子核也不是最小的物质单元，其具有内部结构，可以再分。公元1932年，中子也被发现，中子和质子构成了原子核。公元1968年，利用粒子对撞机，物理学家发现中子和质子竟然也由更小的微粒“夸克”构成。直到夸克 （注释11） 的出现，人类在微观世界堪比俄罗斯套娃式的“寻根之旅”才暂告一段落。
但微观物理学面临的最大挑战不是在微观世界里寻找最小物质单元，而是与宏观世界物理法则“格格不入”的微观世界物理法则。光子再次成为焦点，光速不变开启了宏观物理学的相对论时代，而光子的“波粒二重性”则在微观物理学界掀起了量子力学革命。
普朗克（©维基/公版）
“量子”一词诞生于原子核被发现前的公元1910年。这一年德国物理学家马克斯·普朗克解决了电磁学的黑体辐射能量无限大的世纪难题。
因为一个物体反射所有光波会呈现白色，吸收所有光波会呈现黑色。19世纪的科学家在研究电磁波热辐射现象时进行了一个思维实验，假想存在一个100％吸收全部光波的理想黑体。
彼时电磁学理论研究发现光（波）是电磁波的一种，而波是连续的，这意味着一段光波可以不断分割为更短的波，就像连续的数字在数学（理论）上可以无限“分割”下去。例如数字0和0.1之间，就可以搞出无限个无限数列：
0.01……0.001……0.0001……0.00001……0.000001……∞
如果电磁波可以被无限分割，那么被分割出来的波段携带的能量再微不足道，总能量也趋于∞，而被理想黑体吸收的电磁波无法逃出黑体，黑体内的总能量自然也趋于∞。这意味着理想黑体吸收了电磁波，黑体内部就会“孕育”出无限大的能量，即使这个黑体只有原子大小，这显然违背常理。理想黑体的无限能量对电磁学理论的冲击不亚于光速不变对牛顿宇宙的冲击，成为动摇电磁学理论根基的“黑洞”。
普朗克解决之道说起来也简单，普朗克假设电磁波（光波）微观本质是一个一个的粒子，那么电磁波携带的能量就不应该是连续的，而是一份一份的，并且每一份能量都是某个最小能量值的整数倍。普朗克将这个最小能量值命名为量子，并计算出最小能量值 h =ε/ν=6.62607015×10 -34 焦耳·秒。 这个h就是与牛顿的重力G、爱因斯坦的光速C齐名的物理学三大常数之一的 普朗克常数 。
无限“分割”下去的电磁波频率“成就”了理想黑体的无限能量，有限的普朗克常数则“消除”了理想黑体的无限能量。
如果觉得黑体辐射和无限能量太过陌生，可以用熟悉的质量来举例。假设有一个总质量1千克的石头，你能计算出这个石头最多可以分成多少块吗？如果认为石头可以无限分割下去，这道题是无解的，如果有答案，答案也只有一个就是∞！因为连续的物体无限分割下去 没有最小，只有更小。
0.01……0.001……0.0001……0.00001……0.000001……∞
1千克=0.1千克×10=0.01千克×100=0.001千克×1000=0.0001千克×10000……=∞×∞
普朗克常数 h =6.62607015×10 -34 焦耳/秒，单位是能量（焦耳）×时间（秒），爱因斯坦狭义相对论又告诉我们 E = mc ²，那么我们就可以由普朗克常数推导出普朗克质量。有了普朗克质量我们就能计算出总质量1千克的石头到底可以分成多少块。普朗克质量约为2.177×10 -8 千克（ 具有客观确定性的物体的最小质量） ，那么1千克的石头可以分成大约2.2×10 8 块。
普朗克因为解决了黑体辐射能量无限大这个世纪难题而获得了物理学界的最高荣誉诺贝尔物理学奖。今天有些人觉得黑体辐射难题不够分量，普朗克获诺奖有些名不副实，甚至还有自作聪明者调侃普朗克靠文采发明了“量子”一词获得了物理学奖。但重点不是黑体辐射难题，也不是“量子”一词，而是以普朗克名字命名的普朗克常数。
有了普朗克常数我们不仅可以推导出普朗克质量，还能推导出普朗克长度。与每一份能量都是最小能量值的整数倍同理，宇宙万物的质量和大小也都是普朗克质量和普朗克长度的整数倍，这不就是在说普朗克质量和长度就是构成宇宙万物的最小物质单元吗？ 普朗克常数的出现，标志着微观物理学进入量子力学时代，自古希腊人提出原子猜想，已经有两千余年了，人类终于给出了这个所谓最小物质微粒的大小和质量。 实际上普朗克是以量子力学开创者的身份拿的诺贝尔物理学奖。
但和今天“万事不决，量子力学”名声在外不同，量子力学诞生之初显得波澜不惊，彼时整个物理学界在感叹普朗克常数的伟大之后，目光都被爱因斯坦的相对论所吸引。有趣的是，伟大的相对论并没有给爱因斯坦带来诺贝尔物理学奖的荣耀，反而是爱因斯坦在量子力学方面的贡献让他拿到了诺贝尔物理学奖。
公元1905年，爱因斯坦发表狭义相对论的同年，受到普朗克量子思想启发的他还发表了《关于光的产生和转换的一个假说》，解释了光（电磁波）的光电效应，即光波频率高于某一个特定频率的光照射某些金属时，不论照射强弱都会让金属产生电流，反之频率低于某一个特定频率的光照射某些金属时，即使不断加强照射强度也无法让金属产生电流。爱因斯坦认为那是因为光的本体是粒子，光波只是无数光粒子聚集在一起产生的宏观视角的幻象，所以加强光照只是增加了光粒子的数量，但不同频率光粒子携带的能量只与普朗克常数和自身频率有关，符合普朗克预言的最小能量（普朗克常数）的整数（频率）倍。只有频率足够高的光粒子携带的能量，才足够强到让金属产生电流。
光电效应成为光子微粒说的铁证，一如托马斯·杨的双缝实验是光子波动说的铁证。公元1921年，爱因斯坦因为成功解释了光电效应而荣获当年的诺贝尔物理学奖。三年过后，量子力学就携概率波的惊涛骇浪颠覆了整个物理学。