为什么爱因斯坦要发明电灯（为什么电灯泡不会发出蓝光）

1890年的德国是一个新兴国家，于近代才统一并马不停蹄地推动着工业化进程。在这个刚刚统一的国家，一大批工程公司如雨后春笋般成立起来，他们斥资数百万马克来购买爱迪生生于欧洲的最新发明的专利权：电灯泡。

电灯泡是现代科技的缩影，人类社会进步的标志性象征。这些工程公司迅速意识到，为新德意志帝国安装路灯将带来巨大的利润，但他们没有意识到的是，这也为一场科技革命敞开了大门。

说来也奇怪，这些微不足道的电灯泡却为整个科学界最具分量的理论的诞生做出了贡献，这个理论就是量子力学，很多科学家毕其一生研究这个理论。

这是因为，如果倒回到19世纪，灯泡的发明也随之带来一个奇怪的问题。工程师们都知道，如果你用电来加热灯丝，它就会发光。而物理学家们在研究它时，对其发光的原理一无所知，尤其涉及到灯芯的温度与其产生光的颜色之间的关系，对这个基础问题人们仍无法解答。

普朗克选了看似简单的问题，为什么光的颜色会随着灯芯温度的升高而改变？为了能更直观地体会到普朗克所面临的难题。有些人可能骑过用老式发电机来给老式电灯供电的自行车，骑得越快，灯泡就越亮，发电机产生的电量也就越多，灯芯的温度越高，从而灯泡就越亮。

但是灯泡的灯光并不只是变得更亮，它的颜色同样也在改变。当加速骑行时，其颜色会从红色变成橙色再变成黄色。如果继续加速骑行，灯会变得更亮，但其颜色似乎保持不变，始终是黄白色！

为什么光不会再变蓝呢？为了探究这个问题，普朗克和他的同时建造了一个黑体辐射器，这是一个特殊的管状装置，它可以加热到极其精确的温度，并用来测量光所产生的颜色和频率。如今100多年过去了，德国物理技术研究院仍然在进行着同样的测量，只不过更精确了。

装置显示，当温度800度时，发射出来的颜色是橘黄色，而当温度上升到2000度时，发射出来的是更加明亮的白色光芒，要产生这种颜色和强度的光，需要大约40千瓦的电力。尽管灯光更加白亮，呈现红白色，当仍然几乎看不到蓝色，为何蓝色的产生要比红色更难？

在光谱的更远端，超出蓝色之后，就是所谓的紫外线，其产生难度可想而知，即便观察如太阳那般火热的物体，其温度达到5500摄氏度，所产生光的大部分都为可见光，而考虑到其炽热的温度，紫外线却微乎其微，到底为什么？为何紫外线光的产生如此之难？对于这种经典理论所遇到的困境，19世纪末的科学家们给它起了一个极具戏剧性的名称，他们把其称之为紫外灾难。

在攻克难题上，普朗克则迈出了至关重要的第一步，他发现了精确的数学表达，将光的颜色，频率和其能量联系起来，但他却不明白其关联有何意义。然而，另一个令人费解的现象让本已不安的局面又蒙上了一层阴影。

在19世纪末，科学家们纷纷研究着最新发现的无线电波以及其传播的方式。为了方便研究，他们建造了许多实验设备。研究结果表明，光和电之间存在着某种神秘的关系，被称为“光电效应”!

紫外灾难和光电效应是物理学家所面临的两大难题，因为仅凭当时有限的科技水平，难以做出正确的解释。从科学角度，可以确切地说，光是一种波！

观察我们周围，光能完美地表现出波的特性，留一下光线照到我们的手掌留下的阴影，其边缘十分模糊，我们知道这是因为光在遇到手的边缘时，会发生细微的弯曲从而变得模糊，就如同水波遇到障碍物那样，具有与波完全相同的基本特性。

尽管这种波理论能完美解释诸如影子这种现象，但当用其来解释紫外灾难和光电效应时，就显得力不从心了。问题就在于，光是怎么做到的？为了能抓住这个不可思议的现象的本质，科学家们发现也许波浪在水中的表现也许会有所帮助。

波浪越大，所具有的能量就越多，如果光是一种波，越强的光则应能击退越多的电子，但事实上并非如此，所以把光当作波并不能解决难题。为了解答这个问题，就需要有异乎寻常的思考方式。而在1905年，有一个人就做到了，你或许听说过他，他的名字就是阿尔伯特-爱因斯坦！

位于柏林的阿恒霍德天文台，有一架很大的天文望远镜，这架望远镜始建于1896年，是同类型中规模最大的，从而使得该天文台成为新时代科技界中惊骇世俗的代表。爱因斯坦曾在此发表了他拿关于相对论的著名演说，这也是使得他名声大噪，却不是让他获得诺贝尔奖的那次。

1905年，爱因斯坦又提出了用来解释光电效应的新理论，而他的想法颇具划时代意义，甚至还有些叛逆，他认为我们需要完全抛弃光是波的观念，转而要把光当作是一束微小的粒子，而他用来形容光粒子的术语正是量子。

在爱因斯坦看来，一个量子就是一小股能量，尽管在当时科技并不发达的1905年，他把光当作量子的想法也足够疯狂。但就是遵循爱因斯坦这看似疯狂的理论，经过缜密的逻辑推算，所有关于光的难题都迎刃而解。

根据爱因斯坦的理论，每个红色光粒子都携带极少的能量，因为红光频率较低，所以即使用很多红光粒子的强光也很难去除金属板表面的电子，而用紫外线就能很轻松地去除金属板上的电子，这是因为紫外线有更高的频率。

爱因斯坦提出的光是由无数小的粒子或者量子组成的理论，恰是光电效应的完美解释。同时，这套精妙理论也帮助解释了普朗克对灯泡的疑惑，紫外线之所以微乎其微，是因为产生紫外线量子需要巨大的能量，是产生普通光量子的100倍以上，难怪灯光中几乎不存在。

更多宇宙探索，敬请关注yzdaquan