1.2.1 经典物理学的“紫外灾难”

虽然经典物理学看起来已经相当完整，但它很快就遭遇了新的挑战。随着科学的发展和世界的变革，牛顿力学在一些特殊的应用情景下居然“失灵”了。其中的典型问题，就是曾任英国皇家学会会长的知名物理学家开尔文在1900年4月举行的一场演讲中提到的“两朵乌云”：第一朵“乌云”主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果与以太漂移学说相矛盾；第二朵“乌云”主要是指热学中的能量均分原则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。

要知道，按照1900年以前人们的认知，光是一种波，具有一定的频率，而频率就是一个物体在单位时间内振动的次数。例如，一个篮球一秒钟弹跳一次，就被称为1赫兹，我们每秒钟可以打出3个字，就是3赫兹。在波的现象中，一秒钟波在一个点处振动的次数，被称为这个波的赫兹数。对于光波所携带的能量也是如此，光波在一秒钟内振动的次数越多，其所携带的能量就越大。因此，测量光具有的能量就是计算其在一秒钟内振动的次数。红光、绿光、蓝紫光在一秒钟内振动的次数不同，其所携带的能量就不同。

在这样的前提下，我们还需要知道一个常识性的知识，那就是任何固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，也就是光。举一个简单的例子：当一个铁块被加热时，我们能先感觉到外面在“发热”，虽然铁块还是原来的颜色，但它所发出的电磁波已经改变了——这个时候，它所释放出的是肉眼不可见的电磁波（红外线）。我们看不到这些电磁波，却可以感受到它辐射出的效应——发热。当我们把铁块继续加热，在超过550°C时，它就会发射出肉眼可见的红色光。随着温度的升高，铁块颜色还会逐渐变为橙色、黄白色、青白色。

根据三原色原理，三种颜色的光同时释放时，就变成了白色光。例如，当白炽灯泡中的钨丝温度达到2200°C时，释放出的光就是白色的。当我们把物体继续加热到5000°C以上时，就会释放出更高频率的光——蓝光、紫光和紫外线。

根据1900年以前人们的认知，一个被加热的物体，会在所有频率段同等地发射电磁波。按照这一逻辑，温度越高则释放出的所携带的能量就越高，以至于温度达到100000°C时，会释放出极高频率的电磁波。

也就是说，随着温度的不断升高，如果把光看成连续发射出的波，那么被加热的物体释放出的光的频率将是无限的，即其辐射的总量也是无限的。因为所释放出的电磁波都在紫外线一端。因此，1911年，埃伦费斯特把这种推断出的会释放无限频率和无限辐射总量的现象称为“紫外灾难”。当然，“紫外灾难”只是人们在理论上得出的一个“结果”，即高热物体会无限地放出高频光，但这一推论和事实相违背。

此前，在研究电磁波时，科学家就在热力学范畴建立了一个理想模型——黑体，为了研究不依赖于物质具体属性的热辐射规律，物理学家以黑体作为热辐射研究的标准物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1、透射系数为0。而我们已经知道，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度越高，辐射出的总能量就越大，短波成分就越多。随着温度上升，黑体所辐射出来的电磁波被称为黑体辐射。

通过测量黑体实际释放的辐射，物理学家发现，黑体辐射并非像经典理论预言的“在紫外区趋向无穷”，而是在“临近波谱的可见光区中间的位置”达到峰值。也就是说，随着温度的升高，辐射的能量会先出现一个峰值，再随波长的减小而衰减。太阳就是一个最好的黑体，太阳表面的温度是6000°C，如果光是波，那么太阳的光绝大部分应该以紫外线的方式发射出来，然而实际情况却是，太阳所发射出最多的光并非紫外线，而是白光。紫外线和高能射线只占太阳辐射总量的极少一部分。

因此，当我们把光设想成波，就会引发理论与实际检测上的不一致。物理学家对于这种奇怪的、不符合理论的数据感到迷惑，也无法理解。

于是，经典物理学理论出现了物理学家无法解释的“失灵”，而当时的物理学家或许不会想到，正是黑体辐射问题，成了后来动摇经典物理学大厦的开始。