光是什么？人类如何透过光来分辨颜色？
在日常生活中，光可谓是无处不在，我们对其极为熟悉，然而对于量子，却往往感到陌生。事实上，光与量子之间存在着千丝万缕的紧密联系。本文就让我们一同深入探讨光与量子的奥秘。
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自然之光
“三光日月星”，太阳、月亮和星星作为人类最早认知的光源，在人类历史的长河中扮演着重要角色。
其中，太阳始终是我们身边最为常见且用途广泛的光源，它为地球带来了光明与温暖，是地球上几乎所有生命活动的能量源泉。
相比之下，月亮的光芒则较为暗淡，主要是反射太阳的光，在夜空中起到一定的照明和点缀作用。
而星星虽然繁多，但其光芒微弱，更多的是作为一种点缀，为浩瀚的夜空增添了一份神秘与浪漫的色彩。
此外，自然界中的雷电、野火等现象也会产生光，这些光往往具有瞬间性和突发性，与太阳等稳定的光源有所不同。
还有萤火虫发出的冷光，这种光独特而神秘，在夏夜的草丛中闪烁，宛如点点繁星，给人们留下了深刻的印象。
02
燧火之光
火的发明无疑是人类历史上的一个重大里程碑。燧人氏钻木取火的传说，便是这一伟大发明在文化上的重要遗迹，它象征着人类从茹毛饮血的原始时代迈向了文明的新阶段。
火不仅为人类提供了温暖、抵御了野兽的侵袭，还使人类能够烹饪食物，从而促进了人类大脑的发育和社会的进步。
当物体的温度升高时，便会发光，而且随着温度的不断升高，其发光的颜色也会发生相应的变化。
例如，以前常见的白炽灯就是依据这一原理工作的，通过将灯丝通电加热至白炽状态，使其利用热辐射发出可见光，从而为人们提供照明。
03
物理困境之光
到了19世纪末，实验学家们通过精确的测量，深入研究了物体的温度与发光颜色之间的对应关系，更确切地说，是特定温度下物体发光波长的分布情况。
他们发现，这种波长的分布呈现出一个显著的峰值特征，绝大部分的能量都集中聚集在该峰值附近。而对于过长或过短的波长，其能量则相对较少，几乎不存在明显的能量峰值。并且，随着物体温度的升高，峰值波长会逐渐变短，这也就导致了物体发光颜色会随着温度的变化而改变。
然而，当科学家们试图运用经典物理学来解释这些实验结果时，却遭遇了重重困难。
经典物理学能够在一定程度上理解为何能量在长波长区较少，但对于短波长区能量同样稀少的现象却难以给出合理的解释。
按照经典物理学的能量均分定理，在分配能量时，应当对所有波长的光一视同仁，不论其波长长短存在何种差异，每种光都应获得相同数量的能量，而该能量仅与温度的高低有关。但问题在于，光的波长理论上是可以无限制地变短的，这也就意味着光的种类实际上是无限多的。
倘若每种光都平等地获取相同数量的能量，那么系统的总能量将会趋近于无限大，这显然是极不合理的，这一困境便是所谓的“紫外灾难”。之所以称之为“紫外灾难”，是因为紫外光的波长比可见光和红外光的波长短，而在短波长区域出现的这种能量不合理分布的问题尤为突出。
这一问题与以太漂移实验的困境一起，被并称为19世纪末物理学天空上的两朵乌云，严重地困扰着当时的物理学家们。
04
量子革命之光
为了破解这一难题，著名物理学家普朗克进行了不懈的探索，他尝试了经典物理学中的各种方法，却均未取得成功。最终，在经过深入思考和反复研究后，他被迫提出了一个全新的概念——量子，从而掀起了20世纪物理学的伟大革命。
具体而言，普朗克认为光所携带的能量必须是量子化的，即光的能量等于普朗克常数乘以光的频率 。他指出，每种光能够获得的能量并非是连续可变的，而是以一份一份的形式存在。
其中，最小的能量单位为普朗克常数乘以光的频率。倘若这份能量大于物体温度所对应的能量，那么这种光便无法获得能量。
换句话说，经典物理学中的能量均分定理在这种情况下并不成立，每种光并非是平等的，只有那些每次所需能量小于物体温度的光才能够获得能量，而那些“太贪心”的光，也就是波长太短的光，则无法得到能量。
值得一提的是，普朗克的公式能够很好地解释“炉火纯青”这一成语所描述的实验现象。当炉子里的火焰颜色从金黄色转变为青色时，表明炉温有了显著的提升，这一现象在古代的冶炼实践中就已被人们所关注和应用，即便在现代的钢厂中，从钢水的颜色来判断炼钢炉内的温度，依旧是一种常用且重要的方法。
此外，普朗克的公式还能够解释太阳光的颜色。正是由于太阳表面的温度高达5000多度，使得太阳发出的光覆盖了赤橙黄绿青蓝紫等可见光波段，从而为地球带来了丰富多彩的光明世界。
不仅如此，微波作为一种波长很长的电磁波，也可以被看作是一种特殊的“光”。
通过测量宇宙微波背景辐射的波长分布情况，并利用普朗克公式进行计算，科学家们得出宇宙的温度大约为3开尔文，即摄氏零下270多度，这一结果为宇宙大爆炸理论提供了一个至关重要的实验观测证据。
当然，普朗克的贡献远不止于此。他所提出的量子概念，不仅仅是解决了当时经典物理学所面临的难题，更重要的是，这一概念彻底改变了我们对微观世界的传统看法，为后来量子力学的发展奠定了坚实的基础，最终引领了20世纪物理学的重大革命，推动了整个物理学领域乃至现代科技的飞速发展。
【文本来源@返朴的视频内容】
