Quantenmechanik in einem winzigen Fenster versteckt? Deshalb rate ich Ihnen, nachts die Vorhänge zuzuziehen!

Mit der fortschreitenden Urbanisierung sind Hochhäuser heute weit verbreitet und Wohngebäude werden immer höher. Wenn uns langweilig ist, schauen viele Klassenkameraden wie ich, glaube ich, immer gerne aus dem Fenster auf das geschäftige Wasser und die hohen Gebäude. Ich frage mich, ob Ihnen aufgefallen ist, dass die Fenster in den Häusern anderer Leute tagsüber stockfinster sind, Sie aber beim Betreten ihrer Häuser feststellen, dass diese zwar gut beleuchtet und sehr hell sind, von außen jedoch sehr dunkel. Nachts kann man durch die Fenster deutlich die innere Struktur fremder Häuser erkennen. Das hat mich zum Nachdenken gebracht: Die Lichtintensität am Tag unterscheidet sich nicht wesentlich von der in der Nacht (die Lichtintensität in Innenräumen beträgt tagsüber etwa 100–500 Lux und die Lichtintensität von LED-Leuchten in der Nacht 100–300 Lux). Warum kann ich tagsüber keine Dinge in den Häusern anderer Leute sehen?

Zunächst müssen wir hier ein Konzept des Lichts erklären – die Reflexion. Bei der Reflexion unterscheidet man zwischen spiegelnder und diffuser Reflexion. Wenn Licht auf eine glatte Oberfläche trifft, wird es in eine Richtung reflektiert. Dabei handelt es sich um eine spiegelnde Reflexion. Wie in Abbildung 1 dargestellt. Wenn Licht auf eine unebene Oberfläche trifft, wird es in alle Richtungen reflektiert. Dies ist eine diffuse Reflexion, wie in Abbildung 2 dargestellt. Wenn Licht auf ein Objekt trifft, wird es reflektiert, oder wenn es durch ein Objekt hindurchgeht, wird es gebrochen.

Jetzt sollte jeder verstanden haben, was Reflexion ist, also werden wir als nächstes über eine neue physikalische Größe sprechen – den schwarzen Körper. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei einem Objekt um einen absolut schwarzen Körper, wenn es einfallende elektromagnetische Wellen verschiedener Wellenlängen vollständig und ohne Reflexion absorbieren kann. Wie in Abbildung 4.1-1 gezeigt, wird in der Wand der Kavität ein sehr kleines Loch geöffnet. Die in das kleine Loch eintretenden elektromagnetischen Wellen werden an der Innenfläche des Hohlraums mehrfach reflektiert und absorbiert und können schließlich nicht mehr aus dem Hohlraum austreten. Dieser Hohlraum mit einem kleinen Loch kann als absoluter schwarzer Körper angenähert werden. Licht ist auch eine elektromagnetische Welle. Daraus lässt sich das vorherige Problem leicht erklären. Das Fenster ist sehr klein, aber der Raum ist sehr groß. Nachdem das Licht durch das Fenster in den Raum gelangt, kommt es zu zahlreichen Reflexionen, die den Raum sehr hell machen. Von außen wird jedoch aufgrund der Mehrfachreflexionen und Lichtdämpfung nur sehr wenig Licht aus dem Raum reflektiert. Mit anderen Worten kann der Raum zu diesem Zeitpunkt als annähernd schwarzer Körper betrachtet werden, sodass wir die Innenumgebung von außen nicht sehen können. Da das Licht nachts aus dem Inneren des Raumes ausgestrahlt wird, kann viel Licht durch die Fenster in unsere Augen gelangen, sodass wir nachts in die Häuser anderer Leute sehen können.

Kehren wir zur physikalischen Größe des schwarzen Körpers zurück. Es kann keine elektromagnetischen Wellen reflektieren (das Licht, das tagsüber in den Raum scheint, kann nicht hinausgelangen), aber es kann elektromagnetische Wellen nach außen abstrahlen (viel Licht kann nach außen gelangen, wenn nachts das Licht eingeschaltet wird). Wir nennen dieses Phänomen „Schwarzkörperstrahlung“. Im 19. Jahrhundert wurde aufgrund der Anforderungen der Metallurgie, der Sterntemperaturmessung usw. viel Forschung zur Wärmestrahlung betrieben. Damals konnten Physiker die Intensitätsverteilung der Wärmestrahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge relativ genau messen. Untersuchungen zeigen, dass die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen bei Objekten aus allgemeinen Materialien nicht nur von der Temperatur abhängt, sondern auch von der Art des Materials und der Oberflächenbeschaffenheit. Die Intensität der von einem schwarzen Körper abgestrahlten elektromagnetischen Wellen hängt jedoch nur hinsichtlich der Wellenlängenverteilung mit der Temperatur des schwarzen Körpers zusammen. Daher begann man, die Gesetze der Schwarzkörperstrahlung zu erforschen. Durch den Einsatz spektroskopischer Technologie und Geräte wie Thermoelemente kann die Intensitätsverteilung elektromagnetischer Schwarzkörperstrahlungswellen nach Wellenlänge gemessen werden. Wie in Abbildung 4.1-2 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass mit steigender Temperatur die Strahlungsintensität jeder Wellenlänge zunimmt. Andererseits verschiebt sich die maximale Strahlungsintensität in Richtung kürzerer Wellenlänge.

Man versuchte, dieses Gesetz zu erklären. Die Entwicklung der Wissenschaft muss universelle Gesetze finden, also begannen Wissenschaftler zu erforschen, wie man dieses Gesetz berechnet. Nach dem damaligen Kenntnisstand der Physik erzeugte die Schwingung jedes geladenen Teilchens ein sich änderndes elektromagnetisches Feld und damit elektromagnetische Strahlung. Daher verwendeten Wissenschaftler Newtons Grundprinzipien der Mechanik und des Elektromagnetismus, um diese theoretische Erklärung abzuleiten.

Im Jahr 1896 schlugen der deutsche Physiker Wien und im Jahr 1900 der britische Physiker Rayleigh theoretische Formeln für die Verteilung der Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge vor. Die von ihnen vorgeschlagenen Formeln können nur einen Teil der experimentellen Phänomene erklären. Die Wien-Formel kommt dem Experiment im Kurzwellenbereich sehr nahe, weicht jedoch stark vom Experiment im Langwellenbereich ab; Die Rayleigh-Formel stimmt im Wesentlichen mit dem Experiment im Langwellenbereich überein, ist jedoch im Kurzwellenbereich ernsthaft inkonsistent mit dem Experiment.

Als die Leute ratlos waren, fand Planck eine Formel, die perfekt zu den experimentellen Ergebnissen passte. Anschließend kombinierte er Elektromagnetismus, Mechanik, statistische Physik und andere Disziplinen, um die Formel abzuleiten. Er nahm kühn an, dass die Energie der von geladenen Teilchen erzeugten elektromagnetischen Strahlung nicht kontinuierlich, sondern portionsweise vorliegt, also ein ganzzahliges Vielfaches eines bestimmten Mindestenergiewerts € ist. Wie zum Beispiel 1 €, 2 € … Wir nennen diesen minimalen Energiewert € ein Energiequant und der Ausdruck lautet:

€=hv

Dabei ist h eine Konstante, wir nennen sie Plancksche Konstante, und v ist die Schwingungsfrequenz des Teilchens. Der Wert von h ist h=6,62607015*10-34J.S

Plancks Annahme über den Energiewert mikroskopisch kleiner geladener Teilchen unterscheidet sich stark von unserem Verständnis von Energie in der makroskopischen Welt. Beispielsweise drückt ein Federschwinger eine Kugel aus ihrer Gleichgewichtslage und beginnt, mit der Energie E zu schwingen. Beim nächsten Mal können wir sie etwas weiter drücken, um sie mit etwas mehr Energie schwingen zu lassen, zum Beispiel 1,2E oder 1,3E. Wir können es auch weiter schieben, um ihm mehr Energie zu geben. Die Energie eines Federschwingers ist nicht unbedingt ein ganzzahliges Vielfaches eines Mindestwerts. Solange er innerhalb der Elastizitätsgrenze liegt, können wir den Ball in jede beliebige Position stoßen und seine Energie kann jeden beliebigen Wert annehmen.

Daraus ist ersichtlich, dass der Energiewert des makroskopischen Federschwingers kontinuierlich ist. Plancks Hypothese besagt, dass die Energie mikroskopischer Teilchen quantisiert ist, oder anders ausgedrückt, die Energie mikroskopischer Teilchen ist diskret. Dies ist einer der wichtigsten Unterschiede zwischen den physikalischen Gesetzen der mikroskopischen und der makroskopischen Welt.

Daher ermöglichte Plancks Hypothese im Jahr 1900 erstmals einen Einblick in die physikalischen Gesetze der mikroskopischen Welt. Von da an trat für die Physik eine neue Ära ein. Planck selbst wurde hierfür 1918 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Plancks kühne Hypothese und sein Beweis leiteten eine neue Ära der Physik ein – die Ära der Quantenmechanik. Er ist auch als „Vater der Quantentheorie“ bekannt. Ich hätte nie erwartet, dass ich durch ein kleines Fenster eine so riesige Welt der Quantenmechanik sehen könnte! Plancks Geschichte lehrt uns auch, dass wir uns nicht durch die verschiedenen Regeln und Vorschriften der Vergangenheit einschränken lassen sollten. Nur durch mutige Versuche und Innovationen können wir die wahren Gesetze und Werte erforschen. Wie Planck sagte: Die Geschichte der Wissenschaft ist nicht nur eine Reihe von Fakten, Regeln und den daraus resultierenden mathematischen Beschreibungen, sie ist auch eine Geschichte von Konzepten. Wenn wir ein neues Feld betreten, sind oft neue Konzepte erforderlich.

Daher können Sie tagsüber die Fenster öffnen und abends daran denken, die Vorhänge zu schließen. Gleichzeitig hoffe ich, dass wir die Wissenschaft in den kleinen Dingen des Lebens entdecken und die Augen dafür haben, die Wissenschaft zu entdecken.