1 量子诞生
大家知道，一个物体之所以看上去是白色的，那是因为它反射了所有频率的光波；反之，如果看上去是黑色的，那是因为它吸收了所有频率的光波。物理上为了研究热辐射问题，提出了一种理想的模型，这样的模型叫作“黑体”，指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体。绝对的黑体在自然界虽然不存在，但对“黑体”的研究是解决一切物体辐射的关键。
19世纪末，人们开始对黑体模型的热辐射问题开展研究。其实，很早的时候，人们就已经注意到对于不同的物体，温度和辐射频率似乎有一定的对应关联。比如说金属，有过生活经验的人都知道，要是我们把一块铁放在火上加热，那么到了一定温度的时候，它会变得暗红起来，温度再高些，它会变得橙黄，到了极高温度的时候，如果能想办法不让它汽化，我们可以看到铁块将呈现蓝白色。也就是说，加热物体的温度（或能量）与其释放的光的颜色之间有一定关系，而颜色又同光的频率（或波长）有关。
问题是，物体的辐射能量和频率究竟有着怎样的函数关系呢？
经过科学家的研究，在黑体问题上，我们得到了两套公式。可惜，一套只对长波有效，而另一套只对短波有效。这让人们非常郁闷，就像有两套衣服，其中一套上衣十分得体，但裤腿太长；另一套的裤子倒是合适，但上衣却小得无法穿上身。最要命的是，这两套衣服根本没办法合在一起穿，因为两个公式推导的出发点是截然不同的！从经典的麦克斯韦电磁波理论去推导，就得到适用于长波的瑞利－金斯公式；而从玻尔兹曼运动粒子的角度出发去推导，就得到适用于短波的维恩公式。总之，用他们的公式来解释黑体辐射，无论如何也不能使辐射能量和辐射光谱统一起来。
图1 普朗克
正当人们在黑体辐射的研究中遇到困境，并不知道这个问题最后将会得到一个怎样的解答的时候，一个德国人——马克斯·普朗克登上了舞台，物理学全新的一幕终于拉开了。命中注定，这个名字将要光照整个20世纪物理学史。
普朗克于1858年4月23日生于德国基尔的一个书香门第。他少年时代极喜欢音乐，以至于中学毕业后选择专业时，在音乐和自然科学间犹豫再三，即使到了大学他还在留恋音乐，并且亲自领导了一支乐队，又是学院合唱团的指挥。在他通向未来的大路上又遇到一次干扰，老师坚决反对他攻读理论物理。1924年普朗克在讲演中回忆说，当我开始研究时，我可敬的老师约里对我描绘物理是一门高度发展的、几乎是尽善尽美的科学。现在，能量守恒定律的发现给物理学戴上桂冠之后，这门科学作为一个完整的体系，已经建立起足够牢固，并接近于最终稳定的形式。
幸亏中学和大学的这两次干扰都没有动摇普朗克最终的决心。他21岁时通过了博士学位论文，获得慕尼黑大学的博士学位。他关于热力学方面的研究孕育了其后来的新思想。1886年，普朗克读到了维恩关于黑体辐射的论文，并对此表现出了极大的兴趣，决定彻底解决黑体辐射这个困扰人们多时的问题。最初，普朗克利用数学上的内插法，通过在黑体辐射的维恩公式与瑞利－金斯公式之间寻求统一，得到了黑体辐射公式。普朗克得到的黑体辐射公式能够解释黑体辐射的实验结果。但是，他不知道这个公式背后的物理意义，并没有认识到它将引起物理学根基的巨大变化。
为了解释他的新公式，后来普朗克回忆道：“即使这个新的辐射公式证明是绝对精确的，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，它的价值也只能是有限的。因此，……我就致力于找出这个公式的真正物理意义。这个问题促使我直接去考虑熵和概率之间的关系，也就是说，把我引到了玻尔兹曼的思想。”原来普朗克发现，仅仅引入内插法是不够的，如果要使他的新公式成立，他必须接受他一直不喜欢的统计力学，从玻尔兹曼的角度来看问题，把熵和概率引入系统中来。而在处理熵和概率的关系时，就必须做一个假定，假设能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。
1900年10月19日，柏林物理学会举行讨论会。会上，普朗克提出了一个自己推出的公式。这个公式无论对长波、短波、高温、低温都惊人地适用，维恩公式和瑞利－金斯公式被和谐地统一到一起。于是满座大惊，虽然还没有一个人能完全弄清楚这个新公式，但是在事实面前却无人提出反对意见。两个月之后，1900年12月14日，人们正在忙着准备欢度圣诞节。这一天，普朗克在德国物理学会上发表了他的大胆假设。他宣读了那篇只有3页的名留青史的论文«黑体光谱中的能量分布»，其中改变历史的是这段话：
为了找出n个振子具有总能量Un的可能性，我们必须假设Un是不可连续分割的，它只能是一些相同部件的有限总和……
请读者记住，1900年12月14日这个日子，就是量子的诞辰。那一年普朗克42岁。今日，他终于痛快淋漓地说：“一言以蔽之，我做的这件事，可以简单地看作是孤注一掷。我生性平和，不愿进行任何吉凶未卜的冒险。但是我经过6年的艰苦摸索，终于明白，经典物理对这个黑体辐射问题是丝毫没有办法的。旧的理论既然无能为力，那么就一定要寻找一个新的解释，不管代价多高也一定要把它找到。除了热力学的两条定律必须维持之外，至于别的，我准备牺牲我以前对物理所抱的任何一个信念。问题往往是这样，到实在不能解决时，抛弃旧框子，引入新概念，就立即迎刃而解了。”
普朗克引入了一个什么新概念呢？就是辐射的能量不是连续的，而是一份一份的，像机关枪里不断射出的子弹。这一份一份的能量普朗克把它称作“能量子”。但随后，在另一篇论文里，他就改称为“量子”，英语就是quantum。量子就是能量最小单位，就是能量里的一美分，一切能量的传输，都只能以这个量为基本单位来进行。它可以传输一个量子，两个量子，任意整数个量子，但却不能传输1/2量子、1/4量子。那样的状态是不允许的，就像你不能用现钱支付1/2美分一样。在两个基本单位之间，是能量的禁区，我们永远也不会发现能量的计量会出现小数点以后的数字。
那么，这个最小单位究竟是多少呢？从普朗克的辐射方程可以容易地推算出答案：它等于一个常数乘以特定辐射的频率。用一个简明的公式来表示：
E＝hν
其中E是单位量子的能量，ν是频率，h是一个神秘的量子常数，以它的发现者去命名为“普朗克常数”。它等于6.626×10-27尔格·秒，也就是6.626×10-34焦耳·秒。h这个值，后来竟是构成我们整个宇宙最为重要的三个基本物理常数之一，另外两个是引力常数G和光速c。G出现在牛顿万有引力公式
中，c出现在爱因斯坦质能等价公式E＝mc2中。正是这三个常数把宏观宇宙、微观世界与光速时空联系起来。
利用这个简明公式，我们可以做一些基本计算。比如对于频率为1015赫兹的辐射，对应的量子能量是多少呢？那么就简单地把1015乘以h＝6.6×10-34，算出结果等于6.6×10-19焦耳，也就是说，对于频率为1015赫兹的辐射，最小的“量子”是6.6×10-19焦耳，能量必须以此为基本单位来发送。当然，这个值非常小，也就是说量子非常精细，难以察觉。因此由它们组成的能量自然也十分细密，以至于我们通常看起来，能量的传输就好像是平滑连续的一样。
普朗克提出能量必须是有限个可能态，它不能是无限连续的，这有什么了不起的意义呢？
对此爱因斯坦这样评价道：“普朗克提出了一全新的、从未有人想到的概念，即能量量子化的概念。”“该发现奠定了20世纪所有物理学的基础，几乎完全决定了其以后的发展。”
在这以前，人们总是认为，一切物理过程都是连续的。德国数学家、哲学家莱布尼茨曾明确指出，“自然无飞跃”。牛顿也认为，自然界中的所有变化必然以连续的方式发生。这种连续性的假设，是微积分的基础。牛顿庞大的体系，便建筑在这个地基之上，度过了百年的风雨。同样，18世纪和19世纪的科学家和哲学家也都认为，物理过程必定是连续的。而普朗克第一次将不连续性引进物理领域，把物理学构筑起来的连续性原理体系毫不留情地彻底打破，引发出一场最为反叛和彻底的革命，也是最具传奇和史诗色彩的革命。
基本量子的发现，开创了物理学的新时代，它表明：原来物理过程可以是不连续的，认为一切自然现象无限连续的观念是一种误解，应该放弃。正如德国物理学家劳厄所说：“普朗克的关于能量的hν外延，不仅是对已有的物理学的改造，而且是一次革命。在以后的几十年内不仅越来越明显地显示出这一革命是多么深刻，而且也越来越显示出它是多么必要。借助于量子的观念，人们就能够进一步理解到在这以前，对于物理上还是封闭的各种原子过程。”
一眼看来，普朗克公式E＝hν实在太过于朴实，但就像大智者往往若愚，简洁无华的它其实也是深藏不露的。毫不夸张地说，量子化才是世界的本质！一个简单普适的公式总结了普朗克辉煌的人生，也彻底打破了我们以往对世界的认识。
1920年，普朗克因发现量子这一成就而获得诺贝尔物理学奖。他在一次演讲中谦虚地说：“如果一个矿工发现了一座金矿。那是因为地下本来就有金子。我不去发现量子原理，也总有人会去发现它的。”物理学发展到一定阶段总要推出自己的代表人物。