第一个量子理论︰普朗克和黑体辐射

铁匠房里的高温金属加工品。橘黄色的光芒是物体因高温而发射出的热辐射之中看得见的那一部分。图片中每一样物品同样以热辐射形式散发着光芒，但亮度不足，且肉眼看不见较长的波长。远红外线摄影机可捕捉到这些辐射。

热辐射即物体因其自身温度而从物体表面发射出来的电磁辐射。一个物体经过充分加热，会开始发射出光谱中红色端的光线而变得火红。再进一步加热物体时会使颜色发生变化，发射出波长较短（频率较高）的光线。而且这个物体既可以是完美的发射体，同时也可以是完美的吸收体。当物体处于冰冷状态时，看起来是纯粹的黑色，此时物体几乎不会发射出可见光，而且还会吸纳落在物体上的光线。这个理想的热发射体就被视为黑体，而黑体发出的辐射就称为黑体辐射。

在19世纪末期，热辐射在实验上已有相当清晰的描述。维恩位移定律指出辐射最强处的波长，斯特藩-玻尔兹曼定律指出每一单位面积发射出的总能量。当温度逐步递增时，光的颜色会从红色转成黄色，再转成白色、蓝色。当峰值波长移向紫外线时，蓝色波长中仍有足够的辐射会发射出来，使物体持续显现成蓝色。物体绝对不会变得看不见，可见光的辐射会以单调形式逐步增强。所有频率段所发射的辐射量都会增强，但较短波长处的增强幅度相对要大的多，因此在强度分布里的峰值就会移向较短的波长。

不同温度下的黑体所辐射出的总能量和峰值波长。经典电磁理论过分高估增强幅度，特别是短波长的部分。

瑞利－金斯定律符合实验数据中的长波长部分。但在短波长部分，经典物理预测炽热物体所发射出的能量会趋于无穷大。这个被称为紫外灾变的结果显然是错的。

第一个能够完整解释热辐射光谱的模型是由马克斯·普朗克于1900年提出的普朗克把热辐射建立成一群处于平衡状态的谐振子模型。为了符合实验结果，普朗克不得不假设每一个谐振子必定以自身的特征频率为能量单位的整数倍，而不能随意发射出任意量的能量。也就是说，每一个谐振子的能量都经过“量子化”。每一个谐振子的能量量子与谐振子的频率成一比例，这个比例常数就称为普朗克常数。普朗克常数的符号为h，其值为6.63×10−34 J s，频率f的谐振子能量E为

此处

普朗克定律是物理学中第一个量子理论，也使普朗克荣获1918年的诺贝尔奖“为表扬普朗克对于能量量子的发现和促使物理学进步的贡献”。但当时普朗克认为量子化纯粹只是一种数学把戏，而非（我们今日所知的）改变了我们对世界的理解的基本原理。

概述

乌云

19世纪末，人们普遍认为，经典物理的宏伟框架似乎已经接近完成了，但对于一些新的实验发现，经典物理不能作出合理解释，因此，这种观念受到了挑战。在宏观尺度低速运动状态下，经典物理学理论有着完美的应用，但在解释大量微观粒子运动或物体以极高的速度运动时，经典理论遭受了巨大的困难。一种关于全局的观点认为，总的来说，从普通的观测中得到的结果受到了观测和理论预言的挑战（经典物理已经给不出可能的解释）。逐渐显露的景象是，宇宙表现出的行为倔强地违背着我们的常识。

在大尺度层面，相对论告诉我们对不同的观测者来说时间流逝的快慢并不相等。物质能转变为能量，反之亦然。两个以超过0.5倍光速的速度相向而行的物体无法以超过光的相对速度接近对方，时间历程会在接近大质量物体时变慢等等。事物并不是以我们的经验所习惯的方式运作着的。

在小尺度层面，奇异的现象更是无处不在。我们无法描述一个光子或电子从出发点到它被发现点之间的确定的位置或是运动轨迹。我们无法用日常的经验来判断一个粒子将在何处出现。它甚至会有一定的概率在一个封闭边界外出现。概率成为这个尺度上一切相互作用的关键因素。讨论任何原子尺度上的粒子的运动轨迹是没有意义的，因为如果我们要精确的测量粒子的位置，对其速度的测量的准确度就会降低，反之亦然。

在经典物理的时代，牛顿和他的追随者们相信光的本质是粒子，而另外一部分人（惠更斯等人）则认为光是在某种介质中传播的波。物理学家们并没有去寻找实验去证明某一方观点是否正确，而是设计了能够显示出光的频率等属于“波动性”的特征的实验，同时也有能显示出动量等“粒子性”特征的实验。而在此后的一些实验观测中，尺度较大的粒子，比如原子甚至是一些分子都显示出了“波动性”的特征。

1927年，尼尔斯·波尔这样写到：“如果有人没有被量子论所震惊的话，他就没有理解它。”

从乌云走向曙光

由左至右分别为︰普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、狄拉克、海森堡、泡利、薛定谔、费曼。

量子力学的基本问题源自17世纪对光的本质的研究以及19世纪初电和磁的本质被揭示出来。