上帝掷骰子吗——量子物理史话

Transcription

1

2 上 帝 掷 骰 子 吗? 量 子 物 理 史 话 CAPO 著

3 上 帝 掷 骰 子 吗 量 子 物 理 史 话 序 如 果 要 评 选 物 理 学 发 展 史 上 最 伟 大 的 那 些 年 代, 那 么 有 两 个 时 期 是 一 定 会 入 选 的 :17 世 纪 末 和 20 世 纪 初 前 者 以 牛 顿 自 然 哲 学 之 数 学 原 理 的 出 版 为 标 志, 宣 告 了 现 代 经 典 物 理 学 的 正 式 创 立 ; 而 后 者 则 为 我 们 带 来 了 相 对 论 和 量 子 论, 并 最 彻 底 地 推 翻 和 重 建 了 整 个 物 理 学 体 系 所 不 同 的 是, 今 天 当 我 们 再 谈 论 起 牛 顿 的 时 代, 心 中 更 多 的 已 经 只 是 对 那 段 光 辉 岁 月 的 怀 旧 和 祭 奠 ; 而 相 对 论 和 量 子 论 却 仍 然 深 深 地 影 响 和 困 扰 着 我 们 至 今, 就 像 两 颗 青 涩 的 橄 榄, 嚼 得 越 久, 反 而 更 加 滋 味 无 穷 我 在 这 里 先 要 给 大 家 讲 的 是 量 子 论 的 故 事 这 个 故 事 更 像 一 个 传 奇, 由 一 个 不 起 眼 的 线 索 开 始, 曲 径 通 幽, 渐 渐 地 落 英 缤 纷, 乱 花 迷 眼 正 在 没 个 头 绪 处, 突 然 间 峰 回 路 转, 天 地 开 阔, 如 河 出 伏 流, 一 泄 汪 洋 然 而 还 未 来 得 及 一 览 美 景, 转 眼 又 大 起 大 落, 误 入 白 云 深 处 不 知 归 路 量 子 力 学 的 发 展 史 是 物 理 学 上 最 激 动 人 心 的 篇 章 之 一, 我 们 会 看 到 物 理 大 厦 在 狂 风 暴 雨 下 轰 然 坍 塌, 却 又 在 熊 熊 烈 焰 中 得 到 了 洗 礼 和 重 生 我 们 会 看 到 最 革 命 的 思 潮 席 卷 大 地, 带 来 了 让 人 惊 骇 的 电 闪 雷 鸣, 同 时 却 又 展 现 出 震 撼 人 心 的 美 丽 我 们 会 看 到 科 学 如 何 在 荆 棘 和 沼 泽 中 艰 难 地 走 来, 更 加 坚 定 了 对 胜 利 的 信 念 量 子 理 论 是 一 个 复 杂 而 又 难 解 的 谜 题 她 像 一 个 神 秘 的 少 女, 我 们 天 天 与 她 相 见, 却 始 终 无 法 猜 透 她 的 内 心 世 界 今 天, 我 们 的 现 代 文 明, 从 电 脑, 电 视, 手 机 到 核 能, 航 天, 生 物 技 术, 几 乎 没 有 哪 个 领 域 不 依 赖 于 量 子 论 但 量 子 论 究 竟 带 给 了 我 们 什 么? 这 个 问 题 至 今 却 依 然 难 以 回 答 在 自 然 哲 学 观 上, 量 子 论 带 给 了 我 们 前 所 未 有 的 冲 击 和 震 动, 甚 至 改 变 了 整 个 物 理 世 界 的 基 本 思 想 它 的 观 念 是 如 此 地 革 命, 乃 至 最 不 保 守 的 科 学 家 都 在 潜 意 识 里 对 它 怀 有 深 深 的 惧 意 现 代 文 明 的 繁 盛 是 理 性 的 胜 利, 而 量 子 论 无 疑 是 理 性 的 最 高 成 就 之 一 但 是 它 被 赋 予 的 力 量 太 过 强 大, 以 致 有 史 以 来 第 一 次, 我 们 的 理 性 在 胜 利 中 同 时 埋 下 了 能 够 毁 灭 它 自 身 的 种 子 以 致 量 子 论 的 奠 基 人 之 一 玻 尔 (Niels Bohr) 都 要 说 : 如 果 谁 不 为 量 子 论 而 感 到 困 惑, 那 他 就 是 没 有 理 解 量 子 论 掐 指 算 来, 量 子 论 创 立 至 今 已 经 超 过 100 年, 但 它 的 一 些 基 本 思 想 却 仍 然 不 为 普 通 的 大 众 所 熟 知 那 么, 就 让 我 们 再 次 回 到 那 个 伟 大 的 年 代, 再 次 回 顾 一 下 那 场 史 诗 般 壮 丽 的 革 命, 再 次 去 穿 行 于 那 惊 涛 骇 浪 之 间, 领 略 一 下 晕 眩 的 感 觉 吧 我 们 的 快 艇 就 要 出 发, 当 你 感 到 恐 惧 或 者 震 惊 时, 请 务 必 抓 紧 舷 边 但 大 家 也 要 时 刻 记 住, 当 年, 物 理 史 上 最 伟 大 的 天 才 们 也 走 过 同 样 的 航 线, 而 他 们 的 感 觉, 和 我 们 是 一 模 一 样 的 i

4 上帝掷骰子吗 量子物理史话 附 新浪网友书评 这可能是最好的时代 这也可能是最坏的时代 这就是我们正面临的量子幽灵的时 代 2004 年初 一部来自民间写手 诞生于网络的科普作品 上帝掷骰子吗 量子物理史 话 在许多网站不胫而走 一部 20 余万字的科普即兴之作 既非名人轶事也非时事热点 竟能在充斥着浮躁气息的各大网站 论坛流传 这本身就是不同寻常的 究其根源 盖因书 中涉及的题材内涵极其丰富深远 量子论的出现比历史上任何一种理论都更彻底地改变了世 界的面貌和人类的思想 是 20 世纪最为深刻地影响了人类社会的事件 特别是作者以其卓 越的文笔将它深入浅出地展现出来 因此本书绝不仅仅是狭义意义上的科普书 更不只是局 限于物理专业的读者 它兼具科普 哲学 文学 传奇 探险故事 名人传记等多项功能 是一本面向具有初中以上文化水平的各个行业的读者的书 不同爱好的读者都可在书中找到 自己感兴趣的东西 如果你是哲学爱好者 希望在宇观和微观层面建立正确的世界观 让理性的光芒照亮心 田 如果你是文学爱好者 希望在文字间寻求那荡气回肠 诗情画意的优美意境 如果 你是探险爱好者 希望跟随人类史上最著名的科学大师们共同进行一段探索自然世界奥秘的 心灵旅程 领略那 无限风光在险峰 的酣畅淋漓 如果你准备学理工科 希望追根溯源 那支撑自然科学大厦的基石 如果你是文科出身 希望对自然科学最本质的基本思想和理 念有所了解但又畏惧那些理科书籍过于枯燥难懂 凡此种种 你都可以跟随本书的向导启 程 开始一趟神秘有趣的心灵之旅 这是一本激动人心 词章优美 妙趣横生 诱人深思 以一流的文学笔法相当准确地铨 述现代科学的自然哲学观的作品 作者网名 CAPO 此书是他/她利用业余时间撰写并在 网上连载 日积月累大约一年时间完成的 本人对作者的真实学术背景和身份一无所知 但 毫无疑问 作者具有惊人的广博学识 科学底蕴和文学才华 该书是过去 20 年间我国科普 领域一本罕见的精品 ii

5 上 帝 掷 骰 子 吗 量 子 物 理 史 话 目 录 序...i 第 01 章 黄 金 时 代 开 场 白 上 帝 的 神 秘 使 者 光 第 一 次 微 波 战 争 第 二 次 微 波 战 争 夕 阳 下 最 后 的 华 彩 乐 章...14 第 02 章 乌 云 灿 烂 天 空 中 的 两 朵 乌 云 黑 体 辐 射 的 紫 外 灾 变 普 朗 克 打 开 潘 多 拉 盒 子 量 子 的 创 生 走 向 量 子 时 代...30 第 03 章 火 流 星 光 电 效 应 的 困 惑 爱 因 斯 坦 的 光 量 子 第 三 次 微 波 战 争 卢 瑟 福 模 型 的 坠 毁 伟 大 的 三 部 曲...46 第 04 章 白 云 深 处 玻 尔 模 型 玻 尔 王 朝 的 衰 败 革 命 王 子 的 功 勋 电 子 居 然 是 个 波...60 第 05 章 曙 光 BKS 的 崩 溃 车 费 规 则 曙 光 已 经 出 现 海 森 堡 的 新 体 系 大 革 命 的 洪 流...78 第 06 章 大 一 统 横 空 出 世 的 薛 定 谔 方 程 海 森 堡 舌 战 薛 定 谔 波 恩 笑 谈 骰 子 物 理 学 变 成 摇 奖 机 器?! 粒 子? 波?...96 第 07 章 不 确 定 性 不 确 定 性 原 理 你 是 物 理 学 家? 我 真 为 你 们 惋 惜! 玻 尔 的 互 补 原 理 量 子 论 的 沼 泽 iii

6 上 帝 掷 骰 子 吗 量 子 物 理 史 话 7.5 波 函 数 坍 缩? 第 08 章 论 战 真 假 玻 色 教 授 爱 因 斯 坦 和 玻 尔 之 间 的 决 斗 爱 因 斯 坦 的 神 秘 光 箱 EPR 佯 谬 薛 定 谔 的 猫 死 在 了 这 个 世 界 第 09 章 测 量 问 题 维 格 纳 的 朋 友 意 识 使 波 函 数 坍 缩 延 迟 实 验 与 参 予 性 宇 宙 多 世 界 解 释 (MWI) 宇 宙 波 函 数 的 演 化 第 10 章 不 等 式 薛 定 谔 猫 为 什 么 不 是 又 死 又 活 量 子 自 杀 实 验 奇 妙 的 量 子 计 算 机 冯 诺 伊 曼 的 错 误 贝 尔 不 等 式 第 11 章 上 帝 的 判 决 复 乐 园, 贝 尔 的 憧 憬 爱 因 斯 坦 的 上 帝 死 了 原 子 中 的 幽 灵 实 用 主 义 的 系 综 解 释 GRW 大 道 第 12 章 新 探 险 世 界 只 有 一 个, 但 历 史 有 多 个! 退 相 干 历 史 (DH) 解 释 世 纪 人 类 社 会 最 深 刻 的 事 件 统 一 之 梦 超 弦 : 万 能 理 论? 尾 声 后 记 主 要 参 考 资 料 附 录 : 量 子 力 学 发 展 大 事 记 iv

7 第 01 章 黄金时代 第 01 章 黄金时代 19 世纪末的物理学天空中闪烁着金色的光芒 经典物理学的大厦在它的辉映下 是那样庄 严雄伟 溢彩流光 令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山上那亘古不变的宫殿 谁又 会想到 这震撼人心的壮丽 却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的余辉 1.1 开场白 我们的故事要从 1887 年的德国开始 位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城 市 在它的城中心 矗立着著名的 18 世纪的宫殿 郁郁葱葱的森林和温暖的气候也使得这 座小城成为了欧洲的一个旅游名胜 然而这些怡人的景色似乎没有分散海因里希 鲁道 夫 赫兹 Heinrich Rudolf Hertz 的注意力 现在他正在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里 专心致志地摆弄他的仪器 那时候 赫兹刚刚 30 岁 也许不会想到他将在科学史上成为和 他的老师赫耳姆霍兹 Hermann von Helmholtz 一样鼎鼎有名的人物 不会想到他将和卡 尔 本茨 Carl Benz 一样成为这个小城的骄傲 现在他的心思 只是完完全全地倾注在他 的那套装置上 赫兹的装置在今天看来是很简单的[参见图 1.1(a) 图 1.1(b)] 它的主要部分是一个电火 花发生器 有两个相隔很近的小铜球作为电 容 赫兹全神贯注地注视着这两个相对而视 的铜球 然后合上了电路开关 顿时 电的 魔力开始在这个简单的系统里展现出来 无 形的电流穿过装置里的感应线圈 并开始对 铜球电容进行充电 赫兹冷冷地注视着他的 装置 在心里面想象着电容两段电压不断上 升的情形 在电学的领域攻读了那么久 赫 兹对自己的知识是有充分信心的 他知道 随着电压的上升 很快两个小球之间的空气 就会被击穿 然后整个系统就会形成一个高 频的振荡回路 LC 回路 但是 他现在想 要观察的不是这个 图 1.1(a) 赫兹实验原理图 A B 是中间留有小空隙(约 0.1mm)的铜棒 分别接到高压感应圈的两电极上 感应圈 上的周期性电压加到两棒间的空气隙上 当电压升高到空气 被击穿时 电流就往复地通过空气隙而发生火花 这时就相 当于一个振荡偶极子 发射间断性的作减幅振荡的电磁波 如 果用 个不接感应圈的相同结构的偶极子 CD 来接收 适当 调节接收偶极子的位置 取向和长度 可以使它发生共振 在气隙间产生放电火花 证实振荡偶极子能够发射电磁波 果然 过了一会儿 随着细微的 啪 的一声 一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间 整个系统形成了一个完整的回路 细小的电流束在空气中不停地扭动 绽放出幽幽的荧光 赫兹反而更加紧张了 他盯着那串电火花 还有电火花旁边的空气 心里面想象了一幅 又一幅的图景 他不是要看这个装置如何产生火花短路 他这个实验的目的 是为了求证那 虚无飘渺的 电磁波 的存在 那是一种什么样的东西啊 它看不见 摸不着 到那时为止谁 也没有见过 验证过它的存在 可是 赫兹是坚信它的存在的 因为它是麦克斯韦 Maxwell 1

8 第 01 章 黄金时代 理论的一个预言 而麦克斯韦理论 哦 它在数学上简直完美得像一个奇迹 仿佛是上帝 的手写下的一首诗歌 这样的理论 很难想象它是错误的 赫兹吸了一口气 又笑了 不管 理论怎样无懈可击 它毕竟还是要通过实验来验证的呀 他站在那里看了一会儿 在心里面 又推想了几遍 终于确定自己的实验无误 如果麦克斯韦是对的话 那么在两个铜球之间就 应该产生一个振荡的电场 同时引发一个向外传播的电磁波 赫兹转过头去 在实验室的另 一边 放着一个开口的铜环 在开口处也各镶了一个小铜球 那是电磁波的接收器 如果麦 克斯韦的电磁波真的存在的话 那么它就会穿越这个房间到达另外一端 在接收器那里感生 一个振荡的电动势 从而在接收器的开口处也激发出电火花来 实验室里面静悄悄地 赫 兹一动不动地站在那里 仿佛 他的眼睛已经看见那无形的电 磁波在空间穿越 铜环接受器 突然显得有点异样 赫兹简直 忍不住要大叫一声 他把自己 的鼻子凑到铜环的前面 明明 白白地看见似乎有微弱的火花 在两个铜球之间的空气里闪 烁 赫兹飞快地跑到窗口 把 所有的窗帘都拉上 现在更清 楚了 淡蓝色的电花在铜环的 缺口不断地绽开 而整个铜环 却是一个隔离的系统 既没有 连接电池也没有任何的能量来 源 赫兹注视了足足有一分钟 之久 在他眼里 那些蓝色的 火花显得如此地美丽 终于他 揉了揉眼睛 直起腰来 现在 不用再怀疑了 电磁波真真实 实地存在于空间之中 正是它 激发了接收器上的电火花 他 胜利了 成功地解决了这个 8 图 1.1(b) 赫兹的实验简图 年前由柏林普鲁士科学院提出 悬赏的问题 同时 麦克斯韦的理论也胜利了 物理学的一个新高峰 电磁理论终于被建 立起来 伟大的法拉第 Michael Faraday 为它打下了地基 伟大的麦克斯韦建造了它的 主体 而今天 他 伟大的赫兹 为这座大厦封了顶 2

9 第 01 章 黄金时代 赫兹小心地把接受器移到不同的位置 电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽 根据实验 数据 赫兹得出了电磁波的波长 把它乘以电路的振荡频率 就可以计算出电磁波的前进速 度 这个数值精确地等于 30 万公里/秒 也就是光速 麦克斯韦惊人的预言得到了证实 原 来电磁波一点都不神秘 我们平时见到的光就是电磁波的一种 只不过它的频率限定在某一 个范围内 而能够为我们所见到罢了 无论从哪一个意义上来说 这都是一个了不起的发现 古老的光学终于可以被完全包容 于新兴的电磁学里面 而 光是电磁波的一种 的论断 也终于为争论已久的光本性的问题下 了一个似乎是不可推翻的定论 我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战 电磁波的 反射 衍射和干涉实验很快就做出来了 这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性 无疑是电磁理论的一个巨大成就 赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里 可是 作为一个纯粹的严肃的 科学家 赫兹当时却没有想到他的发现里面所蕴藏的巨大的商业意义 在卡尔斯鲁厄大学的 那间实验室里 他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘 根本没有料到他的实验会 带来一场怎么样的时代革命 赫兹英年早逝 还不到 37 岁就离开了这个他为之醉心的世界 然而 就在那一年 一位在伦巴底度假的 20 岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文 两年后 这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演 不久他的公司成立 并成功地 拿到了专利证 到了 1901 年 赫兹死后的第 7 年 无线电报已经可以穿越大西洋 实现两 地的实时通讯了 这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫 马可尼 Guglielmo Marconi 与此同时俄国的波波夫 Aleksandr Popov 也在无线通讯领域做了同样的贡献 他们掀起 了一场革命的风暴 把整个人类带进了一个崭新的 信息时代 不知赫兹如果身后有知 又 会做何感想 但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑 他是那种纯粹的科学家 把对真理的追求当作人生 最大的价值 恐怕就算他想到了电磁波的商业前景 也会不屑去把它付诸实践的吧 也许 在美丽的森林和湖泊间散步 思考自然的终极奥秘 在秋天落叶的校园里 和学生探讨学术 问题 这才是他真正的人生吧 今天 他的名字已经成为频率这个物理量的单位 被每个人 不断地提起 可是 或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢 1.2 上帝的神秘使者 光 上次我们说到 1887 年 赫兹的实验证实了电磁波的存在 也证实了光其实是电磁波 的一种 两者具有共同的波的特性 这就为光的本性之争画上了一个似乎已经是不可更改的 句号 说到这里 我们的故事要先回一回头 穿越时空去回顾一下关于光的那场大战 这也许 是物理史上持续时间最长 程度最激烈的一场论战 它几乎贯穿于整个现代物理的发展过程 中 在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印 3

10 第 01 章 黄 金 时 代 光, 是 每 个 人 见 得 最 多 的 东 西 ( 见 得 最 多 在 这 里 用 得 真 是 一 点 也 不 错 ) 自 古 以 来, 它 就 被 理 所 当 然 地 认 为 是 这 个 宇 宙 最 原 始 的 事 物 之 一 在 远 古 的 神 话 中, 往 往 是 一 道 亮 光 劈 开 了 混 沌 和 黑 暗, 于 是 世 界 开 始 了 运 转 光 在 人 们 的 心 目 中, 永 远 代 表 着 生 命, 活 力 和 希 望 在 圣 经 里, 神 要 创 造 世 界, 首 先 要 创 造 的 就 是 光, 可 见 它 在 这 个 宇 宙 中 所 占 的 独 一 无 二 的 地 位 可 是, 光 究 竟 是 一 种 什 么 东 西? 或 者, 它 究 竟 是 不 是 一 种 东 西 呢? 远 古 时 候 的 人 们 似 乎 是 不 把 光 作 为 一 种 实 在 的 事 物 的, 光 亮 与 黑 暗, 在 他 们 看 来 只 是 一 种 环 境 的 不 同 罢 了 只 有 到 了 古 希 腊, 科 学 家 们 才 开 始 好 好 地 注 意 起 光 的 问 题 来 有 一 样 事 情 是 肯 定 的 : 我 们 之 所 以 能 够 看 见 东 西, 那 是 因 为 光 在 其 中 作 用 的 结 果 人 们 于 是 猜 想, 光 是 一 种 从 我 们 的 眼 睛 里 发 射 出 去 的 东 西, 当 它 到 达 某 样 事 物 的 时 候, 这 样 事 物 就 被 我 们 所 看 见 了 比 如 恩 培 多 克 勒 (Empedocles) 就 认 为 世 界 是 由 水 火 气 土 四 大 元 素 组 成 的, 而 人 的 眼 睛 是 女 神 阿 芙 罗 狄 忒 (Aphrodite) 用 火 点 燃 的, 当 火 元 素 ( 也 就 是 光 古 时 候 往 往 光 火 不 分 ) 从 人 的 眼 睛 里 喷 出 到 达 物 体 时, 我 们 就 得 以 看 见 事 物 但 显 而 易 见, 这 种 解 释 是 不 够 的 它 可 以 说 明 为 什 么 我 们 睁 着 眼 可 以 看 见, 而 闭 上 眼 睛 就 不 行 ; 但 它 解 释 不 了 为 什 么 在 暗 的 地 方, 我 们 即 使 睁 着 眼 睛 也 看 不 见 东 西 为 了 解 决 这 个 困 难, 人 们 引 进 了 复 杂 得 多 的 假 设 比 如 认 为 有 三 种 不 同 的 光, 分 别 来 源 于 眼 睛, 被 看 到 的 物 体 和 光 源, 而 视 觉 是 三 者 综 合 作 用 的 结 果 这 种 假 设 无 疑 是 太 复 杂 了 到 了 罗 马 时 代, 伟 大 的 学 者 卢 克 莱 修 (Lucretius) 在 其 不 朽 著 作 物 性 论 中 提 出, 光 是 从 光 源 直 接 到 达 人 的 眼 睛 的, 但 是 他 的 观 点 却 始 终 不 为 人 们 所 接 受 对 光 成 像 的 正 确 认 识 直 到 公 元 1000 年 左 右 才 被 一 个 波 斯 的 科 学 家 阿 尔 哈 桑 (al-haytham) 所 提 出 : 原 来 我 们 之 所 以 能 够 看 到 物 体, 只 是 由 于 光 从 物 体 上 反 射 到 我 们 眼 睛 里 的 结 果 他 提 出 了 许 多 证 据 来 证 明 这 一 点, 其 中 最 有 力 的 就 是 小 孔 成 像 的 实 验, 当 我 们 亲 眼 看 到 光 通 过 小 孔 后 成 了 一 个 倒 立 的 像, 我 们 就 无 可 怀 疑 这 一 说 法 的 正 确 性 了 关 于 光 的 一 些 性 质, 人 们 也 很 早 就 开 始 研 究 了 基 于 光 总 是 走 直 线 的 假 定, 欧 几 里 德 (Euclid) 在 反 射 光 学 (Catoptrica) 一 书 里 面 就 研 究 了 光 的 反 射 问 题 托 勒 密 (Ptolemy) 哈 桑 和 开 普 勒 (Johannes Kepler) 都 对 光 的 折 射 作 了 研 究, 而 荷 兰 物 理 学 家 斯 涅 耳 (W.Snell) 则 在 他 们 的 工 作 基 础 上 于 1621 年 总 结 出 了 光 的 折 射 定 律 最 后, 光 的 种 种 性 质 终 于 被 有 业 余 数 学 之 王 之 称 的 费 尔 马 (Pierre de Fermat) 所 归 结 为 一 个 简 单 的 法 则, 那 就 是 光 总 是 走 最 短 的 路 线 光 学 终 于 作 为 一 门 物 理 学 科 被 正 式 确 立 起 来 但 是, 当 人 们 已 经 对 光 的 种 种 行 为 了 如 指 掌 的 时 候, 却 依 然 有 一 个 最 基 本 的 问 题 没 有 得 到 解 决, 那 就 是 : 光 在 本 质 上 到 底 是 一 种 什 么 东 西? 这 个 问 题 看 起 来 似 乎 并 没 有 那 么 难 回 答, 但 人 们 大 概 不 会 想 到, 对 于 这 个 问 题 的 探 究 居 然 会 那 样 地 旷 日 持 久, 而 这 一 探 索 的 过 程, 对 物 理 学 的 影 响 竟 然 会 是 那 么 地 深 远 和 重 大, 其 意 义 超 过 当 时 任 何 一 个 人 的 想 象 4

11 第 01 章 黄金时代 古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流 换句话说光是由一粒 粒非常小的 光原子 所组成的 这种观点一方面十分符合当时流行的元素说 另外一方面 当时的人们除了粒子之外对别的物质形式 也了解得不是太多 这种理论 我们把它称 之为光的 微粒说 微粒说从直观上看来是 很有道理的 首先它就可以很好地解释为什 么光总是沿着直线前进 为什么会严格而经 典地反射 甚至折射现象也可以由粒子流在 不同介质里的速度变化而得到解释 但是粒 子说也有一些显而易见的困难 比如人们当 时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时 候不会互相弹开 人们也无法得知 这些细 小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处 的 它们的数量是不是可以无限多 等等 图 1.2 光的微粒说与波动说 当黑暗的中世纪过去之后 人们对自然世界有了进一步的认识 波动现象被深入地了解 和研究 声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受 人们开始怀疑 既然声音是一种波 为什么光不能够也是波呢 十七世纪初 笛卡儿 Des Cartes 在他 方法论 的三个附录 之一 折光学 中率先提出了这样的可能 光是一种压力 在媒质里传播 不久后 意大利 的一位数学教授格里马第 Francesco Maria Grimaldi 做了一个实验 他让一束光穿过两 个小孔后照到暗室里的屏幕上 发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像 格里马第马上联 想起了水波的衍射 这个大家在中学物理的插图上应该都见过 于是提出 光可能是一种 类似水波的波动 这就是最早的光波动说 波动说认为 光不是一种物质粒子 而是由于介质的振动而产生的一种波 我们想象一 下水波 它不是一种实际的传递 而是沿途的水面上下振动的结果 光的波动说容易解释投 影里的明暗条纹 也容易解释光束可以互相穿过互不干扰 关于直线传播和反射的问题 人 们很快就认识到光的波长是很短的 在大多数情况下 光的行为就犹同经典粒子一样 而衍 射实验则更加证明了这一点 但是波动说有一个基本的难题 那就是任何波动都需要有介质 才能够传递 比如声音 在真空里就无法传播 而光则不然 它似乎不需要任何媒介就可以 任意地前进 举一个简单的例子 星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球 这对波动说 显然是非常不利的 但是波动说巧妙地摆脱了这个难题 它假设了一种看不见摸不着的介质 来实现光的传播 这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字 叫做 以太 Aether 就在这样一种奇妙的气氛中 光的波动说登上了历史舞台 我们很快就会看到 这个新 生力量似乎是微粒说的前世冤家 它命中注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争 他们两个的命运始终互相纠缠在一起 如果没有了对方 谁也不能说自己还是完整的 到了 后来 他们简直就是为了对手而存在着 这出精彩的戏剧从一开始的伏笔 经过两个起落 到达令人眼花缭乱的高潮 而最后绝妙的结局则更让我们相信 他们的对话几乎是一种可遇 5

12 第 01 章 黄金时代 而不可求的缘分 17 世纪中期 正是科学的黎明到来之前那最后的黑暗 谁也无法预见这两 朵小火花即将要引发一场熊熊大火 ******** 饭后闲话 说说 以太 Aether 正如我们在上面所看到的 以太最初是作为光波媒介的假设而提出的 但 以太 一词的 由来则早在古希腊 亚里士多德在 论天 一书里阐述了他对天体的认识 他认为日月星辰 围绕着地球运转 但其组成却不同与地上的四大元素水火气土 天上的事物应该是完美无缺 的 它们只能由一种更为纯洁的元素所构成 这就是亚里士多德所谓的 第五元素 以太 希腊文的 αηθηρ 而自从这个概念被借用到科学里来之后 以太在历史上的地位可以说 是相当微妙的 一方面 它曾经扮演过如此重要的角色 以致成为整个物理学的基础 另一 方面 当它荣耀不再时 也曾受尽嘲笑 虽然它不甘心地再三挣扎 改换头面 赋予自己新 的意义 却仍然逃不了最终被抛弃的命运 甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词 但无论 怎样 以太的概念在科学史上还是占有它的地位的 它曾经代表的光媒以及绝对参考系 虽 然已经退出了舞台 但直到今天 仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念 它就像是一张 泛黄的照片 记载了一个贵族光荣的过去 今天 以太 Ether 作为另外一种概念用来命 名一种网络协议 Ethernet 看到这个词的时候 是不是也每每生出几许慨叹 向以太致敬 1.3 第一次微波战争 上次说到 关于光究竟是什么的问题 在十七世纪中期有了两种可能的假设 微粒说和 波动说 然而在一开始的时候 双方的武装都是非常薄弱的 微粒说固然有着悠久的历史 但是 它手中的力量是很有限的 光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领地 但波动 方面军队在发展了自己的理论后 迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色 而波动论作为一 种新兴的理论 格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝 但它却拖着一个沉重的包袱 就是光以太的假设 这个凭空想象出来的媒介 将在很长一段时间里成为波动军队的累赘 两支力量起初并没有发生什么武装冲突 在笛卡儿的 方法论 那里 他们还依然心平 气和地站在一起供大家检阅 导致 第一次微波战争 爆发的导火索是波义耳 Robert Boyle 中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人 在 1663 年提出的一个理论 他认为我们看到的各种颜色 其实并不是物体本身的属性 而是光照上去才产生的效果 这 个论调本身并没有关系到微粒波动什么事 但是却引起了对颜色属性的激烈争论 在格里马第的眼里 颜色的不同 是因为光波频率的不同而引起的 他的实验引起了胡 克 Robert Hooke 的兴趣 胡克本来是波义耳的实验助手 当时是英国皇家学会的会员 6

13 第 01 章 黄 金 时 代 同 时 也 兼 任 实 验 管 理 员 他 重 复 了 格 里 马 第 的 工 作, 并 仔 细 观 察 了 光 在 肥 皂 泡 里 映 射 出 的 色 彩 以 及 光 通 过 薄 云 母 片 而 产 生 的 光 辉 根 据 他 的 判 断, 光 必 定 是 某 种 快 速 的 脉 冲, 于 是 他 在 1665 年 出 版 的 显 微 术 (Micrographia) 一 书 中 明 确 地 支 持 波 动 说 显 微 术 这 本 著 作 很 快 为 胡 克 赢 得 了 世 界 性 的 学 术 声 誉, 波 动 说 由 于 这 位 大 将 的 加 入, 似 乎 也 在 一 时 占 了 上 风 然 而 不 知 是 偶 然, 还 是 冥 冥 之 中 自 有 安 排, 一 件 似 乎 无 关 的 事 情 改 变 了 整 个 战 局 的 发 展 1672 年, 一 位 叫 做 艾 萨 克 牛 顿 的 年 轻 人 向 皇 家 学 会 评 议 委 员 会 递 交 了 一 篇 论 文, 名 字 叫 做 关 于 光 与 色 的 新 理 论 牛 顿 当 时 才 30 岁, 刚 刚 当 选 为 皇 家 学 会 的 会 员 这 是 牛 顿 所 发 表 的 第 一 篇 正 式 科 学 论 文, 其 内 容 是 关 于 他 所 做 的 光 的 色 散 实 验 的, 这 也 是 牛 顿 所 做 的 最 为 有 名 的 实 验 之 一 实 验 的 情 景 在 一 些 科 学 书 籍 里 被 渲 染 得 十 分 impressive: 炎 热 难 忍 的 夏 天, 牛 顿 却 戴 着 厚 重 的 假 发 呆 在 一 间 小 屋 里 四 面 窗 户 全 都 被 封 死 了, 屋 子 里 面 又 闷 又 热, 一 片 漆 黑, 只 有 一 束 亮 光 从 一 个 特 意 留 出 的 小 孔 里 面 射 进 来 牛 顿 不 顾 身 上 汗 如 雨 下, 全 神 贯 注 地 在 屋 里 走 来 走 去, 并 不 时 地 把 手 里 的 一 个 三 棱 镜 插 进 那 个 小 孔 里 每 当 三 棱 镜 被 插 进 去 的 时 候, 原 来 的 那 束 白 光 就 不 见 了, 而 在 屋 里 的 墙 上, 映 射 出 了 一 条 长 长 的 彩 色 宽 带 : 颜 色 从 红 一 直 到 紫 牛 顿 凭 借 这 个 实 验, 得 出 了 白 色 光 是 由 七 彩 光 混 合 而 成 的 结 论 然 而 在 这 篇 论 文 中, 牛 顿 把 光 的 复 合 和 分 解 比 喻 成 不 同 颜 色 微 粒 的 混 合 和 分 开 胡 克 和 波 义 耳 正 是 当 时 评 议 会 的 成 员, 他 们 对 此 观 点 进 行 了 激 烈 的 抨 击 胡 克 声 称, 牛 顿 论 文 中 正 确 的 部 分 ( 也 就 是 色 彩 的 复 合 ) 是 窃 取 了 他 1665 年 的 思 想, 而 牛 顿 原 创 的 微 粒 说 则 不 值 一 提 牛 顿 大 怒, 马 上 撤 回 了 论 文, 并 赌 气 般 地 宣 称 不 再 发 表 任 何 研 究 成 果 其 实 在 此 之 前, 牛 顿 的 观 点 还 是 在 微 粒 和 波 动 之 间 有 所 摇 摆 的, 并 没 有 完 全 否 认 波 动 说 1665 年, 胡 克 发 表 他 的 观 点 时, 牛 顿 还 刚 刚 从 剑 桥 三 一 学 院 毕 业, 也 许 还 在 苹 果 树 前 面 思 考 他 的 万 有 引 力 问 题 呢 但 在 这 件 事 之 后, 牛 顿 开 始 一 面 倒 地 支 持 微 粒 说 这 究 竟 是 因 为 报 复 心 理, 还 是 因 为 科 学 精 神, 今 天 已 经 无 法 得 知 了, 想 来 两 方 面 都 有 其 因 素 吧 不 过 牛 顿 的 性 格 是 以 小 气 和 斤 斤 计 较 而 闻 名 的, 这 从 以 后 他 和 莱 布 尼 兹 关 于 微 积 分 发 明 的 争 论 中 也 可 见 一 斑 但 是, 一 方 面 因 为 胡 克 的 名 气, 另 一 方 面 也 因 为 牛 顿 的 注 意 力 更 多 地 转 移 到 了 运 动 学 和 力 学 方 面, 牛 顿 暂 时 仍 然 没 有 正 式 地 全 面 论 证 微 粒 说 ( 只 是 在 几 篇 论 文 中 反 驳 了 胡 克 ) 而 这 时 候, 波 动 方 面 军 开 始 了 他 们 的 现 代 化 进 程 用 理 论 来 装 备 自 己 荷 兰 物 理 学 家 惠 更 斯 (Christiaan Huygens) 成 为 了 波 动 说 的 主 将 惠 更 斯 在 数 学 理 论 方 面 是 具 有 十 分 高 的 天 才 的, 他 继 承 了 胡 克 的 思 想, 认 为 光 是 一 种 在 以 太 里 传 播 的 纵 波, 并 引 入 了 波 前 的 概 念, 成 功 地 证 明 和 推 导 了 光 的 反 射 和 折 射 定 律 他 的 波 动 理 论 虽 然 还 十 分 粗 略, 但 是 所 取 得 的 成 功 却 是 杰 出 的 当 时 随 着 光 学 研 究 的 不 断 深 入, 新 的 战 场 不 断 被 开 辟 :1665 年, 牛 顿 在 实 验 中 发 现 如 果 让 光 通 过 一 块 大 曲 率 凸 透 镜 照 射 到 光 学 平 玻 璃 板 上, 会 看 见 在 透 镜 与 玻 璃 平 板 接 触 处 出 现 一 组 彩 色 的 同 心 环 条 纹, 也 就 是 著 名 7

14 第 01 章 黄金时代 的 牛顿环 对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道 到了 1669 年 丹麦的巴塞林那斯 (E.Bartholinus)发现当光在通过方解石晶体时 会出现双折射现象 惠更斯将他的理论应用 于这些新发现上面 发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地 只需要作小小的改 制即可 比如引进椭圆波的概念 1690 年 惠更斯的著作 光论 Traite de la Lumiere 出版 标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点 不幸的是 波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫 因为在他们的对手那 里站着一个光芒四射的伟大人物 艾萨克 牛顿先生 而且马上就要成为爵士 这位科学 巨人 不管他是出于什么理由 已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击 为了避免再次引起和胡克之间的争执 导致不必要的误解 牛顿在战术上也进行了精心的安 排 直到胡克去世后的第二年 也就是 1704 年 牛顿才出版了他的煌煌巨著 光学 Opticks 在这本划时代的作品中 牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散 从粒子的角度解释了薄膜 透光 牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象 他驳斥了波动理论 质疑如果光如同声波一 样 为什么无法绕开障碍物前进 他也对双折射现象进行了研究 提出了许多用波动理论无 法解释的问题 而粒子方面的基本困难 牛顿则以他的天才加以解决 他从波动对手那里吸 收了许多东西 比如将波的一些有用的概念如振动 周期等引入微粒论 从而很好地解答了 牛顿环的难题 在另一方面 牛顿把粒子说和他的力学体系结合在了一起 于是使得这个理 论顿时呈现出无与伦比的力量 这完全是一次摧枯拉朽般的打击 那时的牛顿 已经再不是那个可以在评议会上被人质 疑的青年 那时的牛顿 已经是出版了 数学原理 的牛顿 已经是发明了微积分的牛顿 那个时候 他已经是国会议员 皇家学会会 长 已经成为科学史上神话般的人物 在世 界各地 人们对他的力学体系顶礼膜拜 仿 佛见到了上帝的启示 而波动说则群龙无首 惠更斯也早于 1695 年去世 这支失去了 领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座 坚固一点的堡垒 就遭到了毁灭性的打击 他们惊恐万状 溃不成军 几乎在一夜之间 丧失了所有的阵地 这一方面是因为波动自 己的防御工事有不足之处 它的理论仍然不 够完善 另一方面也实在是因为对手的实力 过于强大 牛顿作为光学界的泰斗 他的才 华和权威是不容质疑的 第一次微波战争就 这样以波动的惨败而告终 战争的结果是微 粒说牢牢占据了物理界的主流 波动被迫转 入地下 在长达整整一个世纪的时间里都抬 不起头来 然而 它却仍然没有被消灭 惠 8

15 第 01 章 黄金时代 更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力 默默潜伏着以待东山再起的那 天 ********* 饭后闲话 胡克与牛顿 胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家 两个人都在力学 光学 仪器等方面有着伟 大的贡献 两人互相启发 但是之间也存在着不少的争论 除了关于光本性的争论之外 他 们之间还有一个争执 那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题 胡克在力学与 行星运动方面花过许多心血 他深入研究了开普勒定律 于 1964 年提出了行星轨道因引力 而弯曲成椭圆的观点 1674 年他根据修正的惯性原理 提出了行星运动的理论 1679 年 他在写给牛顿的信中 提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念 但是说得比较模糊 并未加之量化 原文是 my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal 在牛顿的 原理 出版之后 胡克 要求承认他对这个定律的优先发现 但牛顿最后的回答却是把所有涉及胡克的引用都从 原 理 里面给删掉了 应该说胡克也是一位伟大的科学家 他曾帮助波义耳发现波义耳定律 用自己的显微镜 发现了植物的细胞 他在地质学方面的工作 尤其是对化石的观测 影响了这个学科整整 30 年 他发明和制造的仪器 如显微镜 空气唧筒 发条摆轮 轮形气压表等 在当时无 与伦比 他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一 在那个时代 他在力学和光学方面 是仅次于牛顿的伟大科学家 可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里 今天的牛顿名满天下 但今天的中学生只有从课本里的胡克定律 弹性定律 才知道胡克的名字 胡克死前已经变 得愤世嫉俗 字里行间充满了挖苦 他死后连一张画像也没有留下来 据说是因为他 太丑 了 1.4 第二次微波战争 上次说到 在微粒与波动的第一次交锋中 以牛顿为首的微粒说战胜了波动 取得了在 物理上被普遍公认的地位 转眼间 近一个世纪过去了 牛顿体系的地位已经是如此地崇高 令人不禁有一种目眩 的感觉 而他所提倡的光是一种粒子的观念也已经是如此地深入人心 以致人们几乎都忘了 当年它那对手的存在 然而 1773 年的 6 月 13 日 英国米尔沃顿 Milverton 的一个教徒的家庭里诞生了一 个男孩 叫做托马斯 杨 Thomas Young 这个未来反叛派领袖的成长史是一个典型的 天才历程 他两岁的时候就能够阅读各种经典 6 岁时开始学习拉丁文 14 岁就用拉丁文写 过一篇自传 到了 16 岁时他已经能够说 10 种语言 并学习了牛顿的 数学原理 以及拉瓦 锡的 化学纲要 等科学著作 9

16 第 01 章 黄金时代 杨 19 岁的时候 受到他那当医生的叔父的影响 决定去伦敦学习医学 在以后的日子里 他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读 最后还是回到剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业 在 他还是学生的时候 杨研究了人体上眼睛的构造 开始接触到了光学上的一些基本问题 并 最终形成了他的光是波动的想法 杨的这个认 识 是来源于波动中所谓的 干涉 现象 我们都知道 普通的物质是具有累加性的 一滴水加上一滴水一定是两滴水 而不会一起消 失 但是波动就不同了 一列普通的波 它有着 波的高峰和波的谷底 如果两列波相遇 当它们 正好都处在高峰时 那么叠加起来的这个波就会 达到两倍的峰值 如果都处在低谷时 叠加的结 果就会是两倍深的谷底 见图 1.4(a)左 但是 等等 如果正好一列波在它的高峰 另外一列波 图 1.4(a) 波的叠加 在它的谷底呢 答案是它们会互相抵消 如果两列波在这样 的情况下相遇 物理上叫做 反相 那么在它 们重叠的地方 将会波平如镜 既没有高峰 也 没有谷底 见图 1.4(a)右 这就像一个人把你 往左边拉 另一个人用相同的力气把你往右边 拉 结果是你会站在原地不动 托马斯 杨在研究牛顿环的明暗条纹的时 候 被这个关于波动的想法给深深打动了 为什 么会形成一明一暗的条纹呢 一个思想渐渐地 在杨的脑海里成型 用波来解释不是很简单吗 明亮的地方 那是因为两道光正好是 同相 的 它们的波峰和波谷正好相互增强 结果造成了两 倍光亮的效果 就好像有两个人同时在左边或者 右边拉你 而黑暗的那些条纹 则一定是两道 光处于 反相 它们的波峰波谷相对 正好互相 抵消了 就好像两个人同时在两边拉你 这一 大胆而富于想象的见解使杨激动不已 他马上着 手进行了一系列的实验 并于 1801 年和 1803 年分别发表论文报告 阐述了如何用光波的干涉 效应来解释牛顿环和衍射现象 甚至通过他的实 验数据 计算出了光的波长应该在 1/36000 至 1/60000 英寸之间 图 1.4(b) 光的双缝干涉 10

17 第 01 章 黄 金 时 代 在 1807 年, 杨 总 结 出 版 了 他 的 自 然 哲 学 讲 义, 里 面 综 合 整 理 了 他 在 光 学 方 面 的 工 作, 并 在 里 面 第 一 次 描 述 了 他 那 个 名 扬 四 海 的 实 验 : 光 的 双 缝 干 涉 后 来 的 历 史 证 明, 这 个 实 验 完 全 可 以 跻 身 于 物 理 学 史 上 最 经 典 的 前 五 个 实 验 之 列, 而 在 今 天, 它 已 经 出 现 在 每 一 本 中 学 物 理 的 教 科 书 上 [ 见 图 1.4(b)] 杨 的 实 验 手 段 极 其 简 单 : 把 一 支 蜡 烛 放 在 一 张 开 了 一 个 小 孔 的 纸 前 面, 这 样 就 形 成 了 一 个 点 光 源 ( 从 一 个 点 发 出 的 光 源 ) 现 在 在 纸 后 面 再 放 一 张 纸, 不 同 的 是 第 二 张 纸 上 开 了 两 道 平 行 的 狭 缝 从 小 孔 中 射 出 的 光 穿 过 两 道 狭 缝 投 到 屏 幕 上, 就 会 形 成 一 系 列 明 暗 交 替 的 条 纹, 这 就 是 现 在 众 人 皆 知 的 干 涉 条 纹 杨 的 著 作 点 燃 了 革 命 的 导 火 索, 物 理 史 上 的 第 二 次 微 波 战 争 开 始 了 波 动 方 面 军 在 经 过 了 百 年 的 沉 寂 之 后, 终 于 又 回 到 了 历 史 舞 台 上 来 但 是 它 当 时 的 日 子 并 不 是 好 过 的, 在 微 粒 大 军 仍 然 一 统 天 下 的 年 代, 波 动 的 士 兵 们 衣 衫 褴 褛, 缺 少 后 援, 只 能 靠 游 击 战 来 引 起 人 们 对 它 的 注 意 杨 的 论 文 开 始 受 尽 了 权 威 们 的 嘲 笑 和 讽 刺, 被 攻 击 为 荒 唐 和 不 合 逻 辑, 在 近 20 年 间 竟 然 无 人 问 津 杨 为 了 反 驳 专 门 撰 写 了 论 文, 但 是 却 无 处 发 表, 只 好 印 成 小 册 子, 但 是 据 说 发 行 后 只 卖 出 了 一 本 不 过, 虽 然 高 傲 的 微 粒 仍 然 沉 醉 在 牛 顿 时 代 的 光 荣 之 中, 一 开 始 并 不 把 起 义 的 波 动 叛 乱 分 子 放 在 眼 睛 里 但 他 们 很 快 就 发 现, 这 些 反 叛 者 虽 然 人 数 不 怎 么 多, 服 装 并 不 那 么 整 齐, 但 是 他 们 的 武 器 却 今 非 昔 比 在 受 到 了 几 次 沉 重 的 打 击 后, 干 涉 条 纹 这 门 波 动 大 炮 的 杀 伤 力 终 于 惊 动 整 个 微 粒 军 团 这 个 简 单 巧 妙 的 实 验 所 揭 示 出 来 的 现 象 证 据 确 凿, 几 乎 无 法 反 驳 无 论 微 粒 怎 么 样 努 力, 也 无 法 躲 开 对 手 的 无 情 轰 炸 : 它 就 是 难 以 说 明 两 道 光 叠 加 在 一 起 怎 么 会 反 而 造 成 黑 暗 而 波 动 的 理 由 却 是 简 单 而 直 接 的 : 两 个 小 孔 距 离 屏 幕 上 某 点 的 距 离 会 有 所 不 同 当 这 个 距 离 是 波 长 的 整 数 值 时, 两 列 光 波 正 好 互 相 加 强, 就 形 成 亮 点 反 之, 当 距 离 差 刚 好 造 成 半 个 波 长 的 相 位 差 时, 两 列 波 就 正 好 互 相 抵 消, 造 成 暗 点 理 论 计 算 出 的 明 亮 条 纹 距 离 和 实 验 值 分 毫 不 差 在 节 节 败 退 后, 微 粒 终 于 发 现 自 己 无 法 抵 挡 对 方 的 进 攻 于 是 它 采 取 了 以 攻 代 守 的 战 略 许 多 对 波 动 说 不 利 的 实 验 证 据 被 提 出 来 以 证 明 波 动 说 的 矛 盾 其 中 最 为 知 名 的 就 是 马 吕 斯 (Etienne Louis Malus) 在 1809 年 发 现 的 偏 振 现 象, 这 一 现 象 和 已 知 的 波 动 论 有 抵 触 的 地 方 两 大 对 手 开 始 相 持 不 下, 但 是 各 自 都 没 有 放 弃 自 己 获 胜 的 信 心 杨 在 给 马 吕 斯 的 信 里 说 : 您 的 实 验 只 是 证 明 了 我 的 理 论 有 不 足 之 处, 但 没 有 证 明 它 是 虚 假 的 决 定 性 的 时 刻 在 1819 年 到 来 了 最 后 的 决 战 起 源 于 1818 年 法 国 科 学 院 的 一 个 悬 赏 征 文 竞 赛 竞 赛 的 题 目 是 利 用 精 密 的 实 验 确 定 光 的 衍 射 效 应 以 及 推 导 光 线 通 过 物 体 附 近 时 的 运 动 情 况 竞 赛 评 委 会 由 许 多 知 名 科 学 家 组 成, 这 其 中 包 括 比 奥 (J.B.Biot) 拉 普 拉 斯 (Pierre Simon de Laplace) 和 泊 松 (S. D. Poission), 都 是 积 极 的 微 粒 说 拥 护 者 组 织 这 个 竞 赛 的 本 意 是 希 望 通 过 微 粒 说 的 理 论 来 解 释 光 的 衍 射 以 及 运 动, 以 打 击 波 动 理 论 11

18 第 01 章 黄金时代 但是戏剧性的情况出现了 一个不知名的法国年轻工程师 菲涅耳 Augustin Fresnel 当时他才 31 岁 向组委会提交了一篇论文 关于偏振光线的相互作用 在这篇论文里 菲涅耳采用了光是一种波动的观点 但是革命性地认为光是一种横波 也就是类似水波那样 振子作相对传播方向垂直运动的波 而不像从胡克以来一直所认为的那样是一种纵波 类似 弹簧波 振子作相对传播方向水平运动的波 从这个观念出发 他以严密的数学推理 圆 满地解释了光的衍射 并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题 他的体系完整而无缺 以 致委员会成员为之深深惊叹 泊松并不相 信这一结论 对它进行了仔细的审查 结 果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时 候 在阴影中间将会出现一个亮斑 这在 泊松看来是十分荒谬的 影子中间怎么会 出现亮斑呢 这差点使得菲涅尔的论文中 途夭折 但菲涅耳的同事阿拉果 Franois Arago 在关键时刻坚持要进行实验检测 结果发现真的有一个亮点如同奇迹一般地 出现在圆盘阴影的正中心 位置亮度和理 图 1.4(c) 圆盘衍射和泊松亮斑 论符合得相当完美 见图 1.4(c) 菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件 他获得了那一届的科学奖 Grand Prix 同时一跃成为了可以和牛顿 惠更斯比肩的光学界的传奇人物 圆盘阴影 正中的亮点 后来被相当有误导性地称作 泊松亮斑 成了波动军手中威力不下于干涉条纹 的重武器 给了微粒势力以致命的一击 起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领域 把微 粒从统治的地位赶了下来 后者在严厉的打击下捉襟见肘 节节溃退 到了 19 世纪中期 微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了 因为根据粒子论 这个速度应该 比真空中的光速要快 而根据波动论 这个速度则应该比真空中要慢才对 然而不幸的微粒军团终于在 1819 年的莫斯科严冬之后 又于 1850 年迎来了它的滑铁卢 这一年的 5 月 6 日 傅科 Foucault 他后来以 傅科摆 实验而闻名 向法国科学院提交了 他关于光速测量实验的报告 在准确地得出光在真空中的速度之后 他也进行了水中光速的 测量 发现这个值小于真空中的速度 这一结果彻底宣判了微粒说的死刑 波动论终于在 100 多年后革命成功 登上了物理学统治地位的宝座 在胜利者的一片欢呼声中 第二次微波战 争随着微粒的战败而宣告结束 但是波动内部还是有一个小小的困难 就是以太的问题 光是一种横波的事实已经十分 清楚 它传播的速度也得到了精确测量 这个数值达到了 30 万公里/秒 是一个惊人的高速 通过传统的波动论 我们必然可以得出它的传播媒介的性质 这种媒介必定是十分地坚硬 比最硬的物质金刚石还要硬上不知多少倍 然而事实是从来就没有任何人能够看到或者摸到 这种 以太 也没有实验测定到它的存在 星光穿越几亿亿公里的以太来到地球 然而这些 坚硬无比的以太却不能阻挡任何一颗行星或者彗星的运动 哪怕是最微小的也不行 12

19 第 01 章 黄金时代 波动对此的解释是以太是一种刚性的粒子 但是它却是如此稀薄 以致物质在穿过它们 时几乎完全不受到任何阻力 就像风穿过一小片丛林 托马斯 杨语 以太在真空中也 是绝对静止的 只有在透明物体中 可以部分地被拖曳 菲涅耳的部分拖曳假说 这个观点其实是十分牵强的 但是波动说并 没有为此困惑多久 因为更加激动人心的胜利很 快就到来了 伟大的麦克斯韦于 和 1865 年发表了三篇关于电磁理论的论文 这是一 个开天辟地的工作 它在牛顿力学的大厦上又完 整地建立起了另一座巨构 而且其辉煌灿烂绝不 亚于前者 麦克斯韦的理论预言 光其实只是电 磁波的一种 这段文字是他在 1861 年的第二篇论 文 论物理力线 里面特地用斜体字写下的 而 我们在本章的一开始已经看到 这个预言是怎么 样由赫兹在 1887 年用实验证实了的 波动说突然 发现 它已经不仅仅是光领域的统治者 而是业 已成为了整个电磁王国的最高司令官 波动的光 辉到达了顶点 只要站在大地上 它的力量就像 图 1.4(d) 麦克斯韦 古希腊神话中的巨人那样 是无穷无尽而不可战 胜的 而它所依靠的大地 就是麦克斯韦不朽的电磁理论 ********* 饭后闲话 阿拉果 Dominique Franois Jean Arago 的遗憾 阿拉果一向是光波动说的捍卫者 他和菲涅耳在光学上其实是长期合作的 菲涅耳关于 光是横波的思想 最初还是来源于托马斯 杨写给阿拉果的一封信 而对于相互垂直的两束 偏振光线的相干性的研究 是他和菲涅耳共同作出的 两人的工作明确了来自同一光源但偏 振面相互垂直的两支光束 不能发生干涉 但在双折射和偏振现象上 菲涅耳显然更具有勇 气和革命精神 在两人完成了 关于偏振光线的相互作用 这篇论文后 菲涅耳指出只有假 设光是一种横波 才能完满地解释这些现象 并给出了推导 然而阿拉果对此抱有怀疑态度 认为菲涅耳走得太远了 他坦率地向菲涅耳表示 自己没有勇气发表这个观点 并拒绝在这 部分论文后面署上自己的名字 于是最终菲涅耳以自己一个人的名义提交了这部分内容 引 起了科学院的震动 而最终的实验却表明他是对的 这大概是阿拉果一生中最大的遗憾 他本有机会和菲涅耳一样成为在科学史上大名鼎鼎 的人物 当时的菲涅耳还是无名小辈 而他在学界却已经声名显赫 被选入法兰西研究院时 得票甚至超过了著名的泊松 其实在光波动说方面 阿拉果做出了许多杰出的贡献 不在菲 涅耳之下 许多还是两人互相启发而致的 在菲涅耳面临泊松的质问时 阿拉果仍然站在了 13

20 第 01 章 黄金时代 菲涅耳一边 正是他的实验证实了泊松光斑的存在 使得波动说取得了最后的胜利 但关键 时候的迟疑 却最终使得他失去了 物理光学之父 的称号 这一桂冠如今戴在菲涅耳的头上 1.5 夕阳下最后的华彩乐章 上次说到 随着麦克斯韦的理论为赫兹的实验所证实 光的波动说终于成为了一个板上 钉钉的事实 波动现在是如此地强大 凭借着麦氏理论的力量 它已经彻底地将微粒打倒 并且很快 就拓土开疆 建立起一个空前的大帝国来 不久后 它的领土就横跨整个电磁波的频段 从 微波到 X 射线 从紫外线到红外线 从 γ 射线到无线电波 普通光线只是它统治下的一个 小小的国家罢了 波动君临天下 振长策而御宇内 四海之间莫非王土 而可怜的微粒早已 销声匿迹 似乎永远也无法翻身了 赫兹的实验也同时标志着经典物理的顶峰 物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌 令人叹为观止 牛顿的力学体系已经是如此雄伟壮观 现在麦克斯韦在它之上又构建起了同 等规模的另一幢建筑 它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视 电磁理论在数学上完美得难以置信 著名的麦氏方程组刚一问世 就被世人惊为天物 它所表现出的深刻 对称 优美使得每一 个科学家都陶醉在其中 玻尔兹曼 Ludwig Boltzmann 情不自禁地引用歌德的诗句说 难 道是上帝写的这些吗 一直到今天 麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范 即使在还没 有赫兹的实验证实之前 已经广泛地为人们所认同 许多伟大的科学家都为它的魅力折服 并受它深深的影响 有着对于科学美的坚定信仰 甚至认为 对于一个科学理论来说 简洁 优美要比实验数据的准确来得更为重要 无论从哪个意义上来说 电磁论都是一种伟大的理 论 罗杰 彭罗斯 Roger Penrose 在他的名著 皇帝新脑 The Emperor s New Mind 一书里毫不犹豫地将它和牛顿力学 相对论和量子论并列 称之为 Superb 的理论 物理学征服了世界 在 19 世纪末 它的力量控制着一切人们所知的现象 古老的牛顿 力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒 反而更加凸现出它的伟大和坚固来 从天 上的行星到地上的石块 万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则 1846 年海王星的发现 更是它所取得的最伟大的胜利之一 在光学的方面 波动已经统一了天下 新的电磁理论更 把它的光荣扩大到了整个电磁世界 在热的方面 热力学三大定律已经基本建立 第三定律 已经有了雏形 而在克劳修斯 Rudolph Clausius 范德瓦尔斯 J.D. Van der Waals 麦克斯韦 玻尔兹曼和吉布斯 Josiah Willard Gibbs 等天才的努力下 分子运动论和统计 热力学也被成功地建立起来了 更令人惊奇的是 这一切都彼此相符而互相包容 形成了一 个经典物理的大同盟 经典力学 经典电动力学和经典热力学 加上统计力学 形成了物理 世界的三大支柱 它们紧紧地结合在一块儿 构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂 这是一段伟大而光荣的日子 是经典物理的黄金时代 科学的力量似乎从来都没有这样 地强大 这样地令人神往 人们也许终于可以相信 上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了 再没有遗漏的地方 从当时来看 我们也许的确是有资格这样骄傲的 因为所知道的一切物 14

21 第 01 章 黄 金 时 代 理 现 象, 几 乎 都 可 以 从 现 成 的 理 论 里 得 到 解 释 力 热 光 电 磁 一 切 的 一 切, 都 在 控 制 之 中, 而 且 用 的 是 同 一 种 手 法 物 理 学 家 们 开 始 相 信, 这 个 世 界 所 有 的 基 本 原 理 都 已 经 被 发 现 了, 物 理 学 已 经 尽 善 尽 美, 它 走 到 了 自 己 的 极 限 和 尽 头, 再 也 不 可 能 有 任 何 突 破 性 的 进 展 了 如 果 说 还 有 什 么 要 做 的 事 情, 那 就 是 做 一 些 细 节 上 的 修 正 和 补 充, 更 加 精 确 地 测 量 一 些 常 数 值 罢 了 人 们 开 始 倾 向 于 认 为 : 物 理 学 已 经 终 结, 所 有 的 问 题 都 可 以 用 这 个 集 大 成 的 体 系 来 解 决, 而 不 会 再 有 任 何 真 正 激 动 人 心 的 发 现 了 一 位 著 名 的 科 学 家 ( 据 说 就 是 伟 大 的 开 尔 文 勋 爵 ) 说 : 物 理 学 的 未 来, 将 只 有 在 小 数 点 第 六 位 后 面 去 寻 找 普 朗 克 的 导 师 甚 至 劝 他 不 要 再 浪 费 时 间 去 研 究 这 个 已 经 高 度 成 熟 的 体 系 19 世 纪 末 的 物 理 学 天 空 中 闪 烁 着 金 色 的 光 芒, 象 征 着 经 典 物 理 帝 国 的 全 盛 时 代 这 样 的 伟 大 时 期 在 科 学 史 上 是 空 前 的, 或 许 也 将 是 绝 后 的 然 而, 这 个 统 一 的 强 大 帝 国 却 注 定 了 只 能 昙 花 一 现 喧 嚣 一 时 的 繁 盛, 终 究 要 像 泡 沫 那 样 破 灭 凋 零 今 天 回 头 来 看, 赫 兹 1887 年 的 电 磁 波 实 验 ( 准 确 地 说, 是 他 于 年 进 行 的 一 系 列 的 实 验 ) 的 意 义 应 该 是 复 杂 而 深 远 的 它 一 方 面 彻 底 建 立 了 电 磁 场 论, 为 经 典 物 理 的 繁 荣 添 加 了 浓 重 的 一 笔 ; 在 另 一 方 面, 它 却 同 时 又 埋 藏 下 了 促 使 经 典 物 理 自 身 毁 灭 的 武 器, 孕 育 出 了 革 命 的 种 子 我 们 还 是 回 到 我 们 故 事 的 第 一 部 分 那 里 去 : 在 卡 尔 斯 鲁 厄 大 学 的 那 间 实 验 室 里, 赫 兹 铜 环 接 收 器 的 缺 口 之 间 不 停 地 爆 发 着 电 火 花, 明 白 无 误 地 昭 示 着 电 磁 波 的 存 在 但 偶 然 间, 赫 兹 又 发 现 了 一 个 奇 怪 的 现 象 : 当 有 光 照 射 到 这 个 缺 口 上 的 时 候, 似 乎 火 花 就 出 现 得 更 容 易 一 些 赫 兹 把 这 个 发 现 也 写 成 了 论 文 发 表, 但 在 当 时 并 没 有 引 起 很 多 的 人 的 注 意 当 时, 学 者 们 在 为 电 磁 场 理 论 的 成 功 而 欢 欣 鼓 舞, 马 可 尼 们 在 为 了 一 个 巨 大 的 商 机 而 激 动 不 已, 没 有 人 想 到 这 篇 论 文 的 真 正 意 义 连 赫 兹 自 己 也 不 知 道, 量 子 存 在 的 证 据 原 来 就 在 他 的 眼 前, 几 乎 是 触 手 可 得 不 过, 也 许 量 子 的 概 念 太 过 爆 炸 性, 太 过 革 命 性, 命 运 在 冥 冥 中 安 排 了 它 必 须 在 新 的 世 纪 中 才 可 以 出 现, 而 把 怀 旧 和 经 典 留 给 了 旧 世 纪 吧 只 是 可 惜 赫 兹 走 得 太 早, 没 能 亲 眼 看 到 它 的 诞 生, 没 能 目 睹 它 究 竟 将 要 给 这 个 世 界 带 来 什 么 样 的 变 化 终 于, 在 经 典 物 理 还 没 有 来 得 及 多 多 体 味 一 下 自 己 的 盛 世 前, 一 连 串 意 想 不 到 的 事 情 在 19 世 纪 的 最 后 几 年 连 续 发 生 了, 仿 佛 是 一 个 不 祥 的 预 兆 1895 年, 伦 琴 (Wilhelm Konrad Rontgen) 发 现 了 X 射 线 1896 年, 贝 克 勒 尔 (Antoine Herni Becquerel) 发 现 了 铀 元 素 的 放 射 现 象 1897 年, 居 里 夫 人 (Marie Curie) 和 她 的 丈 夫 皮 埃 尔 居 里 研 究 了 放 射 性, 并 发 现 了 更 多 的 放 射 性 元 素 : 钍 钋 镭 1897 年,J.J. 汤 姆 逊 (Joseph John Thomson) 在 研 究 了 阴 极 射 线 后 认 为 它 是 一 种 带 负 电 的 粒 子 流 电 子 被 发 现 了 1899 年, 卢 瑟 福 (Ernest Rutherford) 发 现 了 元 素 的 嬗 变 现 象 15

22 第 01 章 黄 金 时 代 如 此 多 的 新 发 现 接 连 涌 现, 令 人 一 时 间 眼 花 缭 乱 每 一 个 人 都 开 始 感 觉 到 了 一 种 不 安, 似 乎 有 什 么 重 大 的 事 件 即 将 发 生 物 理 学 这 座 大 厦 依 然 耸 立, 看 上 去 依 然 那 么 雄 伟, 那 么 牢 不 可 破, 但 气 氛 却 突 然 变 得 异 常 凝 重 起 来, 一 种 山 雨 欲 来 的 压 抑 感 觉 在 人 们 心 中 扩 散 新 的 世 纪 很 快 就 要 来 到, 人 们 不 知 道 即 将 发 生 什 么, 历 史 将 要 何 去 何 从 眺 望 天 边, 人 们 隐 约 可 以 看 到 两 朵 小 小 的 乌 云, 小 得 那 样 不 起 眼 没 人 知 道, 它 们 即 将 带 来 一 场 狂 风 暴 雨, 将 旧 世 界 的 一 切 从 大 地 上 彻 底 抹 去 但 是, 在 暴 风 雨 到 来 之 前, 还 是 让 我 们 抬 头 再 看 一 眼 黄 金 时 代 的 天 空, 作 为 最 后 的 怀 念 金 色 的 光 芒 照 耀 在 我 们 的 脸 上, 把 一 切 都 染 上 了 神 圣 的 色 彩 经 典 物 理 学 的 大 厦 在 它 的 辉 映 下, 是 那 样 庄 严 雄 伟, 溢 彩 流 光, 令 人 不 禁 想 起 神 话 中 宙 斯 和 众 神 在 奥 林 匹 斯 山 上 那 亘 古 不 变 的 宫 殿 谁 又 会 想 到, 这 震 撼 人 心 的 壮 丽, 却 是 斜 阳 投 射 在 庞 大 帝 国 土 地 上 最 后 的 余 辉 16

23 第 02 章 乌云 第 02 章 乌云 物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云 他们绝对无法想到 正是这两朵不起眼的乌 云将要给这个世界带来一场前所未有的狂风暴雨 电闪雷鸣 并引发可怕的大火和洪水 把他 们从豪华舒适的经典理论宫殿中驱赶出来 放逐到布满了荆棘和陷阱的原野里去过上二十年颠 沛流离的生活 2.1 灿烂天空中的两朵乌云 1900 年的 4 月 27 日 伦敦的天气还是有一些阴冷 马路边的咖啡店里 人们兴致勃勃 地谈论着当时正在巴黎举办的万国博览会 街上的报童在大声叫卖报纸 那上面正在讨论中 国义和团运动最新的局势进展以及各国在北京使馆人员的状况 一位绅士彬彬有礼地扶着贵 妇人上了马车 赶去听普契尼的歌剧 波希米亚人 两位老太太羡慕地望着马车远去 对 贵妇帽子的式样大为赞叹 但不久后 她们就找到了新的话题 开始对拉塞尔伯爵的离婚案 评头论足起来 看来 即使是新世纪的到来 也不能改变这个城市古老而传统的生活方式 相比之下 在阿尔伯马尔街皇家研究所 Royal Institution, Albemarle Street 举行的 报告会就没有多少人注意了 伦敦的上流社会好像已经把他们对科学的热情在汉弗来 戴维 爵士 Sir Humphry Davy 那里倾注得一干二净 以致在其后几十年的时间里都表现得格 外漠然 不过 对科学界来说 这可是一件大事 欧洲有名的科学家都赶来这里 聆听那位 德高望重 然而却以顽固出名的老头子 开尔文男爵 Lord Kelvin 的发言 开尔文的这篇演讲名为 在热和光动力理论上空的 19 世纪乌云 当时已经 76 岁 白 发苍苍的他用那特有的爱尔兰口音开始了发言 他的第一段话是这么说的 动力学理论断言 热和光都是运动的方式 但现在这一理论的优美性和明晰性却被两 朵乌云遮蔽 显得黯然失色了 The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds. 这个乌云的比喻后来变得如此出名 以致于在几乎每一本关于物理史的书籍中都被反复 地引用 成了一种模式化的陈述 联系到当时人们对物理学大一统的乐观情绪 许多时候这 个表述又变成了 在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云 这两朵著名的乌云 分别 指的是经典物理在光以太和麦克斯韦 玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题 再具体一些 指的就是人们在迈克尔逊 莫雷实验和黑体辐射研究中的困境 迈克尔逊 莫雷实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度 在人们当时的观念 里 以太代表了一个绝对静止的参考系 而地球穿过以太在空间中运动 就相当于一艘船在 高速行驶 迎面会吹来强烈的 以太风 迈克尔逊在 1881 年进行了一个实验 想测出这个 相对速度 但结果并不十分令人满意 于是他和另外一位物理学家莫雷合作 在 1886 年安 17

24 第 02 章 乌云 排了第二次实验 这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了 他们动用了最新的干涉 仪 为了提高系统的灵敏度和稳定性 他们甚至多方筹措弄来了一块大石板 把它放在一个 水银槽上 这样就把干扰的因素降到了最低 见图 2.1 然而实验结果却让他们震惊和失望无比 两束光线根本就没有表现出任何的时间差 以 太似乎对穿越于其中的光线毫无影响 迈克尔逊和莫雷不甘心地一连观测了四天 本来甚至 想连续观测一年以确定地球绕太阳运行四季对以太风造成的差别 但因为这个否定的结果是 如此清晰而不容质疑 这个计划也被无奈地取消了 迈克尔逊 莫雷实验是 物理史上最有名的 失败的 实验 它当时在物理界引起 了轰动 因为以太这个概念 作为绝对运动的代表 是经 典物理学和经典时空观的基 础 而这根支撑着经典物理 学大厦的梁柱竟然被一个实 验的结果而无情地否定 那 马上就意味着整个物理世界 的轰然崩塌 不过 那时候 再悲观的人也不认为 刚刚 取得了伟大胜利 到达光辉 图 2.1 迈克尔逊-莫雷实验 顶峰的经典物理学会莫名其 妙地就这样倒台 所以人们还是提出了许多折衷的办法 爱尔兰物理学家费兹杰惹 George Fitzgerald 和荷兰物理学家洛伦兹 Hendrik Antoon Lorentz 分别独立地提出了一种假 说 认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩 从而使得以太的相对运动速度无法被测量 到 这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留 但业已经对它的意义提出了强烈的质问 因为很难想象 一个只具有理论意义的 假设物理量 究竟有多少存在的必要 开尔文所说的 第一朵乌云 就是在这个意义上提出来的 不过他认为长度收缩的假设无论如何已经使人们 摆脱了困境 所要做的只是修改现有理论以更好地使以太和物质的相互作用得以自洽罢 了 至于 第二朵乌云 指的是黑体辐射实验和理论的不一致 它在我们的故事里将起到十 分重要的作用 所以我们会在后面的章节里仔细地探讨这个问题 在开尔文发表演讲的时候 这个问题仍然没有任何能够得到解决的迹象 不过开尔文对此的态度倒也是乐观的 因为他 本人就并不相信玻尔兹曼的能量均分学说 他认为要驱散这朵乌云 最好的办法就是否定玻 尔兹曼的学说 而且说老实话 玻尔兹曼的分子运动理论在当时的确还是有着巨大的争议 以致于这位罕见的天才苦闷不堪 精神出现了问题 当年玻尔兹曼就尝试自杀而未成 但他 终于在 6 年后的一片小森林里亲手结束了自己的生命 留下了一个科学史上的大悲剧 18

25 第 02 章 乌 云 年 迈 的 开 尔 文 站 在 讲 台 上, 台 下 的 听 众 对 于 他 的 发 言 给 予 热 烈 的 鼓 掌 然 而 当 时, 他 们 中 间 却 没 有 一 个 人 ( 包 括 开 尔 文 自 己 ) 会 了 解, 这 两 朵 小 乌 云 对 于 物 理 学 来 说 究 竟 意 味 着 什 么 他 们 绝 对 无 法 想 象, 正 是 这 两 朵 不 起 眼 的 乌 云 马 上 就 要 给 这 个 世 界 带 来 一 场 前 所 未 有 的 狂 风 暴 雨, 电 闪 雷 鸣, 并 引 发 可 怕 的 大 火 和 洪 水, 彻 底 摧 毁 现 在 的 繁 华 美 丽 他 们 也 无 法 知 道, 这 两 朵 乌 云 很 快 就 要 把 他 们 从 豪 华 舒 适 的 理 论 宫 殿 中 驱 赶 出 来, 放 逐 到 布 满 了 荆 棘 和 陷 阱 的 原 野 里 去 过 上 二 十 年 颠 沛 流 离 的 生 活 他 们 更 无 法 预 见, 正 是 这 两 朵 乌 云, 终 究 会 给 物 理 学 带 来 伟 大 的 新 生, 在 烈 火 和 暴 雨 中 实 现 涅 磐, 并 重 新 建 造 起 两 幢 更 加 壮 观 美 丽 的 城 堡 来 第 一 朵 乌 云, 最 终 导 致 了 相 对 论 革 命 的 爆 发 第 二 朵 乌 云, 最 终 导 致 了 量 子 论 革 命 的 爆 发 今 天 看 来, 开 尔 文 当 年 的 演 讲 简 直 像 一 个 神 秘 的 谶 言, 似 乎 在 冥 冥 中 带 有 一 种 宿 命 的 意 味 科 学 在 他 的 预 言 下 打 了 一 个 大 弯, 不 过 方 向 却 是 完 全 出 乎 开 尔 文 意 料 的 如 果 这 位 老 爵 士 能 够 活 到 今 天, 读 到 物 理 学 在 新 世 纪 里 的 发 展 历 史, 他 是 不 是 会 为 他 当 年 的 一 语 成 谶 而 深 深 震 惊, 在 心 里 面 打 一 个 寒 噤 呢? ********* 饭 后 闲 话 : 伟 大 的 意 外 实 验 我 们 今 天 来 谈 谈 物 理 史 上 的 那 些 著 名 的 意 外 实 验 用 意 外 这 个 词, 指 的 是 实 验 未 能 取 得 预 期 的 成 果, 可 能 在 某 种 程 度 上, 也 可 以 称 为 失 败 实 验 吧 我 们 在 上 面 已 经 谈 到 了 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验, 这 个 实 验 的 结 果 是 如 此 地 令 人 震 惊, 以 致 于 它 的 实 验 者 在 相 当 的 一 段 时 期 里 都 不 敢 相 信 自 己 结 果 的 正 确 性 但 正 是 这 个 否 定 的 证 据, 最 终 使 得 光 以 太 的 概 念 寿 终 正 寝, 使 得 相 对 论 的 诞 生 成 为 了 可 能 这 个 实 验 的 失 败 在 物 理 史 上 却 应 该 说 是 一 个 伟 大 的 胜 利, 科 学 从 来 都 是 只 相 信 事 实 的 近 代 科 学 的 历 史 上, 也 曾 经 有 过 许 多 类 似 的 具 有 重 大 意 义 的 意 外 实 验 也 许 我 们 可 以 从 拉 瓦 锡 (A.L.Laroisier) 谈 起 当 时 的 人 们 普 遍 相 信, 物 体 燃 烧 是 因 为 有 燃 素 离 开 物 体 的 结 果 但 是 1774 年 的 某 一 天, 拉 瓦 锡 决 定 测 量 一 下 这 种 燃 素 的 具 体 重 量 是 多 少 他 用 他 的 天 平 称 量 了 一 块 锡 的 重 量, 随 即 点 燃 它 等 金 属 完 完 全 全 地 烧 成 了 灰 烬 之 后, 拉 瓦 锡 小 心 翼 翼 地 把 每 一 粒 灰 烬 都 收 集 起 来, 再 次 称 量 了 它 的 重 量 结 果 使 得 当 时 的 所 有 人 都 瞠 目 结 舌 按 照 燃 素 说, 燃 烧 后 的 灰 烬 应 该 比 燃 烧 前 要 轻 退 一 万 步, 就 算 燃 素 完 全 没 有 重 量, 也 应 该 一 样 重 可 是 拉 瓦 锡 的 天 平 却 说 : 灰 烬 要 比 燃 烧 前 的 金 属 重, 测 量 燃 素 重 量 成 了 一 个 无 稽 之 谈 然 而 拉 瓦 锡 在 吃 惊 之 余, 却 没 有 怪 罪 于 自 己 的 天 平, 而 是 将 怀 疑 的 眼 光 投 向 了 燃 素 说 这 个 庞 然 大 物 在 他 的 推 动 下, 近 代 化 学 终 于 在 这 个 体 系 倒 台 的 轰 隆 声 中 建 立 了 起 来 19

26 第 02 章 乌云 到了 1882 年 实验上的困难同样开始困扰剑桥大学的化学教授瑞利 J.W.S Rayleigh 他为了一个课题 需要精确地测量各种气体的比重 然而在氮的问题上 瑞利却遇到了麻烦 事情是这样的 为了保证结果的准确 瑞利采用了两种不同的方法来分离气体 一种是通过 化学家们熟知的办法 用氨气来制氮 另一种是从普通空气中 尽量地除去氧 氢 水蒸气 等别的气体 这样剩下的就应该是纯氮气了 然而瑞利却苦恼地发现两者的重量并不一致 后者要比前者重了千分之二 虽然是一个小差别 但对于瑞利这样的讲究精确的科学家来说是不能容忍的 为了消除 这个差别 他想尽了办法 几乎检查了他所有的仪器 重复了几十次实验 但是这个千分之 二的差别就是顽固地存在在那里 随着每一次测量反而更加精确起来 这个障碍使得瑞利几 乎要发疯 在百般无奈下他写信给另一位化学家拉姆塞 William Ramsay 求救 后者敏锐 地指出 这个重量差可能是由于空气里混有了一种不易察觉的重气体而造成的 在两者的共 同努力下 氩气 Ar 终于被发现了 并最终导致了整个惰性气体族的发现 成为了元素周 期表存在的一个主要证据 另一个值得一谈的实验是 1896 年的贝克勒尔 Antoine Herni Becquerel 做出的 当 时 x 射线刚被发现不久 人们对它的来由还不是很清楚 有人提出太阳光照射荧光物质能够 产生 x 射线 于是贝克勒尔对此展开了研究 他选了一种铀的氧化物作为荧光物质 把它放 在太阳下暴晒 结果发现它的确使黑纸中的底片感光了 于是他得出初步结论 阳光照射荧 光物质的确能产生 x 射线 但是 正当他要进一步研究时 意外的事情发生了 天气转阴 乌云一连几天遮蔽了太 阳 贝克勒尔只好把他的全套实验用具 包括底片和铀盐全部放进了保险箱里 然而到了第 五天 天气仍然没有转晴的趋势 贝克勒尔忍不住了 决定把底片冲洗出来再说 铀盐曾受 了一点微光的照射 不管如何在底片上应该留下一些模糊的痕迹吧 然而 在拿到照片时 贝克勒尔经历了每个科学家都梦寐以求的那种又惊又喜的时刻 他的脑中一片晕眩 底片曝光得是如此彻底 上面的花纹是如此地清晰 甚至比强烈阳光下 都要超出一百倍 这是一个历史性的时刻 元素的放射性第一次被人们发现了 虽然是在一 个戏剧性的场合下 贝克勒尔的惊奇 终究打开了通向原子内部的大门 使得人们很快就看 到了一个全新的世界 在量子论的故事后面 我们会看见更多这样的意外 这些意外 为科学史添加了一份绚 丽的传奇色彩 也使人们对神秘的自然更加兴致勃勃 那也是科学给我们带来的快乐之一啊 2.2 黑体辐射的紫外灾变 上次说到 开尔文在世纪之初提到了物理学里的两朵 小乌云 其中第一朵是指迈克尔 逊 莫雷实验令人惊奇的结果 第二朵则是人们在黑体辐射的研究中所遇到的困境 我们的故事终于就要进入正轨 而这一切的一切 都要从那令人困惑的 黑体 开始 20

27 第 02 章 乌云 大家都知道 一个物体之所以看上去是白色的 那是因为它反射所有频率的光波 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的缘故 物理上定义的 黑体 指 的是那些可以吸收全部外来辐射的物 体 比如一个空心的球体 内壁涂上吸 收辐射的涂料 外壁上开一个小孔 那 么 因为从小孔射进球体的光线无法反 射出来 这个小孔看上去就是绝对黑色 的 即是我们定义的 黑体 见图 世纪末 人们开始对黑体模型 的热辐射问题发生了兴趣 其实 很早 的时候 人们就已经注意到对于不同的 物体 热和辐射似乎有一定的对应关 图 2.2 黑体模型 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 其实在这之前有不可见的红外线辐射 温度再高些 它会变得橙黄 到了极度高温的时候 如果能想办法不让它汽化了 我们可以看到铁块将呈 现蓝白色 也就是说 物体的热辐射和温度有着一定的函数关系 在天文学里 有 红巨星 和 蓝巨星 前者呈暗红色 温度较低 通常属于老年恒星 而后者的温度极高 是年轻恒 星的典范 问题是 物体的辐射能量和温度究竟有着怎样的函数关系呢 最初对于黑体辐射的研究是基于经典热力学的基础之上的 而许多著名的科学家在此之 前也已经做了许多基础工作 美国人兰利 Samuel Pierpont Langley 发明的热辐射计是一 个最好的测量工具 配合罗兰凹面光栅 可以得到相当精确的热辐射能量分布曲线 黑体 辐射 这个概念则是由伟大的基尔霍夫 Gustav Robert Kirchhoff 提出 并由斯特藩 Josef Stefan 加以总结和研究的 到了 19 世纪 80 年代 玻尔兹曼建立了他的热力学理论 种种 迹象也表明 这是黑体辐射研究的一个强大理论武器 总而言之 这一切就是当威廉 维恩 Wilhelm Wien 准备从理论上推导黑体辐射公式的时候 物理界在这一课题上的一些基 本背景 维恩是东普鲁士一个地主的儿子 本来似乎命中注定也要成为一个农场主 但是当时的 经济危机使他下定决心进入大学学习 在海德堡 哥廷根和柏林大学度过了他的学习生涯之 后 维恩在 1887 年进入了德国帝国技术研究所 Physikalisch Technische Reichsanstalt PTR 成为了赫尔姆霍兹实验室的主要研究员 就是在柏林的这个实验室里 他准备一展 他在理论和实验物理方面的天赋 彻底地解决黑体辐射这个问题 21

28 第 02 章 乌云 维恩从经典热力学的思想出发 假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发 射出来的 然后通过精密的演绎 他终于在 1893 年提出了他的辐射能量分布定律公式 u = b(λ^-5)(e^-a/λt) 其中 λ^-5 和 e^-a/λt 分别表示 λ 的-5 次方以及 e 的-a/λT 次方 u 表示能量分布的函 数 λ 是波长 T 是绝对温度 a,b 是常数 当然 这里只是给大家看一看这个公式的样子 对数学和物理没有研究的朋友们大可以看过就算 不用理会它具体的意思 这就是著名的维恩分布公式 很快 另一位德国物理学家帕邢 F. Paschen 在兰利的 基础上对各种固体的热辐射进行了测量 结果很好地符合了维恩的公式 这使得维恩取得了 初步胜利 然而 维恩却面临着一个基本的难题 他的出发点似乎和公认的现实格格不入 换句话 说 他的分子假设使得经典物理学家们十分地不舒服 因为辐射是电磁波 而大家已经都知 道 电磁波是一种波动 用经典粒子的方法去分析 似乎让人感到隐隐地有些不对劲 有一 种南辕北辙的味道 果然 维恩在帝国技术研究所 PTR 的同事很快就做出了另外一个实验 卢梅尔 Otto Richard Lummer 和普林舍姆 Ernst Pringsheim 于 1899 年报告 当把黑体加热到 1000 多 K 的高温时 测到的短波长范围内的曲线和维恩公式符合得很好 但在长波方面 实验和 理论出现了偏差 很快 PTR 的另两位成员鲁本斯 Heinrich Rubens 和库尔班 Ferdinand Kurlbaum 扩大了波长的测量范围 再次肯定了这个偏差 并得出结论 能量密度在长波 范围内应该和绝对温度成正比 而不是维恩所预言的那样 当波长趋向无穷大时 能量密度 和温度无关 在 19 世纪的最末几年 PTR 这个由西门子和赫尔姆霍兹所创办的机构似乎成 为了热力学领域内最引人瞩目的地方 这里的这群理论与实验物理学家 似乎正在揭开一个 物理内最大的秘密 维恩定律在长波内的失效引起了英国物理学家瑞利 还记得上次我们闲话里的那位苦苦 探究氮气重量 并最终发现了惰性气体的爵士吗 的注意 他试图修改公式以适应 u 和 T 在高温长波下成正比这一实验结论 最终得出了他自己的公式 不久后另一位物理学家金斯 J.H.Jeans 计算出了公式里的常数 最后他们得到的公式形式如下 u = 8π(υ^2)kT / c^3 这就是我们今天所说的瑞利-金斯公式 Rayleigh-Jeans 其中 υ 是频率 k 是玻尔兹 曼常数 c 是光速 同样 没有兴趣的朋友可以不必理会它的具体涵义 这对于我们的故事 没有什么影响 这样一来 就从理论上证明了 u 和 T 在高温长波下成正比的实验结果 但是 也许就像 俗话所说的那样 瑞利-金斯公式是一个拆东墙补西墙的典型 因为非常具有讽刺意义的是 22

29 第 02 章 乌云 它在长波方面虽然符合了实验数据 但在短波方面的失败却是显而易见的 当波长 λ 趋于 0 也就是频率 υ 趋向无穷大时 大家可以从上面的公式里看出我们的能量辐射也将不可避免地 趋向无穷大 换句话说 我们的黑体将在波长短到一定程度的时候释放出几乎是无穷的能量 来 这个戏剧性的事件无疑是荒谬的 因为谁也没见过任何物体在任何温度下这样地释放能 量辐射 如果真要这样的话 那么原子弹什么的就太简单了 这个推论后来被加上了一个 耸人听闻的 十分适合在科幻小说里出现的称呼 叫做 紫外灾变 显然 瑞利-金斯公式也 无法给出正确的黑体辐射分布 我们在这里遇到的是一个相当微妙而尴尬的处境 我们的手里现在有两套公式 但不幸 的是 它们分别只有在短波和长波的范围内才能起作用 这的确让人们非常地郁闷 就像你 有两套衣服 其中的一套上装十分得体 但裤腿太长 另一套的裤子倒是合适了 但上装却 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 总之 在黑体问题上 如果我们从经典粒子的角度出发去推导 就得到适用于短波的维 恩公式 如果从类波的角度去推导 就得到适用于长波的瑞利-金斯公式 长波还是短波 那就是个问题 这个难题就这样困扰着物理学家们 有一种黑色幽默的意味 当开尔文在台上描述这 第 二朵乌云 的时候 人们并不知道这个问题最后将得到一种怎么样的解答 然而 毕竟新世纪的钟声已经敲响 物理学的伟大革命就要到来 就在这个时候 我们 故事里的第一个主角 一个留着小胡子 略微有些谢顶的德国人 马克斯 普朗克登上了 舞台 物理学全新的一幕终于拉开了 2.3 普朗克打开潘多拉盒子 上次说到 在黑体问题的研究上 我们有了两套公式 可惜 一套只能对长波范围内有 效 而另一套只对短波有效 正当人们为这个 dilemma 头痛不已的时候 马克斯 普朗克 登上了历史舞台 命中注定 这个名字将要光照整个 20 世纪的物理史 普朗克 Max Carl Ernst Ludwig Planck 于 1858 年出生于德国基尔 Kiel 的一个书 香门第 他的祖父和曾祖父都是神学教授 他的父亲则是一位著名的法学教授 曾经参予过 普鲁士民法的起草工作 1867 年 普朗克一家移居到慕尼黑 小普朗克便在那里上了中学 和大学 在俾斯麦的帝国蒸蒸日上的时候 普朗克却保留着古典时期的优良风格 对文学和 音乐非常感兴趣 也表现出了非凡的天才来 不过 很快他的兴趣便转到了自然方面 在中学的课堂里 他的老师形象地给学生们讲 述一位工人如何将砖头搬上房顶 而工人花的力气储存在高处的势能里 一旦砖头掉落下来 能量便又随之释放出来 能量这种神奇的转换与守恒极大地吸引了好奇的普朗克 使得 23

30 第 02 章 乌 云 他 把 目 光 投 向 了 神 秘 的 自 然 规 律 中 去, 这 也 成 为 了 他 一 生 事 业 的 起 点 德 意 志 失 去 了 一 位 音 乐 家, 但 是 失 之 东 隅 收 之 桑 榆, 她 却 因 此 得 到 了 一 位 开 天 辟 地 的 科 学 巨 匠 不 过, 正 如 我 们 在 前 一 章 里 面 所 说 过 的 那 样, 当 时 的 理 论 物 理 看 起 来 可 不 是 一 个 十 分 有 前 途 的 工 作 普 朗 克 在 大 学 里 的 导 师 祖 利 (Philipp von Jolly) 劝 他 说, 物 理 的 体 系 已 经 建 立 得 非 常 成 熟 和 完 整 了, 没 有 什 么 大 的 发 现 可 以 做 出 了, 不 必 再 花 时 间 浪 费 在 这 个 没 有 多 大 意 义 的 工 作 上 面 普 朗 克 委 婉 地 表 示, 他 研 究 物 理 是 出 于 对 自 然 和 理 性 的 兴 趣, 只 是 想 把 现 有 的 东 西 搞 搞 清 楚 罢 了, 并 不 奢 望 能 够 做 出 什 么 巨 大 的 成 就 讽 刺 地 是, 由 今 天 看 来, 这 个 很 没 出 息 的 表 示 却 成 就 了 物 理 界 最 大 的 突 破 之 一, 成 就 了 普 朗 克 一 生 的 名 望 我 们 实 在 应 该 为 这 一 决 定 感 到 幸 运 1879 年, 普 朗 克 拿 到 了 慕 尼 黑 大 学 的 博 士 学 位, 随 后 他 便 先 后 在 基 尔 大 学 慕 尼 黑 大 学 和 柏 林 大 学 任 教, 并 接 替 了 基 尔 霍 夫 的 职 位 普 朗 克 的 研 究 兴 趣 本 来 只 是 集 中 于 经 典 热 力 学 的 领 域, 但 是 1896 年, 他 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 在 普 朗 克 看 来, 维 恩 公 式 体 现 出 来 的 这 种 物 体 的 内 在 规 律 和 物 体 本 身 性 质 无 关 的 绝 对 规 律 代 表 了 某 种 客 观 的 永 恒 不 变 的 东 西 它 独 立 于 人 和 物 质 世 界 而 存 在, 不 受 外 部 世 界 的 影 响, 是 科 学 追 求 的 最 崇 高 的 目 标 普 朗 克 的 这 种 偏 爱 正 是 经 典 物 理 学 的 一 种 传 统 和 风 格, 对 绝 对 严 格 规 律 的 一 种 崇 尚 这 种 古 典 而 保 守 的 思 想 经 过 了 牛 顿 拉 普 拉 斯 和 麦 克 斯 韦, 带 着 黄 金 时 代 的 全 部 贵 族 气 息, 深 深 渗 透 在 普 朗 克 的 骨 子 里 面 然 而, 这 位 可 敬 的 老 派 科 学 家 却 没 有 意 识 到, 自 己 已 经 在 不 知 不 觉 中 走 到 了 时 代 的 最 前 沿, 命 运 已 经 在 冥 冥 之 中, 给 他 安 排 了 一 个 离 经 叛 道 的 角 色 让 我 们 言 归 正 传 在 那 个 风 云 变 幻 的 世 纪 之 交, 普 朗 克 决 定 彻 底 解 决 黑 体 辐 射 这 个 困 扰 人 们 多 时 的 问 题 他 的 手 上 已 经 有 了 维 恩 公 式, 可 惜 这 个 公 式 只 有 在 短 波 的 范 围 内 才 能 正 确 地 预 言 实 验 结 果 另 一 方 面, 虽 然 普 朗 克 自 己 声 称, 他 当 时 不 清 楚 瑞 利 公 式, 但 他 无 疑 也 知 道, 在 长 波 范 围 内,u 和 T 成 简 单 正 比 关 系 这 一 事 实 这 是 由 他 的 一 个 好 朋 友, 实 验 物 理 学 家 鲁 本 斯 (Heinrich Rubens, 上 一 章 提 到 过 ) 在 1900 年 的 10 月 7 号 的 中 午 告 诉 他 的 到 那 一 天 为 止, 普 朗 克 在 这 个 问 题 上 已 经 花 费 了 6 年 的 时 光 (1894 年, 在 他 还 没 有 了 解 到 维 恩 的 工 作 的 时 候, 他 就 已 经 对 这 一 领 域 开 始 了 考 察 ), 但 是 所 有 的 努 力 都 似 乎 徒 劳 无 功 现 在, 请 大 家 肃 静, 让 我 们 的 普 朗 克 先 生 好 好 地 思 考 问 题 摆 在 他 面 前 的 全 部 事 实, 就 是 我 们 有 两 个 公 式, 分 别 只 在 一 个 有 限 的 范 围 内 起 作 用 但 是, 如 果 从 根 本 上 去 追 究 那 两 个 公 式 的 推 导, 却 无 法 发 现 任 何 问 题 而 我 们 的 目 的, 在 于 找 出 一 个 普 遍 适 用 的 公 式 来 10 月 的 德 国 已 经 进 入 仲 秋 天 气 越 来 越 阴 沉, 厚 厚 的 云 彩 堆 积 在 天 空 中, 黑 夜 一 天 比 一 天 来 得 漫 长 落 叶 缤 纷, 铺 满 了 街 道 和 田 野, 偶 尔 吹 过 凉 爽 的 风, 便 沙 沙 作 响 起 来 白 天 的 柏 林 热 闹 而 喧 嚣, 入 夜 的 柏 林 静 谧 而 庄 重, 但 在 这 静 谧 和 喧 嚣 中, 却 不 曾 有 人 想 到, 一 个 伟 大 的 历 史 时 刻 即 将 到 来 24

31 第 02 章 乌 云 在 柏 林 大 学 那 间 堆 满 了 草 稿 的 办 公 室 里, 普 朗 克 为 了 那 两 个 无 法 调 和 的 公 式 而 苦 思 冥 想 终 于 有 一 天, 他 决 定, 不 再 去 做 那 些 根 本 上 的 假 定 和 推 导, 不 管 怎 么 样, 我 们 先 尝 试 着 凑 出 一 个 可 以 满 足 所 有 波 段 的 公 式 出 来 其 他 的 问 题, 之 后 再 说 吧 于 是, 利 用 数 学 上 的 内 插 法, 普 朗 克 开 始 玩 弄 起 他 手 上 的 两 个 公 式 来 要 做 的 事 情, 是 让 维 恩 公 式 的 影 响 在 长 波 的 范 围 里 尽 量 消 失, 而 在 短 波 里 独 家 发 挥 出 来 普 朗 克 尝 试 了 几 天, 终 于 遇 上 了 一 个 Bingo moment, 他 凑 出 了 一 个 公 式, 看 上 去 似 乎 正 符 合 要 求 在 长 波 的 时 候, 它 表 现 得 就 像 正 比 关 系 一 样 而 在 短 波 的 时 候, 它 则 退 化 为 维 恩 公 式 的 原 始 形 式 10 月 19 号, 普 朗 克 在 柏 林 德 国 物 理 学 会 (Deutschen Physikalischen Gesellschaft) 的 会 议 上, 把 这 个 新 鲜 出 炉 的 公 式 公 诸 于 众 当 天 晚 上, 鲁 本 斯 就 仔 细 比 较 了 这 个 公 式 与 实 验 的 结 果 结 果, 让 他 又 惊 又 喜 的 是, 普 朗 克 的 公 式 大 获 全 胜, 在 每 一 个 波 段 里, 这 个 公 式 给 出 的 数 据 都 十 分 精 确 地 与 实 验 值 相 符 合 第 二 天, 鲁 本 斯 便 把 这 个 结 果 通 知 了 普 朗 克 本 人, 在 这 个 彻 底 的 成 功 面 前, 普 朗 克 自 己 都 不 由 得 一 愣 他 没 有 想 到, 这 个 完 全 是 侥 幸 拼 凑 出 来 的 经 验 公 式 居 然 有 着 这 样 强 大 的 威 力 当 然, 他 也 想 到, 这 说 明 公 式 的 成 功 绝 不 仅 仅 是 侥 幸 而 已 这 说 明 了, 在 那 个 神 秘 的 公 式 背 后, 必 定 隐 藏 着 一 些 不 为 人 们 所 知 的 秘 密 必 定 有 某 种 普 适 的 原 则 假 定 支 持 着 这 个 公 式, 这 才 使 得 它 展 现 出 无 比 强 大 的 力 量 来 普 朗 克 再 一 次 地 注 视 他 的 公 式, 它 究 竟 代 表 了 一 个 什 么 样 的 物 理 意 义 呢? 他 发 现 自 己 处 在 一 个 相 当 尴 尬 的 地 位, 知 其 然, 但 不 知 其 所 以 然 普 朗 克 就 像 一 个 倒 霉 的 考 生, 事 先 瞥 了 一 眼 参 考 书, 但 是 答 辩 的 时 候 却 发 现 自 己 只 记 得 那 个 结 论, 而 完 全 不 知 道 如 何 去 证 明 和 阐 述 它 实 验 的 结 果 是 确 凿 的, 它 毫 不 含 糊 地 证 明 了 理 论 的 正 确 性, 但 是 这 个 理 论 究 竟 为 什 么 正 确, 它 建 立 在 什 么 样 的 基 础 上, 它 究 竟 说 明 了 什 么? 却 没 有 一 个 人 可 以 回 答 然 而, 普 朗 克 却 知 道, 这 里 面 隐 藏 的 是 一 个 至 关 重 要 的 东 西, 它 关 系 到 整 个 热 力 学 和 电 磁 学 的 基 础 普 朗 克 已 经 模 糊 地 意 识 到, 似 乎 有 一 场 风 暴 即 将 袭 来, 对 于 这 个 不 起 眼 的 公 式 的 剖 析, 将 改 变 物 理 学 的 一 些 面 貌 一 丝 第 六 感 告 诉 他, 他 生 命 中 最 重 要 的 一 段 时 期 已 经 到 来 了 多 年 以 后, 普 朗 克 在 给 人 的 信 中 说 : 当 时, 我 已 经 为 辐 射 和 物 质 的 问 题 而 奋 斗 了 6 年, 但 一 无 所 获 但 我 知 道, 这 个 问 题 对 于 整 个 物 理 学 至 关 重 要, 我 也 已 经 找 到 了 确 定 能 量 分 布 的 那 个 公 式 所 以, 不 论 付 出 什 么 代 价, 我 必 须 找 到 它 在 理 论 上 的 解 释 而 我 非 常 清 楚, 经 典 物 理 学 是 无 法 解 决 这 个 问 题 的 (Letter to R. W. Wood, 1931) 在 人 生 的 分 水 岭 上, 普 朗 克 终 于 决 定 拿 出 他 最 大 的 决 心 和 勇 气, 来 打 开 面 前 的 这 个 潘 多 拉 盒 子, 无 论 那 里 面 装 的 是 什 么 为 了 解 开 这 个 谜 团, 普 朗 克 颇 有 一 种 破 釜 沉 舟 的 气 概 除 了 热 力 学 的 两 个 定 律 他 认 为 不 可 动 摇 之 外, 甚 至 整 个 宇 宙, 他 都 做 好 了 抛 弃 的 准 备 不 过, 25

32 第 02 章 乌云 饶是如此 当他终于理解了公式背后所包含的意义之后 他还是惊讶到不敢相信和接受所发 现的一切 普朗克当时做梦也没有想到 他的工作绝不仅仅是改变物理学的一些面貌而已 事实上 整个物理学和化学都将被彻底摧毁和重建 一个新的时代即将到来 1900 年的最后几个月 黑体这朵飘在物理天空中的乌云 内部开始翻滚动荡起来 ********* 饭后闲话 世界科学中心 在我们的史话里 我们已经看见了许许多多的科学伟人 从中我们也可以清晰地看见世 界性科学中心的不断迁移 现代科学创立之初 也就是 世纪的时候 英国是毫无争议的世界科学中心 以 前是意大利 牛顿作为一代科学家的代表自不用说 波义耳 胡克 一直到后来的戴维 卡文迪许 道尔顿 法拉第 托马斯 杨 都是世界首屈一指的大科学家 但是很快 这一 中心转到了法国 法国的崛起由伯努利 Daniel Bernoulli 达朗贝尔 J. R. d'alembert 拉瓦锡 拉马克等开始 到了安培 Andre Marie Ampere 菲涅耳 卡诺 Nicolas Carnot 拉普拉斯 傅科 泊松 拉格朗日的时代 已经在欧洲独领风骚 不过进入 19 世纪的后半 德国开始迎头赶上 涌现出了一大批天才 高斯 欧姆 洪堡 沃勒 Friedrich Wohler) 赫尔姆霍兹 克劳修斯 玻尔兹曼 赫兹 虽然英国连出了法拉第 麦克斯韦 达尔文这 样的伟人 也不足以抢回它当初的地位 到了 20 世纪初 德国在科学方面的成就到达了最 高峰 成为了世界各地科学家心目中的圣地 柏林 慕尼黑和哥廷根成为了当时自然科学当 之无愧的世界性中心 我们在以后的史话里 将会看到越来越多德国人的名字 不幸的是 纳粹上台之后 德国的科技地位一落千丈 大批科学家出逃外国 直接造成了美国的崛起 直到今日 只不知 下一个霸主又会是谁呢 2.4 量子的创生 上次说到 普朗克在研究黑体的时候 偶尔发现了一个普适公式 但是 他却不知道这 个公式背后的物理意义 为了能够解释他的新公式 普朗克已经决定抛却他心中的一切传统成见 他反复地咀嚼 新公式的含义 体会它和原来那两个公式的联系以及不同 我们已经看到了 如果从玻尔兹 曼运动粒子的角度来推导辐射定律 就得到维恩的形式 要是从纯麦克斯韦电磁辐射的角度 来推导 就得到瑞利-金斯的形式 那么 新的公式 它究竟是建立在粒子的角度上 还是 建立在波的角度上呢 26

33 第 02 章 乌云 作为一个传统的保守的物理学家 普朗克总是尽可能试图在理论内部解决问题 而不是 颠覆这个理论以求得突破 更何况 他面对的还是有史以来最伟大的麦克斯韦电磁理论 但 是 在种种尝试都失败了以后 普朗克发现 他必须接受他一直不喜欢的统计力学立场 从 玻尔兹曼的角度来看问题 把熵和几率引入到这个系统里来 那段日子 是普朗克一生中最忙碌 却又最光辉的日子 20 年后 1920 年 他在诺贝 尔得奖演说中这样回忆道 经过一生中最紧张的几个礼拜的工作 我终于看见了黎明的曙光 一个完全意想不 到的景象在我面前呈现出来 until after some weeks of the most intense work of my life clearness began to dawn upon me, and an unexpected view revealed itself in the distance 什么是 完全意想不到的景象 呢 原来普朗克发现 仅仅引入分子运动理论还是不够 的 在处理熵和几率的关系时 如果要使得我们的新方程成立 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 为了引起各位听众足够的注意力 我想我应该把上面这段话重复再写一遍 事实上我很 想用初号的黑体字来写这段话 但可惜论坛不给我这个功能 必须假定 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 在了解它的具体意义之前 不妨先了解一个事实 正是这个假定 推翻了自牛顿以来 200 多年 曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界 这个假定以及它所衍生出的意义 彻底 改变了自古以来人们对世界的最根本的认识 极盛一时的帝国 在这句话面前轰然土崩瓦解 倒坍之快之彻底 就像爱伦 坡笔下厄舍家那间不祥的庄园 好 回到我们的故事中来 能量不是连续不断的 这有什么了不起呢 很了不起 因为它和有史以来一切物理学家的观念截然相反 可能某些伪科学家除外 呵呵 自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后 一切自然的过程就都被当成是连 续不间断的 如果你的中学物理老师告诉你 一辆小车沿直线从 a 点行驶到 b 点 却不经过 两点中间的 c 点 你一定会觉得不可思议 甚至开始怀疑该教师是不是和校长有什么裙带关 系 自然的连续性是如此地不容置疑 以致几乎很少有人会去怀疑这一点 当预报说气温将 从 20 度上升到 30 度 你会毫不犹豫地判定 在这个过程中间气温将在某个时刻到达 25 度 到达 28 度 到达 29 又 1/2 度 到达 29 又 3/4 度 到达 29 又 9/10 度 总之 一切在 20 度到 30 度之间的值 无论有理的还是无理的 只要它在那段区间内 气温肯定会在某个时 刻 精确地等于那个值 对于能量来说 也是这样 当我们说 这个化学反应总共释放出了 100 焦耳的能量的时 候 我们每个人都会潜意识地推断出 在反应期间 曾经有某个时刻 总体系释放的能量等 27

34 第 02 章 乌 云 于 50 焦 耳, 等 于 焦 耳, 等 于 焦 耳 总 之, 能 量 的 释 放 是 连 续 的, 它 总 可 以 在 某 个 时 刻 达 到 范 围 内 的 任 何 可 能 的 值 这 个 观 念 是 如 此 直 接 地 植 入 我 们 的 内 心 深 处, 显 得 天 经 地 义 一 般 这 种 连 续 性, 平 滑 性 的 假 设, 是 微 积 分 的 根 本 基 础 牛 顿 麦 克 斯 韦 那 庞 大 的 体 系, 便 建 筑 在 这 个 地 基 之 上, 度 过 了 百 年 的 风 雨 当 物 理 遇 到 困 难 的 时 候, 人 们 纵 有 怀 疑 的 目 光, 也 最 多 盯 着 那 巍 巍 大 厦, 追 问 它 是 不 是 在 建 筑 结 构 上 有 问 题, 却 从 未 有 丝 毫 怀 疑 它 脚 下 的 土 地 是 否 坚 实 而 现 在, 普 朗 克 的 假 设 引 发 了 一 场 大 地 震, 物 理 学 所 赖 以 建 立 的 根 本 基 础 开 始 动 摇 了 普 朗 克 的 方 程 倔 强 地 要 求, 能 量 必 须 只 有 有 限 个 可 能 态, 它 不 能 是 无 限 连 续 的 在 发 射 的 时 候, 它 必 须 分 成 有 限 的 一 份 份, 必 须 有 个 最 小 的 单 位 这 就 像 一 个 吝 啬 鬼 无 比 心 痛 地 付 帐, 虽 然 他 尽 可 能 地 试 图 一 次 少 付 点 钱, 但 无 论 如 何, 他 每 次 最 少 也 得 付 上 1 个 penny, 因 为 没 有 比 这 个 更 加 小 的 单 位 了 这 个 付 钱 的 过 程, 就 是 一 个 不 连 续 的 过 程 我 们 无 法 找 到 任 何 时 刻, 使 得 付 帐 者 正 好 处 于 付 了 元 这 个 状 态, 因 为 最 小 的 单 位 就 是 0.01 元, 付 的 帐 只 能 这 样 一 份 一 份 地 发 出 我 们 可 以 找 到 他 付 了 1 元 的 时 候, 也 可 以 找 到 他 付 了 1.01 元 的 时 候, 但 在 这 两 个 状 态 中 间, 不 存 在 别 的 状 态, 虽 然 从 理 论 上 说,1 元 和 1.01 元 之 间, 还 存 在 着 无 限 多 个 数 字 普 朗 克 发 现, 能 量 的 传 输 也 必 须 遵 照 这 种 货 币 式 的 方 法, 一 次 至 少 要 传 输 一 个 确 定 的 量, 而 不 可 以 无 限 地 细 分 下 去 能 量 的 传 输, 也 必 须 有 一 个 最 小 的 基 本 单 位 能 量 只 能 以 这 个 单 位 为 基 础 一 份 份 地 发 出, 而 不 能 出 现 半 个 单 位 或 者 四 分 之 一 单 位 这 种 情 况 在 两 个 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 1900 年 12 月 14 日, 人 们 还 在 忙 活 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 名 留 青 史 的 黑 体 光 谱 中 的 能 量 分 布 的 论 文, 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 (die wahrscheinlichkeit zu finden, dass die N Resonatoren ingesamt Schwingungsenergie Un besitzen, Un nicht als eine unbeschr? nkt teilbare, sondern al seine ganzen Zahl von endlichen gleichen Teilen aufzufassen ) 这 个 基 本 部 件, 普 朗 克 把 它 称 作 能 量 子 (Energieelement), 但 随 后 很 快, 在 另 一 篇 论 文 里, 他 就 改 称 为 量 子 (Elementarquantum), 英 语 就 是 quantum 这 个 字 来 自 拉 丁 文 quantus, 本 来 的 意 思 就 是 多 少, 量 量 子 就 是 能 量 的 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 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 又 1/2 个 量 子, 那 个 状 态 是 不 允 许 的, 就 像 你 不 能 用 现 钱 支 付 1 又 1/2 美 分 一 样 28

35 第 02 章 乌 云 那 么, 这 个 最 小 单 位 究 竟 是 多 少 呢? 从 普 朗 克 的 方 程 里 可 以 容 易 地 推 算 出 这 个 常 数 的 大 小, 它 约 等 于 ^-27 尔 格 * 秒, 换 算 成 焦 耳, 就 是 ^-34 焦 耳 * 秒 这 个 单 位 相 当 地 小, 也 就 是 说 量 子 非 常 地 小, 非 常 精 细 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, 它 就 好 像 是 连 续 的 一 样 这 个 值, 现 在 已 经 成 为 了 自 然 科 学 中 最 为 重 要 的 常 数 之 一, 以 它 的 发 现 者 命 名, 称 为 普 朗 克 常 数, 用 h 来 表 示 请 记 住 1900 年 12 月 14 日 这 个 日 子, 这 一 天 就 是 量 子 力 学 的 诞 辰 量 子 的 幽 灵 从 普 朗 克 的 方 程 中 脱 胎 出 来, 开 始 在 欧 洲 上 空 游 荡 几 年 以 后, 它 将 爆 发 出 令 人 咋 舌 的 力 量, 把 一 切 旧 的 体 系 彻 底 打 破, 并 与 联 合 起 来 的 保 守 派 们 进 行 一 场 惊 天 动 地 的 决 斗 我 们 将 在 以 后 的 章 节 里 看 到, 这 个 幽 灵 是 如 此 地 具 有 革 命 性 和 毁 坏 性, 以 致 于 它 所 过 之 处, 最 富 丽 堂 皇 的 宫 殿 都 在 瞬 间 变 成 了 断 瓦 残 垣 物 理 学 构 筑 起 来 的 精 密 体 系 被 毫 不 留 情 地 砸 成 废 铁, 千 百 年 来 亘 古 不 变 的 公 理 被 扔 进 垃 圾 箱 中 不 得 翻 身 它 所 带 来 的 震 撼 力 和 冲 击 力 是 如 此 地 大, 以 致 于 后 来 它 的 那 些 伟 大 的 开 创 者 们 都 惊 吓 不 已, 纷 纷 站 到 了 它 的 对 立 面 当 然, 它 也 决 不 仅 仅 是 一 个 破 坏 者, 它 更 是 一 个 前 所 未 有 的 建 设 者, 科 学 史 上 最 杰 出 的 天 才 们 参 予 了 它 成 长 中 的 每 一 步, 赋 予 了 它 华 丽 的 性 格 和 无 可 比 拟 的 力 量 人 类 理 性 最 伟 大 的 构 建 终 将 在 它 的 手 中 诞 生 一 场 前 所 未 有 的 革 命 已 经 到 来, 一 场 最 为 反 叛 和 彻 底 的 革 命, 也 是 最 具 有 传 奇 和 史 诗 色 彩 的 革 命 暴 风 雨 的 种 子 已 经 在 乌 云 的 中 心 酿 成, 只 等 适 合 的 时 候, 便 要 催 动 起 史 无 前 例 的 雷 电 和 风 暴, 向 世 人 昭 示 它 的 存 在 而 这 一 切, 都 是 从 那 个 叫 做 马 克 斯 普 朗 克 的 男 人 那 里 开 始 的 ********* 饭 后 闲 话 : 连 续 性 和 悖 论 古 希 腊 有 个 学 派 叫 作 爱 利 亚 派, 其 创 建 人 名 叫 巴 门 尼 德 (Parmenides) 这 位 哲 人 对 运 动 充 满 了 好 奇, 但 在 他 看 来, 运 动 是 一 种 自 相 矛 盾 的 行 为, 它 不 可 能 是 真 实 的, 而 一 定 是 一 个 假 相 为 什 么 呢? 因 为 巴 门 尼 德 认 为 世 界 上 只 有 一 个 唯 一 的 存 在, 既 然 是 唯 一 的 存 在, 它 就 不 可 能 有 运 动 因 为 除 了 存 在 就 是 非 存 在, 存 在 怎 么 可 能 移 动 到 非 存 在 里 面 去 呢? 所 以 他 认 为 存 在 是 绝 对 静 止 的, 而 运 动 是 荒 谬 的, 我 们 所 理 解 的 运 动 只 是 假 相 而 已 巴 门 尼 德 有 个 学 生, 就 是 大 名 鼎 鼎 的 芝 诺 (Zeno) 他 为 了 为 他 的 老 师 辩 护, 证 明 运 动 是 不 可 能 的, 编 了 好 几 个 著 名 的 悖 论 来 说 明 运 动 的 荒 谬 性 我 们 在 这 里 谈 谈 最 有 名 的 一 个, 也 就 是 阿 喀 琉 斯 追 龟 辩, 这 里 面 便 牵 涉 到 时 间 和 空 间 的 连 续 性 问 题 阿 喀 琉 斯 是 史 诗 伊 利 亚 特 里 的 希 腊 大 英 雄 有 一 天 他 碰 到 一 只 乌 龟, 乌 龟 嘲 笑 他 说 : 别 人 都 说 你 厉 害, 但 我 看 你 如 果 跟 我 赛 跑, 还 追 不 上 我 阿 喀 琉 斯 大 笑 说 : 这 怎 么 可 能 我 就 算 跑 得 再 慢, 速 度 也 有 你 的 10 倍, 哪 会 追 不 上 你? 29

36 第 02 章 乌云 乌龟说 好 那我们假设一下 你离我有 100 米 你的速度是我的 10 倍 现在你来追 我了 但当你跑到我现在这个位置 也就是跑了 100 米的时候 我也已经又向前跑了 10 米 当你再追到这个位置的时候 我又向前跑了 1 米 你再追 1 米 我又跑了 1/10 米 总之 你只能无限地接近我 但你永远也不能追上我 阿喀琉斯怎么听怎么有道理 一时丈二和尚摸不着头脑 这个故事便是有着世界性声名的 芝诺悖论 之一 哲学家们曾经从各种角度多方面 地阐述过这个命题 这个命题令人困扰的地方 就在于它采用了一种无限分割空间的办法 使得我们无法跳过这个无限去谈问题 虽然从数学上 我们可以知道无限次相加可以限制在 有限的值里面 但是数学从本质上只能告诉我们怎么做 而不能告诉我们能不能做到 但是 自从量子革命以来 学者们越来越多地认识到 空间不一定能够这样无限分割下 去 量子效应使得空间和时间的连续性丧失了 芝诺所连续无限次分割的假设并不能够成立 这样一来 芝诺悖论便不攻自破了 量子论告诉我们 无限分割 的概念是一种数学上的理 想 而不可能在现实中实现 一切都是不连续的 连续性的美好蓝图 其实不过是我们的一 种想象 2.5 走向量子时代 我们的故事说到这里 如果给大家留下这么一个印象 就是量子论天生有着救世主的气 质 它一出世就像闪电划破夜空 引起众人的惊叹及欢呼 并摧枯拉朽般地打破旧世界的体 系 如果是这样的话 那么笔者表示抱歉 因为事实远远并非如此 我们再回过头来看看物理史上的伟大理论 牛顿的体系闪耀着神圣不可侵犯的光辉 从 诞生的那刻起便有着一种天上地下唯我独尊的气魄 麦克斯韦的方程组简洁深刻 倾倒众生 被誉为上帝谱写的诗歌 爱因斯坦的相对论虽然是平民出身 但骨子却继承着经典体系的贵 族优雅气质 它的光芒稍经发掘后便立即照亮了整个时代 这些理论 它们的成功都是近乎 压倒性的 天命所归 不可抗拒 而伟人们的个人天才和魅力 则更加为其抹上了高贵而骄 傲的色彩 但量子论却不同 量子论的成长史 更像是一部艰难的探索史 其中的每一步 都充满了陷阱 荆棘和迷雾 量子的诞生伴随着巨大的阵痛 它的命运注定了将要起伏而多 舛 量子论的思想是如此反叛和躁动 以至于它与生俱来地有着一种对抗权贵的平民风格 而它显示出来的潜在力量又是如此地巨大而近乎无法控制 这一切都使得所有的人都对它怀 有深深的惧意 而在这些怀有戒心的人们中间 最有讽刺意味的就要算量子的创始人 普朗克自己了 作为一个老派的传统物理学家 普朗克的思想是保守的 虽然在那个决定命运的 1900 年 他鼓起了最大的勇气做出了量子的革命性假设 但随后他便为这个离经叛道的思想而深深困 扰 在黑体问题上 普朗克孤注一掷想要得到一个积极的结果 但最后导出的能量不连续性 的图象却使得他大为吃惊和犹豫 变得畏缩不前起来 30

37 第 02 章 乌 云 如 果 能 量 是 量 子 化 的, 那 么 麦 克 斯 韦 的 理 论 便 首 当 其 冲 站 在 应 当 受 置 疑 的 地 位, 这 在 普 朗 克 看 来 是 不 可 思 议, 不 可 想 象 的 事 实 上, 普 朗 克 从 来 不 把 这 当 做 一 个 问 题, 在 他 看 来, 量 子 的 假 设 并 不 是 一 个 物 理 真 实, 而 纯 粹 是 一 个 为 了 方 便 而 引 入 的 假 设 而 已 普 朗 克 压 根 也 没 有 想 到, 自 己 的 理 论 在 历 史 上 将 会 有 着 多 么 大 的 意 义, 当 后 来 的 一 系 列 事 件 把 这 个 意 义 逐 渐 揭 露 给 他 看 时, 他 简 直 都 不 敢 相 信 自 己 的 眼 睛, 并 为 此 惶 恐 不 安 有 人 戏 称, 普 朗 克 就 像 是 童 话 里 的 那 个 渔 夫, 他 亲 手 把 魔 鬼 从 封 印 的 瓶 子 里 放 了 出 来, 自 己 却 反 而 被 这 个 魔 鬼 吓 了 个 半 死 有 十 几 年 的 时 间, 量 子 被 自 己 的 创 造 者 所 抛 弃, 不 得 不 流 浪 四 方 普 朗 克 不 断 地 告 诫 人 们, 在 引 用 普 朗 克 常 数 h 的 时 候, 要 尽 量 小 心 谨 慎, 不 到 万 不 得 已 千 万 不 要 胡 思 乱 想 这 个 思 想, 一 直 要 到 1915 年, 当 玻 尔 的 模 型 取 得 了 空 前 的 成 功 后, 才 在 普 朗 克 的 脑 海 中 扭 转 过 来 量 子 论 就 像 神 话 中 的 英 雄 海 格 力 斯 (Hercules), 一 出 生 就 被 抛 弃 在 荒 野 里, 命 运 更 为 他 安 排 了 重 重 枷 锁 他 的 所 有 荣 耀, 都 要 靠 自 己 那 非 凡 的 力 量 和 一 系 列 艰 难 的 斗 争 来 争 取 作 为 普 朗 克 本 人 来 说, 他 从 一 个 革 命 的 创 始 者 而 最 终 走 到 了 时 代 的 反 面, 没 能 在 这 段 振 奋 人 心 的 历 史 中 起 到 更 多 的 积 极 作 用, 这 无 疑 是 十 分 遗 憾 的 在 他 去 世 前 出 版 的 科 学 自 传 中, 普 朗 克 曾 回 忆 过 他 那 企 图 调 和 量 子 与 经 典 理 论 的 徒 劳 努 力, 并 承 认 量 子 的 意 义 要 比 那 时 他 所 能 想 象 的 重 要 得 多 不 过, 我 们 并 不 能 因 此 而 否 认 普 朗 克 在 量 子 论 所 做 出 的 伟 大 而 决 定 性 的 贡 献 有 一 些 观 点 可 能 会 认 为 普 朗 克 只 是 凭 借 了 一 个 巧 合 般 地 猜 测, 一 种 胡 乱 的 拼 凑, 一 个 纯 粹 的 运 气 才 发 现 了 他 的 黑 体 方 程, 进 而 假 设 了 量 子 的 理 论 他 只 是 一 个 幸 运 儿, 碰 巧 猜 到 了 那 个 正 确 的 答 案 而 已 而 这 个 答 案 究 竟 意 味 着 什 么, 这 个 答 案 的 内 在 价 值 却 不 是 他 能 够 回 答 和 挖 掘 的 但 是, 几 乎 所 有 的 关 于 普 朗 克 的 传 记 和 研 究 都 会 告 诉 我 们, 虽 然 普 朗 克 的 公 式 在 很 大 程 度 上 是 经 验 主 义 的, 但 是 一 切 证 据 都 表 明, 他 已 经 充 分 地 对 这 个 答 案 做 好 了 准 备 1900 年, 普 朗 克 在 黑 体 研 究 方 面 已 经 浸 淫 了 6 年, 做 好 了 理 论 上 突 破 的 一 切 准 备 工 作 其 实 在 当 时, 他 自 己 已 经 很 清 楚, 经 典 的 电 磁 理 论 已 经 无 法 解 释 实 验 结 果, 必 须 引 入 热 力 学 解 释 而 这 样 一 来, 辐 射 能 量 的 不 连 续 性 已 经 是 一 个 不 可 避 免 的 结 果 这 个 概 念 其 实 早 已 在 他 的 脑 海 中 成 形, 虽 然 可 能 普 朗 克 本 人 没 有 清 楚 地 意 识 到 这 一 点, 或 者 不 肯 承 认 这 一 点, 但 这 个 思 想 在 他 的 潜 意 识 中 其 实 已 经 相 当 成 熟, 呼 之 欲 出 了 正 因 为 如 此, 他 才 能 在 导 出 方 程 后 的 短 短 时 间 里, 以 最 敏 锐 的 直 觉 指 出 蕴 含 在 其 中 的 那 个 无 价 的 假 设 普 朗 克 以 一 种 那 个 时 代 非 常 难 得 的 开 创 性 态 度 来 对 待 黑 体 的 难 题, 他 为 后 来 的 人 打 开 了 一 扇 通 往 全 新 未 知 世 界 的 大 门 无 论 从 哪 个 角 度 来 看, 这 样 的 伟 大 工 作, 其 意 义 都 是 不 能 低 估 的 而 普 朗 克 的 保 守 态 度 也 并 不 是 偶 然 的 实 在 是 量 子 的 思 想 太 惊 人, 太 过 于 革 命 从 量 子 论 的 成 长 历 史 来 看, 有 着 这 样 一 个 怪 圈 : 科 学 巨 人 们 参 予 了 推 动 它 的 工 作, 却 终 于 因 为 不 能 接 受 它 惊 世 骇 俗 的 解 释 而 纷 纷 站 到 了 保 守 的 一 方 去 在 这 个 名 单 上, 除 了 普 朗 克, 更 有 闪 闪 发 光 的 瑞 利 汤 姆 逊 爱 因 斯 坦 德 布 罗 意, 乃 至 薛 定 谔 这 些 不 仅 是 物 理 史 上 最 伟 大 的 名 字, 好 多 更 是 量 子 论 本 身 的 开 创 者 和 关 键 人 物 量 子 就 在 同 它 自 身 创 建 者 的 斗 争 中 成 长 起 来, 每 一 步 都 迈 得 艰 难 而 痛 苦 不 堪 我 们 会 在 以 后 的 章 节 中, 详 细 地 去 观 察 这 些 激 烈 的 思 想 冲 击 31