第 一 章 黄 金 时 代 一 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

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1 上 帝 掷 骰 子 吗 量 子 物 理 史 话 版 权 所 有 :castor_v_pollux 原 作 提 交 时 间 :04:39:19 05 月 17 日 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, 却 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

2 第 一 章 黄 金 时 代 一 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 : 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 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) 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 的, 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 的 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 年 前 由 柏 林 普 鲁 士 科 学 院 提 出 悬 赏 的 问 题 ; 同 时,

3 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 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? 二 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 有 关 于 光 的 这 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 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

4 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 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

5 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 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 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?

6 向 以 太 致 敬 三 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, 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

7 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 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 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

8 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 四 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 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

9 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 但 是, 等 等, 如 果 正 好 一 列 波 在 它 的 高 峰, 另 外 一 列 波 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 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 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 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

10 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 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 至 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 论 符 合 得 相 当 完 美 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,

11 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 的 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! 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 1856,1861 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 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 Fran ois 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

12 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 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 五 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 的 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

13 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 的 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 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

14 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 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

15 第 二 章 乌 云 一 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 :

16 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 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 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 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

17 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 ) 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

18 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 的 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 (AL 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 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

19 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 的 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 二 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 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,

20 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 19 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 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 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

21 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, 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,

22 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 的 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 三 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 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

23 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 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

24 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, 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