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量子物理史话--乌云2

发布时间:2014-10-24 10:50:50点击数:

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。红外线测温仪

让我们言归正传。在那个风云变换的世纪之交,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。红外测温仪

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。红外线测温仪

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。

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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17,18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)、菲涅尔、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?

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?

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)红外测温仪

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。红外线测温仪

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于50焦耳,等于32.233焦耳,等于3.14159……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1.00001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。红外线测温仪

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。

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6.55×10^-27尔格*秒,换算成焦耳,就是6.626×10^-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。红外测温仪

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饭后闲话:连续性和悖论
古希腊有个学派叫做爱利亚派,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?”

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。红外线测温仪

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。

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。红外测温仪

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。

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。红外线测温仪

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和观念碰撞。不过,正是这样的磨砺,才使得一部量子史话显得如此波澜壮阔,激动人心,也使得量子论本身更加显出它的不朽光辉来。量子论不像牛顿力学或者爱因斯坦相对论,它的身上没有天才的个人标签,相反,整整一代精英共同促成了它的光荣。

作为老派科学家的代表,普朗克的科学精神和人格力量无疑是可敬的。在纳粹统治期间,正是普朗克的努力,才使得许多犹太裔的科学家得到保护,得以继续工作。但是,量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘,它需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激活它的灵气。20世纪初,物理的天空中已是黑云压城,每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。一个伟大的时代需要伟大的人物,有史以来最出色和最富激情的一代物理学家便在这乱世的前夕成长起来。红外测温仪

1900年12月14日,普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文,宣告了量子的诞生。那一年他42岁。

就在那一年,一个名叫阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业,正在为将来的生活发愁。他在大学里旷了无穷多的课,以致他的教授闵可夫斯基(Minkowski)愤愤地骂他是“懒狗”。没有一个人肯留他在校做理论或者实验方面的工作,一个失业的黯淡前途正等待着这位不修边幅的年轻人。

在丹麦,15岁的尼尔斯•玻尔(Niels Bohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格,每次打架或争论,总是少不了他。学习方面,他在数学和科学方面显示出了非凡的天才,但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名的笑柄。特别是作文最后的总结(conclusion),往往使得玻尔头痛半天,在他看来,这种总结是无意义的重复而已。有一次他写一篇关于金属的论文,最后总结道:In conclusion, I would like to mention uranium(总而言之,我想说的是铀)。

埃尔文•薛定谔(Erwin Schrodinger)比玻尔小两岁,当时在维也纳的一间著名的高级中学Akademisches Gymnasium上学。这间中学也是物理前辈玻尔兹曼,著名剧作家施尼茨勒(Arthur Schnitzler)和齐威格(Stefanie Zweig)的母校。对于刚入校的学生来说,拉丁文是最重要的功课,每周要占8个小时,而数学和物理只用3个小时。不过对薛定谔来说一切都是小菜一碟,他热爱古文、戏剧和历史,每次在班上都是第一。小埃尔文长得非常帅气,穿上礼服和紧身裤,俨然一个翩翩小公子,这也使得他非常受到欢迎。

马克斯•波恩(Max Born)和薛定谔有着相似的教育背景,经过了家庭教育,高级中学的过程进入了布雷斯劳大学(这也是当时德国和奥地利中上层家庭的普遍做法)。不过相比薛定谔来说,波恩并不怎么喜欢拉丁文,甚至不怎么喜欢代数,尽管他对数学的看法后来在大学里得到了改变。他那时疯狂地喜欢上了天文,梦想着将来成为一个天文学家。

路易斯•德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁,正在他那显赫的贵族家庭里接受良好的幼年教育。他对历史表现出浓厚的兴趣,并乐意把自己的时间花在这上面。

沃尔夫冈•恩斯特•泡利(Wolfgang Ernst Pauli)才出生8个月,可怜的小家伙似乎一出世就和科学结缘。他的middle name,Ernst,就是因为他父亲崇拜著名的科学家恩斯特•马赫(Ernst Mach)才给他取的。

而再过12个月,维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名希腊文献教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。稍早前,罗马的一位公务员把他的孩子命名为恩里科•费米(Enrico Fermi)。20个月后,保罗•狄拉克(Paul Dirac)也将出生在英国的布里斯托尔港。

好,演员到齐。那么,好戏也该上演了。红外线测温仪