上帝掷骰子吗-量子物理史话-第6部分
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
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。 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。 *********
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？ 四 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？ 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 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。 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
