上帝掷骰子吗--量子物理史话-第7节

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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