窥探上帝的秘密——量子史话(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2021-02-24 03:46:03

点击下载

作者:杨建邺  著

出版社:商务印书馆

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

窥探上帝的秘密——量子史话

窥探上帝的秘密——量子史话试读:

版权信息书名:窥探上帝的秘密——量子史话作者:杨建邺[著]排版:昷一出版社:商务印书馆出版时间:2009-11-01ISBN:9787100059572本书由商务印书馆有限公司授权北京当当科文电子商务有限公司制作与发行。— · 版权所有 侵权必究 · —前 言

20世纪初,物理学家开始探索原子、原子核以及基本粒子这个无声无形的世界,继理论和实验探讨之后,就出现了一个新的王国——量子力学(Quantum Mechanics)。

我们可以毫不夸张地说,量子力学是历史上最成功的理论。它的起源可以追溯到一百多年以前。但是直到20世纪末,由于量子工程和技术被广泛地运用,而且与人们日常生活息息相关,介绍“量子”方面的书才逐渐增多,众多读者才慢慢熟悉“量子”(quanta)这个词。

量子力学始于普朗克的量子论(创立在1900年),爱因斯坦接着向前大大推进了量子论,玻尔的进入更是大大加快了量子理论的进展。在量子理论对这光怪陆离的粒子世界的描述中,人们习惯的经典定律经常失效。一个粒子可以同时处于多个位置,还可以无阻碍地穿过障碍物;所有的物体都有“波粒二象性”,它既是粒子又是波;两个分得很开的物体也可以进行某种“纠缠”(entaglement),类似“精神性”的合作。如此种种,使得量子理论听起来总是令人不可思议。量子理论的创立者之一尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885—1962,1922年获得诺贝尔物理学奖)就曾经说过:“如果一个人没有被量子力学弄糊涂,那他就还没有真正懂得量子力学。”

1988年获得诺贝尔物理学奖的莱德曼(Leon M. Lederman,1922—)在他写于1993年的《上帝粒子——假如宇宙是答案,究竟什么是问题》一书中谈到量子力学引起的种种困惑时写道:

这件事引发了一个更加深刻的问题,人类的大脑是否已为理解量子物理学的神秘作好了准备呢?这个问题直到20世纪90年代还困扰着一些非常优秀的物理学家。理论家帕格尔斯(Heins Pagels,几年前悲惨地死于一次登山事故)在他写得非常好的《宇宙密码》(The Cosmic Code)一书中指出:人的大脑可能还没有进化得足够完善,以至于现在还无法理解量子实在。他可能是对的,尽管他的几个同行似乎自认为比我们中的其他人进化得更加完善一些。

正因为如此,多少年来,量子理论的神秘面纱使得它始终不为科学研究领域以外的大众所了解。

实际上,量子理论是门非常实用的学科,早在第二次世界大战之前,它的原理就已经被运用于超导、分析金属和半导体的电学和热学性质。战后,晶体管和激光器这两个运用量子理论原理的广为人知的装置,更是极大地推动了信息革命的发展。

现在,我们的周围到处都是直接或间接运用量子理论的技术和装置。从最简单的CD唱片机到庞大的现代光纤通信系统,从无水涂料到激光制动车闸,从医院的核磁共振成像仪到隧道扫描显微镜,量子技术已经成为一种非常具有商业利润的行业,因量子理论的成功运用而获得的巨大收益占据了工业国家国民生产总值的很大一部分。

在未来的21世纪,量子技术将提供更多惊人的进展,例如纳米技术装置领域,它的目标是设计和制造分子尺寸的机器,其潜在运用包括医学、计算机以及新型奇异材料的构造;量子技术专家已经可以俘获单个原子了,并且还可以利用可控的电磁场操纵原子,进行量子雕刻甚至是晶体的单原子成像;还有正处于设想中的量子计算机、量子运输……真是前途无量!

本书除了介绍量子力学艰难成长过程和为之作出了卓越贡献的物理学家们,还将以适当的篇幅介绍量子力学带来的伟大的技术革命。

当然看完本书后,读者也许能更深刻领会莱德曼说的一段话:

作为一门在20世纪90年代占统治地位的精妙的理论,量子力学行得通。它在原子领域行得通。它在分子领域行得通。它在复杂的固体、金属、绝缘体、半导体、超导体,以及已应用它的任何领域内都行得通。但对我们来说更重要的是,量子理论是我们目前在研究原子核、原子核结构及其下面的更基本的物质——在那里我们将遇到“原子”和上帝粒子——中所拥有的唯一工具。也正是在那里,量子理论的概念性难题将扮演一个重要的角色,虽然这些难题常常被大多数物理学家视为只是“哲学问题”而避而不谈。序 篇

19世纪末,经典物理学获得了全面的发展和巨大的成功,形成了以经典力学、电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的理论体系。这一理论体系,可以说已经达到了相当完整、系统和成熟的地步,因而有一种乐观主义的情绪认为,物理学已经充分掌握了理解整个自然界的原理和方法。相当多的物理学家深信,已经发现的物理定律适合于任何情况,是永远不变的;此后的工作,无非是把以原子概念为基础的物质力学理论,同以太理论结合起来。这后一步工作一旦完成(他们也深信不疑它必将迅速完成),那物理学家就没有什么事可以干了,剩下的只需将物理常数的测量往小数点后面移几位。

这种过分乐观情绪最有名的证据,是麦克斯•普朗克(Max Planck,1858—1947,1918年获得诺贝尔物理学奖)在1924年慕尼黑的一次演讲中所说的例子,普朗克说:

当我开始研究物理学时,我可敬的老师菲利浦·冯·约里(Phillip von Jolly)对我讲述我学习的条件和前景时,他向我描绘了物理学是一门高度发展的、几乎是尽善尽美的科学。现在,在能量守恒定律的发现给物理学戴上桂冠之后,这门科学看来很接近于采取最终稳定形式。也许,在某个角落里还有一粒尖屑或一个小气泡,对它们可以去进行研究和分类。但是,作为一个完整的体系,那是建立得足够牢固的;而理论物理学正在明显地接近于如几何学在数百年中所已具有的那样完善的程度。

1888年,美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Abraham Michelson,1852—1931,1907年获得诺贝尔物理学奖)在克利夫兰召开的一次会议上说:“无论如何,可以肯定,光学比较重要的事实和定律,以及光学应用比较有名的途径,现在已经了如指掌,光学未来研究和发展的动因已经荡然无存。”1894年,在芝加哥大学的一次公开演讲中他更进一步把这种盲目乐观情绪扩展到了整个物理学领域,他漫画式地描述说:▲美国物理学家迈克尔逊正在观察“以太飘移”。

物理科学的比较重要的基本定律和事实全都被发现了,而这些定律现在已被如此稳固地确立,以致由于新的发现使它们被替代的可能性是遥远的。虽然任何时候也不能担保,物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹,但是似乎十分可能,绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了,下一步的发展看来主要在于把这些原理,认真地应用到我们所注意的种种现象中去。正是在这里,测量科学显示出了它的重要性——定量的结果比定性的工作更为重要。一位杰出的物理学家指出:未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找。

迈克尔逊的意思明显地是说,物理学已经无事可干了,剩下的事只需将物理常数的测量往小数点后面移几位。

当然,在世纪之交,并不是所有物理学家都像约里、迈克尔逊那样乐观得忘乎所以。美国物理学家里查德·费曼(Richard Phillips Feynman,1918—1988,1965年获诺贝尔物理学奖)就说过:

人们经常听说19世纪后期的物理学家认为,他们已经了解了所有有意义的物理规律,因而以后所能做的只是去计算更多的小数位。某人可能这么说过一次,其他人就争相传抄。但是彻底阅读当时的文献表明,他们中的许多人都对某些问题是忧虑重重的。

费曼的话有道理。当一部分人沉湎于过分乐观的情绪中时,物理学的发展却与这种情绪背道而驰。在19世纪末到20世纪初这段不太长的时间里,由于一系列实验中的新发现,一场激烈的物理学乃至整个科学的革命迅速爆发,并以极快的速度渗透到物理学各种最基本的思想和原理之中。因此也有很多物理学家“忧虑重重”。

1881年是十分重要的一年,这年8月,美国《科学杂志》发表了年轻物理学家迈克尔逊的文章。文章中迈克尔逊声称,他根据詹姆斯·麦克斯韦(James Clark Maxwell,1831—1879)去世前不久所设计的实验方法,首次证实“静止以太的假设被证明是不正确的;必然的结论是:这种以太的假设是错误的”。

接着,1895年德国慕尼黑大学教授威廉·伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen,1845—1923,1901年获得诺贝尔物理学奖)发现了X射线,1896年法国物理学家安托万-亨利·贝克勒尔(Atoine-Henri Becquerel,1852—1908,1903年获得诺贝尔物理学奖)发现放射性,1897年英国的约瑟夫·约翰·汤姆逊(Joseph John Thomson,1856—1940,1906年获得诺贝尔物理学奖)发现电子,这些发现真是让物理学家又惊又喜。喜的是得到了这些了不起的发现,如英国物理学家洛奇(O. J. Lodge,1851—1940)所说:

当前的物理学正处于一个令人惊异的活跃时期,每月、每周,甚至每天都有进展。过去的发现犹如一长串彼此无关的涟漪,而今天它们似乎已经汇成一个巨浪,在巨浪的顶峰上,人们开始看到某种宏大的概括。日益炽烈的焦虑,有时简直令人痛苦。人们觉得自己像一个小孩,长时期在一个已成废物的风琴上胡乱弹奏着琴键。突然,琴箱里一种看不见的力量,奏出了有生命的曲子。现在,他惊奇地发现,手指的触摸竟能诱发出与思想相呼应的音节。他犹豫了,一半是因为高兴,一半是因为害怕,他害怕现在几乎立即可以弹出的和声,会震聋自己的耳朵。

惊的是这些发现有许多无法使用经典物理理论解释。尤其是1895年至1900年德国和英国一批物理学家在辐射理论方面的突破性研究,都严重地冲击着经典物理学传统的物理学思想。

物理学面临严重的危机。这正是:“溪云初起日沉阁,山雨欲来风满楼。”

到20世纪之初,连素以保守著称的英国著名科学家开尔文(Kelvin,1824—1907)也感受到了暴雨前呼啸而来的山风。1900年4月27日,他在皇家学会的题为“19世纪热和光的动力学理论上空的云”的演讲中承认:

动力学理论断言热和光都是运动的方式,可是现在,这种理论的优美性和明晰性被两朵“乌云”遮得黯然失色了。第一朵“乌云”是随着光的波动理论而开始出现的,菲涅耳和托马斯·杨研究过这个理论,它包括这样一个问题:地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动的呢?第二朵“乌云”是麦克斯韦-玻尔兹曼关于能量均分的学说。

这就是在现代科学史上大有名气的“两朵乌云”说。第一朵乌云涉及的是力学、电磁理论中最基本的物理思想,即经典力学中的时空观的问题。经典力学需要一个绝对的时空框架,而这一框架在麦克斯韦光辉的电磁理论中似乎找到了证实:电磁波的载体以太就是物理学家寻觅已久的物化了的绝对空间。

真是值得欢呼雀跃呀!可别高兴早了。

如果真有绝对静止的以太,那么由于地球的运动,就应该可以测出以太相对地球的“飘移”运动。可惜到1887年,迈克尔逊和莫雷(E. W. Morley,1838—1923)再次用精确无误的实验证实:以太飘移(ether draft)是不存在的。

明白了这一无可怀疑的现实后,越来越多的物理学家们认识到了大事不妙,问题严重。当时世界物理学界最负盛望的亨德里克·安东·洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz,1853—1928,1902年获得诺贝尔物理学奖)忧心忡忡地说:“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾。”

开尔文更是沮丧地说:“在我看来,第一朵‘乌云’恐怕是非常浓厚的呢。”这一朵乌云,直到爱因斯坦于1905年提出狭义相对论后才逐渐散开。这方面的详细情况与本书关系不太大,不作详述。

第二朵乌云涉及的是经典力学的第三根支柱——热力学和分子运动论,也就是固体“比热”的困难。早在1819年,法国物理学家和化学家杜隆(P. L. Dulong,1785—1838)和珀蒂(A. T. Petit,1791—1820)在他们的文章里,发表了关于固体物质比热的实验结果:所有固体的比热都有相同的、固定的数值。这个规律被称为“杜隆-珀蒂定律”。 1868年,路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Edward Boltzmann,1844—1906)把分子运动论中极为重要的一个定理“能量均分定理”,用来解释杜隆-珀蒂定律,结果非常成功。

开始,物理学家只发现少数固体的比热有一点点偏离杜隆-珀蒂定律,没有造成严重的困难。但到了19世纪末,随着低温技术的发展,实验发现温度降到很低时,固体的比热普遍地明显下降。这种实验结果无疑是对经典统计物理学的基本原理,尤其是能量均分定理提出了挑战,而且是一个严重的挑战。所以开尔文把这一困难与以太飘移困难并列,称之为“第二朵乌云”。他还断言说:气体比热的预测值与观察的明显偏离,“绝对足以否定”经典统计力学。

经典统计力学中的困难的突破,引出了量子论。

在20世纪到来的那一年,即1900年,量子论诞生了。这是人类文明史、科学史上一件惊天动地的大事:它开创了物理学的一个崭新的时代。但在当时,包括提出量子论的普朗克本人,都绝对没有想到量子论居然在物理学里掀起了滔天巨浪,把原有的经典物理学世界稀里哗啦地砸个乱七八糟,让所有的物理学家在迷惘和痛苦中度过了大半个世纪。

一个世纪过去后的今天,我们虽然知道由量子论发展出来的量子力学能够解释和预言数不清的物理学问题,由它发展出来的技术早已改变了人类文明生活,但这并不意味着我们真正理解了量子力学。

对量子力学的发展作出重大贡献的费曼曾说:“没有人明白量子力学。”他还说:“从常识的观点来看,量子电动力学描述自然的理论是荒唐的,但它与实验非常符合。”

人类的常识(common sense)是人类几万年生活、文化的淀积,当我们带着常识进入光怪陆离的量子世界时,常识会步步为营、层层设防地抵制量子力学新概念的“入侵”,以至于人类至今也没有能够完全理解量子世界稀奇古怪的行为。因此,在开始进入量子世界以前,为了避免读者走进令人灰心的死胡同,建议读者先尽量满足于接受观察到的实验事实,不要急于问“为什么会如此这般”这样的问题,因为谁也不能回答你这样的问题。大自然就是这样的,没有人知道为什么,至少目前没有人知道为什么。大自然比任何一个科学家的想象都要奇妙得多。记住这一点。只有当你首先相信量子力学以后,你才会安心地往下看那些更加古怪的内容,如薛定谔的猫、多宇宙诠释……

下面,我们从19世纪末和20世纪初德国的一位伟大的物理学家普朗克,以及他在克服热辐射中出现的困难而引出量子论讲起。无奈之中:普朗克揭竿而起

有一次,普朗克对他的学生和继承者麦克斯•劳厄(Max von Laue,1879—1960,1914年获得诺贝尔物理学奖)说:“我的座右铭是:审慎地考虑前进的每一步,然后,如果你相信你能承担所负的责任的话,就不让任何东西阻挡你前进。”

的确,在许多重要的问题上,普朗克不会轻易地改变自己的观点,但在量子论问题上他却几次进退失据,显得胆怯而保守。而且谁也没有想到他这样一位审慎、比较保守的人,会在42岁时提出掀起惊天巨浪的量子论。普朗克其人

1858年4月23日,普朗克出生于现石勒苏益格-荷尔斯泰因州的基尔市。那时荷尔斯泰因还属于丹麦王国的领土。在他6岁时,奥地利和普鲁士的军队开进了他所居住的城市。从此,战争在他一生中像凶神一样总是牢牢地盯住他,使他在物理学里创造辉煌的同时,饱受战争给他带来的巨大痛苦。

普朗克的祖先是德国人,他的祖父和曾祖父都是哥廷根大学的神学教授。他的父亲是法学教授,因为要到基尔大学任教,才来到基尔市。1867年普朗克9岁时,他父亲转到慕尼黑大学任教,全家又搬到慕尼黑居住。

普朗克不是一个天才,在读书期间,他是一个循规蹈矩的好学生,但并不光彩照人。他对所有的功课都认真学,学得也不错,不像爱因斯坦那样,不想学的就逃课不学。普朗克总是班上的3到8名,老师们没有看到他有任何天才的表现,但都欣赏他性格腼腆文静和坚强的优点。

普朗克也认为自己没有什么特殊的才能。对新奇的东西他不盲目追随,也不会立即作出反应。他自己曾说:

我天性平和,不喜欢没有把握的冒险。……而且不幸的是,我天生没有那种对新鲜事物迅速作出反应的能力。

普朗克在钢琴演奏方面颇有天赋,在1874年考大学时,他很想考音乐系,但他又喜爱数学和物理学,为此他犹豫了一段时间。据说后来是因为一位职业音乐家说他演奏钢琴时不够专心,他才决定放弃音乐,考取了慕尼黑大学理学院。开始他想学习数学,不久就决定专攻物理学。1877年和1878年,他到柏林大学学习了两个学期,在那儿他认识了两位著名的物理学家基尔霍夫(G. R. Kirchoff,1824—1887)和亥姆霍兹(H. L. F. Helmholtz,1821—1894),他听过他们讲的课。虽然他们两人的讲课实在不吸引人,但他们的研究和科学思想却绝对一流。普朗克在他的《科学自传》中写道:

在柏林,在亥姆霍兹和基尔霍夫的指导下,我的科学眼界大为扩大。因为他们的学生都容易有机会接触到这两位物理学家那些开拓性的、为全世界所注目的工作。▲1879年获得博士学位时的普朗克。

在基尔霍夫的影响下,普朗克从1879年开始研究热力学。热力学里有两个定律,一个是热力学第一定律,另一个是热力学第二定律。热力学第一定律是说在任何自然界发生的变化过程中,能量可以转移和转化,但不能够产生和消灭,这就是人们熟知的能量转化和守恒定律。热力学第二定律是说,有些过程即使满足能量转化和守恒定律,但却不能发生。例如,一杯热开水向四周散发热量,然后自己变冷,这个过程可以自动发生;但是,一杯冷水不可能自动地从四周空气中聚集热量,让自己沸腾起来。这一过程即使没有违背热力学第一定律,也不可能发生,因为这个过程违反热力学第二定律。普朗克被这些定律的普适性和绝对性迷住了,决定以热力学第二定律作为博士论文的题目。

1879年,普朗克以论文《论热力学第二定律》进行了答辩。虽然他的论文受到了基尔霍夫的批评,但他还是顺利地拿到了博士学位。

拿到学位后,普朗克就留在慕尼黑大学任教,从1880年直到1885年。这期间工资比较低,因此他还不能建立家庭。1885年,基尔大学愿意聘他为副教授,虽然这所大学远在德国的北端,普朗克还是接受了聘请,这样他就有更高的收入,可以与青梅竹马的女友玛丽·默克(Marie Merck)结婚了。

1888年,在柏林大学任教的基尔霍夫因病去世,柏林大学先后想聘请在维也纳的玻尔兹曼和在波恩的亨利希•赫兹(Heinrich Hertz,1857—1894),但他们都不愿意离开他们熟悉的城市。当征询到第三位候选人普朗克时,普朗克当然非常高兴有这样难得的机会。1889年1月,普朗克来到柏林大学任教。开始他并不顺利,一来他的资历不高,二来他研究的方向不受重视。他第一次在柏林物理学会议上作的有关热力学的报告,受到冷遇,在讨论时没有一个人发言,只有会议主席(一位生理学家)提出了几点批评性意见。在回忆录中,普朗克对这次失利的报告写道:

基本上这是对我那热烈的想象浇了一瓢冷水。我步行回家,郁郁寡欢,但很快我就有了安慰自己的办法,因为我想:一个正确的理论即使没有巧妙的宣传也迟早会得到承认的。后来事实证明,我的想法完全正确。

三年后的1892年,普朗克升为教授。1894年,他被选为普鲁士科学院院士。恰好这年,亥姆霍兹和奥古斯特•孔脱(August Kundt,1839—1894)先后去世,普朗克成了柏林物理学家中最著名的物理学家,并且从20世纪初期起,成了德国首屈一指的理论物理学家。

当时有人把普朗克比为“帝国的科学首相”,他立即表示反对,说:“我不是亥姆霍兹。”

1896年,普朗克开始热辐射的经典研究。正是这一研究把他带进了科学研究的旋涡中心,并让他痛苦迷惘了20多年。无奈之中的抉择

按照劳厄的话来说,热辐射理论自始至终“形成于德国”。在第一批研究者当中,特别应该提到的是基尔霍夫。

谈起热辐射,每个人都对它有相当多的感性认识。在火炉里,当温度逐渐升高时,炉火的颜色由暗红而变为亮红,然后又变为橘黄、黄色,甚至可以变为白色。因此,即使不是一位物理学家,他也知道在炉火的颜色与温度、转送热量之间有一定的关系。热可以从火炉向四周辐射,这种热辐射实际上也是一种电磁波辐射,只不过波长较长而已。

19世纪后期,德国工业崛起,它由一个土豆输出大国变为钢铁输出大国,因此,由于炼钢、电灯照明的需要,对热辐射的研究就十分紧迫,有许多科学家都先后跻身于这项研究工作之中。基尔霍夫是一位兼理论与实验研究的全能型科学家,他曾发现化学元素铯和铷,在电流和流体力学领域也颇有建树,但他最卓越的研究却是黑体辐射的研究。对于黑体(例如煤炭、黑色呢大衣)人们也不陌生,黑颜色物体即黑体,它有一个特点是能将大部分热辐射吸收进去,反射得很少(所以人们在冬天穿黑色呢大衣较多,而夏天人很少穿黑色衣服)。基尔霍夫为了简化热辐射的研究,提出一种称为“绝对黑体”(absolute black body)的理想物体。绝对黑体可以在任何温度下百分之百地吸收辐射到它上面的一切热辐射,一点也不反射回去。这样,整个热辐射的研究就可以简化为(绝对)黑体辐射的研究。在大部分情形下,人们为了方便就把“绝对黑体”简称之为“黑体”。但“黑体”是一种理想的物体,所以虽然由它得出的黑体辐射定律有许多,但谁是谁非,却无法由实验检验。

1895年,德国物理学家威廉•维恩(Wilhelm Wien,1864—1928,1911年获得诺贝尔物理学奖)和他的同事发表了一篇题为《检验绝对黑体辐射定律的方法》的论文,在论文中他们提供了一个可以供实验测量的绝对黑体模型。这是一个带有小孔的空腔,它相当于能吸收射向它里面的全部辐射的“绝对黑体”。这也不难让人理解,一束辐射(例如光)射进一个只有一个小孔的空腔,这束光再想从小孔射出来的可能性很小,如果空腔里再设置一些隔板,那么这束光几乎再也出不来了。你从远处看一个楼房的窗口(越小越好),为什么窗口总是黑色的呢?因为那个有窗口的房间就有点像维恩设计的“小孔空腔”了,只不过维恩的小孔很小,而窗口相比较就嫌太大了。

有了这样一个带有小孔的空腔,人们才可以对黑体辐射进行实验研究,而不再只能作理论研究。维恩的这一个小小发明,可以说扭转了乾坤。功劳真可谓不小啊!但是维恩的政治态度却十分糟糕,他是一个沙文主义者,还是一个反犹太人的激进分子。

正在黑体实验开始有了进展之际,维恩却离开了柏林物理技术研究所,到亚琛(Aachen)大学任教,他原来想用这个新方法对以前一些由理论建立的辐射定律进行检验的计划,现在只好留给卢梅尔(O. Lummer,1860—1925)和鲁本斯(H. Rubens,1865—1922)等实验物理学家去做了。▲德国物理学家维恩,1911年获得诺贝尔物理学奖。

当时辐射定律多得很,他们当然只能检验最有名的几个辐射定律,如斯忒藩-玻尔兹曼定律、瑞利-金斯定律和维恩辐射分布律,等等。经过一两年的反复实验,到1900年10月,鲁本斯他们已经可以准确无误地指出:维恩定律在长波部分(即光谱的红外区域)和温度很高时,其理论计算值与他们的实验值有显著的不同;而瑞利-金斯定律则在短波(即紫外区域)与实验明显不符,而且还趋于无限大,因此被称为“紫外灾难”(ultraviolet catastrophe)。

好,历史条件已经成熟,普朗克该上场了。由此,一场威风八面的重头戏开场。谁也没料到,居然是一位年过四十的物理学家唱了主角。

普朗克十分重视基尔霍夫黑体辐射定律的普遍特征。我们知道,黑体只要保持某一恒温状态,那么在热平衡时,辐射的规律与黑体的材料性质无关,这是一种普遍的特征。普朗克一生都热衷于对普遍性、绝对性规律的追求,他在说明自己为什么要选择物理学作为终生职业时说:

外在的世界在某些方面独立于人,具有某种绝对的性质,寻找这些可以表征绝对性的定律对我来说,是生命和科学活动中最有意义的事情。

在研究黑体辐射定律的初期,他把维恩辐射分布定律作为研究的出发点,这个分布定律在1900年10月以前,人们认为它与实验吻合得比较好。但普朗克看重的只是这个定律的数学公式和结果,而不满意维恩在推导公式时引入了分子运动论的假说,这是因为分子运动论中有玻尔兹曼的统计概念。普朗克追求的是普遍性和绝对性,他厌恶统计规律,认为统计中少不了的偶然性不是真正的科学规律。所以,他用电动力学和热力学严密结合的非统计的方法,重新推出了维恩定律。▲普朗克在自己的书房里查阅资料。

1899年5月,在普鲁士科学院会议上,普朗克公布了他推出的与维恩公式类似的公式。他信心十足,以为成功在望:他认为自己能够在不必假设原子存在和不涉及统计规律的情形下,把握空腔辐射的规律。但是到1900年10月7日,普朗克的信心动摇了,因为鲁本斯与他的妻子一起到他家中告诉他,维恩定律与实验不符,在长波方面有系统误差。普朗克听说后,在惊诧和沮丧之余,竟立即根据鲁本斯他们的实验结果,又提出了一个半经验、半理论的辐射公式,这个公式就是至今仍然大名鼎鼎的“普朗克辐射公式”。

不到两周后的1900年10月19日,在德国物理学家举行的一次正式会议上,普朗克以题为“论维恩定律的改善”的演讲中,公布了他的新公式。

奇迹出现了!

鲁本斯当天晚上立即在实验室里将普朗克的新公式同他拥有的测量数据进行了仔细的核对,结果他大为惊诧:普朗克的公式竟与实验数值完全符合!他感到又惊讶又高兴。第二天清晨,鲁本斯就迫不及待地把这个令人极为振奋的结果告诉了普朗克,并且说:“这一定不是偶然的!”

在鲁本斯之后,又有一些实验物理学家做过实验,结果都证明在当时可测量到的任何情形下,普朗克的公式都是正确的。

普朗克为此大受鼓舞、兴奋异常。但他自己也明白,他提出的公式只是一种方法巧妙的半经验、半理论的公式,其价值很有限,因此他的当务之急是要为这个公式寻求一个理论上的解释。普朗克后来在诺贝尔演讲时回忆了当时的情形,他说:

即使证明了这个公式是绝对精确的,但……其价值仍然有限。由于这个缘故,从那时起,也就是从公式建立那天起,我一直忙于阐明公式的真正物理特性……经过一生中最紧张的几周工作之后,我从黑暗中见到了光明,一个意想不到的崭新前景展现在我的眼前。

所谓“黑暗中”的“光明”,就是指他发现:为了解释他的公式,他必须承认辐射中的能量只能是不连续的、分立的,就像水果糖那样一颗颗的,而不像水一样连绵不断。并且这分立的能量ε可以用如下公式表达:

ε=hν

这里ε被称为“作用量子”(quantum of action),其大小由热辐射频率ν来决定; h是一个他发现的新的普适常数,后来被恰如其分地称为“普朗克常数”。普朗克的理论也因ε这个作用量子被名正言顺地称为“量子论”。这是一个具有革命性的理论,一个使物理学界为之哗然和震撼的理论,一个连普朗克自己也几乎噤若寒蝉的理论。普朗克进退失据

为什么说这是一个令人“震撼”和几乎让人“噤若寒蝉”的理论呢?这有一段悠久的历史,不了解这段历史你就无法理解其中的革命性的意义。

资料链接:自然界的连续性

17世纪,德国伟大的数学家、哲学家莱布尼茨(G. W. Leibnitz,1646—1716)宣称:“任何事物都不是一下完成的,这是一条基本准则,而且是一条得到了证实的准则:自然绝不作飞跃。……这条规律,称为连续律(law of continuity);这条规律在物理学上的用处是很大的。“连续律宣布自然不让它所遵循的秩序之中留有空隙。“这符合壮丽的宇宙的和谐……“在自然界中一切都是逐步地渐进而丝毫不作飞跃的,而关于变化的这一规则是我的连续律的一部分。”

莱布尼茨认为,连续性定律(或原则)贯穿着全部哲学,宇宙中万事万物均要恪守无误。他还对此作过进一步的解释:“当前始终孕育着未来,任何现存的状态只能由直接先于该状态之状态来进行自然的解释。如果人们否认这一点,那么世界就会有空缺,这些空缺将会推翻具有充足理由的这一伟大原理,将迫使我们为解释现象而乞怜于奇迹或者纯粹偶然性。”

牛顿(Issac Newton,1642—1727)与莱布尼茨的想法相同,认为宇宙中的一切只能连续地变化,不可能实现跳跃。他提到了时间、空间、运动、液体……他认为这些量都只能连续地改变。

还有英国的洛克(John Locke,1632—1704)和德国的康德(Immanuel Kant,1724—1804)等人都一脉相承,将连续性原理作为宇宙中至高无上、不言而喻的原理,谁也没有对它怀疑过,或提出过挑战。到19世纪末,麦克斯韦电磁理论取得的光辉成就,更有力地支持了连续性原理。被誉为“英国经济学之父”的马歇尔(Alfred Marshall,1842—1924)在他的被誉为“经济学里的《圣经》”的《经济学原理》中,也同样把“自然界无跳跃”作为他“研究经济学的基础”。

在古希腊原子论学者的眼中,自然界的某些特性中具有分立的特性,如他们猜测物质有最小的部分(原子)的存在,它使物体具有分立的、不连续的特性。但到了亚里士多德 (Aristotle,公元前384—322)以后,连续性思想逐渐占据了统治地位。亚里士多德定义说:

两事物之外限相共处以至于合一者,我称为“延续”(continuous),所以诸事物由于相贴切而成为一个整体者,才可见其为“延续”。

这儿的“延续”即连续。他还举例说,线、运动、时间和空间,都是连续的东西。在《物理学》里亚里士多德进一步说:

如果事物的外限是一个,它们就是连续的……不可能有任何连续事物是由不可分的事物合成的,例如线不能由点合成,线是连续的而点是不可分的。

亚里士多德的连续性思想在两千多年以后,对于西方思想有巨大的影响,它们几乎一脉相承,绵延不绝,直到20世纪(见资料链接)。

由此可以想见,普朗克需要有多么大的勇气、多么明智的判断,才敢于打破两千年来根深蒂固的传统观念,提出不连续的量子的概念!难怪普朗克把自己的这一行为称为“孤注一掷的行动”。在一次回忆中,他还非常生动地描述了他当时激烈的思想斗争:

我生性喜欢和平,不愿进行任何吉凶未卜的冒险。然而到那时为止,我已经为辐射和物质之间的平衡问题徒劳地奋斗了6年(从1894年算起)。我知道这个问题对于物理学是至关紧要的,我也知道能量在正常光谱中的分布的那个表达式。因此,一个理论上的解释必须以任何代价非把它找出不可,不管这代价有多高。我非常清楚,经典物理是不能解决这个问题的。……摆在我面前的是维持热力学的两条定律。我认为,这两条定律必须在任何情况下都保持成立。至于别的一些,我就准备牺牲我以前对物理定律所抱的任何一个信念。

1900年12月14日,普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题,正式提出了他的量子理论,古老的“自然界无跳跃”的观念受到一次猛烈的冲击。

人们迎来了物理学的又一个新时代——量子时代。

普朗克的量子理论,在发表后近十年内,人们一直只热衷于应用他的辐射公式,因为很管用,而对他的量子论则很少注意,也不怎么相信。这是不难理解的。越是革命性强的学说,越是难以被人们接受。但是更令人不安的是普朗克自己,他自己对量子论也没有十分的把握。海森伯(Werner Karl Heisenberg,1901—1976,1932年获得诺贝尔物理学奖)在一篇文章中曾经说:

后来,据说普朗克的儿子埃尔文曾说过,当他还是一个儿童的时候,有一次同他父亲一起穿过格吕内瓦尔德做长途散步,途中父亲谈到了他的新观念。普朗克对他儿子解释道:我现在所发现的那个新观念,要么荒诞无稽,要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一。▲普朗克(左)和儿子埃尔文一起爬山。埃尔文正在确定他们所在处的方位。

人们对待量子论的态度也许让普朗克更增加一些犹豫。虽说他“不惜任何代价”地提出了在当时最具思想革命的量子理论,但他本人是一个“勉强革命的角色”。他在自传中承认,开始他根本没有清楚地认识到自己的理论有多么了不起的意义,甚至认为自己的理论“纯粹是一个形式上的假设”,他也没有“对它想得很多,而只是想到要不惜任何代价得出一个积极的成果来”。可是后来进一步的研究使他犹豫、畏缩了。1909年,他曾告诫自己和别人,“在将作用量子h引入理论时,应当尽可能保守从事,这就是说,除非业已表明绝对必要,否则不要改变现有理论。”这以后,在1910年和1914年,普朗克在量子理论上又作过两次大的后退。直到1915年,玻尔提出的原子模型被人们接受以后,他才放弃了自己徒劳无益的后退行为。对于自己的后退行为,普朗克曾经作过自我评价,他说:

企图使基本作用量子与经典物理理论调和起来的这种徒劳无益的打算,我持续了很多年(直到1915年),它使我付出了巨大的精力。我的许多同事们认为这近乎是一个悲剧,但是我对此有不同的看法。因为我由此而获得的透彻的启示是更有价值的。我现在知道了这个基本作用量子在物理学中的地位远比我最初所想象的重要得多,并且,承认这一点使我清楚地看到,在处理原子问题时引入一套全新的分析方法和推理方法的必要性。

1918年,当量子理论在实际应用中获得许多成功之后,普朗克终于“因为发现基本作用量子(量子理论),从而对物理学的发展作出了巨大的贡献”,获得了诺贝尔物理学奖。战争让普朗克饱受痛苦

普朗克的一生本来应该是非常美满幸福的,但德国挑起的两次世界大战却给他带来了巨大的不幸,使他一生饱受儿女先他而去的痛苦折磨。第一次世界大战,他的大儿子卡尔在战场上牺牲;他的一对孪生女儿格蕾特和爱玛都在分娩时因为战争期间医疗条件不好,先后于1917年和1919年去世。爱玛刚去世后,爱因斯坦去看望普朗克,后来爱因斯坦在写给朋友的信中说:“普朗克的不幸让我心碎。当我看见他时,我无法止住泪水……他令人惊叹的勇敢而且刚直,但是可以看出,悲痛严重损害了他。”剩下唯一的二儿子埃尔文,成了他最后的安慰。但是在第二次世界大战即将结束时的1945年元月,埃尔文又因为涉嫌谋杀希特勒而被杀害。他曾经向希姆莱求情,并且好像非常有希望减轻处罚。但是在一天晚间没有任何告示的情况下,埃尔文被执行死刑!这几乎要了普朗克的命。不幸好像还没有完,在盟军轰炸柏林时,他的住所包括他所有珍贵的藏书,全部被毁掉。

一个接一个的打击,几乎彻底摧毁了普朗克。那时他已是80多岁的老人。他几乎完全失去了人生的乐趣,身体的病痛更使得他痛不欲生。当美国军队最后找到这位20世纪曾经叱咤风云的科学伟人时,他与他的妻子正躲在树林里。普朗克躺在草堆上,目光呆滞地盯着天空。

除了家庭给他带来永远愈合不了的伤痛以外,作为威廉皇帝学会主席的普朗克,在纳粹迫害犹太人科学家时(包括他的最好的朋友和同事爱因斯坦、哈伯、迈特纳),他内心的痛苦简直无法描述!

1933年1月30日希特勒上台。希特勒上台不到两个月,就中止了1920年以来实行的《魏玛宪法》,宣布反犹太人的法令,废除德国犹太人的公民权。魏玛共和国由此寿终正寝,独裁的第三帝国正式开始迫害犹太人、扩军备战等一系列反人民、反民主的政策。

3月2日,纳粹党报《民族观察者》猛烈抨击了爱因斯坦。幸运的是爱因斯坦和爱尔莎已经于两个多月以前离开了德国。哈伯(Fritz Haber,1868—1934,1918年获得诺贝尔化学奖)的命运最悲惨。这位功勋卓绝的犹太人和在第一次世界大战为德国军队作出巨大贡献的化学家,不仅没有受到任何关照,反而把他从物理化学研究所所长的位置上撤了下来。这对哈伯是致命的打击。1934年1月4日,哈伯在痛苦的流亡途中,因心脏病猝死于瑞士西部的巴塞尔。▲哈伯(左)和爱因斯坦合影。

大约在5月份,普朗克看见那么多优秀的犹太科学家受到迫害,在无奈的情形下,想向希特勒反映这一可怕的形势。他曾回忆过这件事:

希特勒夺取政权后,作为威廉皇帝学会主席,我有责任去见元首。我决定利用这次机会为我的同事哈伯说几句公道话。如果不是他发明从空气中提取氮以合成氨的过程,第一次世界大战一开始我们就会失败。希特勒一个字一个字地回答说:“我绝没有排斥犹太人的意思。但犹太人都是共产主义者;后者才是我的敌人,这才是我斗争的目的所在。”我讲,犹太人有好多种……也包括有良好德国文化的古老家族,必须区别对待。他答道:“不对,犹太人就是犹太人,所有的犹太人联合起来就有麻烦。哪里有一个犹太人,其他犹太人马上就会聚集到一起……”我讲,如果有才华的犹太人被迫移民,对我们意味着自己伤害自己,因为我们需要他们的科学和技术,再者他们会给别的国家带去好处。他不愿再说什么,最后他说:“传说我偶尔受到神经衰弱之苦,那是谣言。我的精神是钢浇铁铸成的。”说到这儿,他把身体俯到膝部,话越说越快,开始发脾气。我再没有什么可说的了,只有沉默,然后离开了。

再到后来,普朗克完全失望了,他说:“纳粹像一阵狂风横扫我们的国家。我们什么也干不了,只能像风中的大树那样听凭摆布。”

更让他为难的是如何对待爱因斯坦。爱因斯坦是最著名的犹太人科学家,而且他在美国越来越严厉地谴责纳粹政府。普朗克预感到大事不好,如果德国政府一旦采取严厉的措施对待爱因斯坦,普鲁士科学院将处于十分尴尬的地位。所以他于3月19日写了一封信给爱因斯坦:“……在这个困扰和艰难的时期,正是谣言风起之时,到处都传播着你的公开的和私下的政治声明,我知道以后十分痛心。你不该多讲话,我并不是要断定谁对谁错,我只是清楚地看到你的讲话,使得那些尊重和敬慕你的人更加难以保护你了。”

3月29日,纳粹政府的特派员向文化部下达命令,要对爱因斯坦反对第三帝国的言论进行全面调查,如果需要的话可以给予纪律处分。普朗克再也没有办法进行调解,他只好抓住机会赶快离开柏林,到西西里度假。如果留在柏林,他将无法不接受政府的决定。

幸好爱因斯坦在3月28日就主动向普鲁士科学院递交了辞呈。辞呈上写道:“鉴于德国目前的状况,我不得不放弃在普鲁士科学院的职务。19年来,科学院为我提供了无数机会,使我专心从事研究,而没有任何特别的义务。我知道我欠下的恩情太多,我也非常不愿意离开这个学术机构;同时,在我作为院士期间,与同事们建立了融洽和谐的关系。但是在目前的情况下,我对普鲁士政府的行为无法容忍。”

开始,科学院还装模作样地讨论了几次,他们既想保持科学院的公正,又想让政府接受他们的决定。沃尔瑟·能斯特(Walther Hermann Nernst,1864—1941,1920年获得诺贝尔化学奖)见形势对爱因斯坦不利,焦急地对另外一个院士说:“后人将会如何评论我们啊?肯定会认为我们是一群屈服于暴力下的懦夫!”

但是科学家们,包括普朗克,没有力量面对强大的、粗暴的纳粹政府。3月31日,普朗克从度假地写信给爱因斯坦:“对我来说,你(辞职)的做法是唯一可以保证你与科学院体面地断绝关系的办法,这可以使你的同事避免承受过多的悲痛。”

这是真心话,如果让他和同事们提出开除爱因斯坦的建议,那是多么可怕而折磨人的痛苦事啊!1933年5月11日,普朗克从度假地回到柏林,科学院又一次提起“爱因斯坦事件”。普朗克不能不表示一个态度。在一份声明中他写道:

爱因斯坦先生不仅是一位杰出的物理学家,而且是这样的一位物理学家:他发表在我们科学院的所有研究成果,使本世纪的物理学得到进一步深化和发展,其重大意义只有开普勒和牛顿才可以与之相比较。

我有责任说清这一点。否则,我们的后代会认为爱因斯坦的同事们还不会鉴赏他的研究成果的重要性。

由此我们可以看出,普朗克处于多么为难的地步。这些困难恐怕比1900年热辐射研究中面对的困难更让他进退失据!

1935年1月,在纪念哈伯逝世一周年的活动中,普朗克表现出的勇敢和不顾一切,让人对普朗克刮目相看。这次纪念会议的召开是普朗克的功劳。虽然纳粹党一再警告,禁止德国各大学和高等学校的教授们和德国化学学会会员们参加纪念这个犹太人的大会,但普朗克却勇敢地说:“我一定要组织和主持这次纪念会,除非警察把我抓走。”奥托·哈恩(Otto Hahn,1879—1968,1944年获得诺贝尔化学奖)在回忆录中写道:“普朗克使大家感到惊讶,他勇气十足地举行了这次纪念大会。”

1947年4月10日,89岁高龄的普朗克在哥廷根离开了这个给他既带来了荣誉又给他带来无限痛苦的世界。他去世后,就葬在德国哥廷根市的公墓里。

我国学者赵鑫珊先生曾经到德国哥廷根市的公墓拜谒过普朗克的墓地,结果让他大失所望。他后来在他的《大自然神庙》一书里写道:

2004年初秋,我头一回造访德国哥廷根城市公墓的普朗克坟。很遗憾,墓碑没有把普朗克常数刻上。在那里,我足足站了一刻钟。我多么想看到碑石上有这个神奇的符号h……

当代人类文明大厦不能没有这个常数作为支撑。

一些科学家的墓地,在他们的墓碑上大都刻有一些符号、图形,标明墓主一生最伟大的贡献。但是从赵鑫珊先生拍下来的照片看来,在普朗克的墓碑上除了Max Planck几个字还依稀可辨以外,居然没有刻上一个h,这的确让人很失望。我们知道,普朗克发现的普朗克常数h,是他一生最重大的贡献。h说明宇宙万物运动的一个基本限制,其重要意义怎么说都不过分。赵鑫珊先生甚至说:“今天,一切够格的东、西方哲学家最好都去普朗克墓前站一站,或当他们打开量子物理学教科书的时候,务必都要久久思索一下普朗克常数h的哲学意义。”▲普朗克的坟地,给人一种苍凉的感觉。

除此以外,普朗克的墓地给人一种孤独苍凉的感觉,与普朗克生前那么伟大的贡献和那么高的职位相比,实在不相称。透过孤独苍凉的墓地,我们也许会不由自主地想起普朗克那辉煌而又不幸的一生;而辛弃疾那千古诗篇不由涌上心头:“千古兴亡多少事?悠悠,不尽长江滚滚流!”向前推进:爱因斯坦得不到理解

在上一章里,我们提到过,普朗克在一次散步时曾对他儿子谈及他对自己的发现的看法:“我现在所发现的那个新观念,要么荒诞无稽,要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一。”但是,普朗克在1900年提出量子论的时候,他只承认电磁现象的不连续性发生在发射和吸收的过程中,至于电磁波在空间的传播则仍然是连续的。这种认识在今天看来,当然是极不彻底的,可是在当时普朗克还嫌自己的提法过分偏离经典物理学。正当普朗克彷徨不前甚至打算后退的时候,爱因斯坦却很快把普朗克的量子论“冒失地”、尽情发挥地向前大大推进了一步。

有趣的是,当爱因斯坦大力推进普朗克的这个“也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一”的量子论时,他居然害怕得不得了!不断告诫自己和别人:“在将作用量子h引入理论时,应当尽可能保守从事,这就是说,除非业已表明绝对必要,否则不要改变现有理论。”而且多次批评爱因斯坦,认为爱因斯坦“在其思辨中有时可能走得太远了”,并一再告诫物理学家们应以“最谨慎的态度”对待爱因斯坦的光量子说。

这位量子论的创建者到底怎么啦?伯尔尼专利局的技术员

1900年7月爱因斯坦从苏黎世联邦技术学院毕业。但是毕业后两年的时间里一直找不到工作,这让他十分沮丧,饱受精神折磨。一直到1902年6月,他的厄运才终于结束。在大学最好的同学格罗斯曼(Marcel Grossmann,1878—1936)的父亲的帮助下,爱因斯坦才有机会到伯尔尼专利局应聘。19日,瑞士司法部通知爱因斯坦,联邦委员会于6月16日会议上“已经遴选您临时为联邦专利局三级技术专家,年俸3500法郎”。同日,瑞士专利局也通知爱因斯坦被临时录用,并告知他至迟于7月1日到任,当然“可以提前上任”。爱因斯坦得知这一消息,其高兴和激动是完全可以想象的。他哪儿有耐心等到7月1日,在6月23日(星期一)就急不可耐地提前一周多正式上了班。从此,爱因斯坦有了宁静的生活环境,可以保证他无忧无虑地去思考、追寻科学基础中的一些原理。▲爱因斯坦与他的大学同学和终生的密友格罗斯曼。

在专利局工作的7年多时间里,爱因斯坦总共写了30篇科学论文,创立了狭义相对论,提出了光量子假说,用布朗运动证实了原子的存在,开始构思引力理论,为广义相对论奠定了基础,还结了婚,生了孩子。这一切的获得,爱因斯坦自己认为和专利局的工作有必然联系。他在《自述片断》中深情地回忆了他的这段经历:

在(伯尔尼)我的最富于创造性活动的1902—1909这几年当中,我就不用为生活而操心了。即使完全不提这一点,明确规定技术专利权的工作,对我来说也是一种真正的幸福。它迫使你从事多方面的思考,它对物理的思索也有重大的激励作用。总之,对于我这样的人,一种实际工作的职业就是一种绝大的幸福。因为学院生活会把一个年轻人置于这样一种被动的地位:不得不去写大量科学论文——结果是趋向于浅薄,只有那些具有坚强意志的人才能顶得住。

他还在很多场合和不同的时期,反复讲到专利局的工作对他很有好处。1902年9月初,他在专利局上班还只3个月,他写信给阿劳中学的老同学沃尔文德(H. Wohlwend,1878—1962)说:“我非常喜欢专利局的工作,因为专利局的工作与其他工作很不相同,它需要不停地思考。”1919年12月12日,爱因斯坦在写给好友贝索(Michele Besso,1873—1955)的信中说:“你计划重返专利局一事,我极为关怀,在那人间寺庙里,我曾悟出我最美妙的思想,在那里我们曾一起度过那样美好的时光。”

正是在这座“人间寺庙”里,爱因斯坦走上了创造之路、成功之路和辉煌之路,并且出现了1905年爱因斯坦奇迹年。

1905年5月底,爱因斯坦写信给好友哈比希特(Conard Habicht,1876—1958)时谈到了他在1905年春天的四篇文章。他写道:

我可以答应回敬你四篇文章。其中第一篇马上就可以寄给你,因为我刚收到一些抽印本。它讲的是辐射和光的能量特征,是非常革命的,……第二项研究是由中性物质的稀溶液的扩散和内摩擦来测定原子的实际大小。第三项证明以归纳的分子理论为前提,在大小为1/1000毫米的粒子悬浮在液体中时,必定出现一种由热运动所产生的可知觉的不规则运动。无生命的小悬浮粒子的运动,事实上已经为生理学家检验出来,他们把这种运动叫做“布朗运动”。第四项研究还只是一个概念:把空间和时间理论的一种修改用于动体的电动力学,这项工作的纯运动学部分无疑会使你感兴趣。

在科学史上还从来没有一个人在短短的三个半月(3月17日—6月30日)的时间里,如此深刻而全面地改写了物理学的基础概念,为20世纪的现代物理学奠定了新的基础。伯尔尼专利局的三等技术专家,创造了人类文明史上最令人惊讶的奇迹。3月份的论文“非常革命”,使他成为量子理论的三大教父之一,16年后他因此获得了诺贝尔物理学奖;4月份的论文是他的博士论文,使他成了苏黎世大学的博士;5月份的论文使他成了统计力学的创始人之一,而且由此设计的实验使得原子分子假说被第一次用实验证实,原子假说从此不再有人反对;6月底的论文使他创建了彻底改变人类时空观的狭义相对论。这正是:

      天使飞翔在夜半的天空中,

      他唱出悠扬的歌声;

      明月、繁星和那朵朵的乌云,

      倾听他神圣的声音。

我们下面就开始“倾听他神圣的声音”中的一种——关于普朗克作用量子的乐章吧。一个启发性观点

1905年3月,在发表狭义相对论论文之前,爱因斯坦在德国《物理学年鉴》第17卷上发表了一篇石破天惊之作《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。在这篇论文里,爱因斯坦认为,光不仅仅在发射和吸收时按ε=hν不连续地进行,即使在空间传播时,光也是像粒子一样不连续的。他指出:麦克斯韦的波动理论仅仅对时间的平均值有效,而对瞬时的“涨落”现象,则必须用粒子观点处理。

爱因斯坦特别强调,如果采用了光的粒子观点,那么许多用光的波动说无法解释的实验现象,如光电效应、光致发光等,就可以得到完满的解释。这儿我们稍微介绍一下“光电效应”。

光电效应是赫兹在1887年研究电磁波的性质时首先发现的,但是他对这一偶然的发现没有作出任何解释,只是作了忠实的记录。这一发现立即引起了许多人的注意,研究者也很多。从实验上研究得最有成果的要算赫兹的助手菲利普·勒纳(Philipp Lenard,1862—1947,1905年获得诺贝尔物理学奖)。

光电效应是当光撞击到金属表面时,金属表面的电子受到光的激发而获得动能,如果这动能足够大,电子就可以“逃离”金属表面,逸入空中,这种电子称为“光电子”;如果再加一个电场,逃出的电子即可形成“光电(子)流”。勒纳从1899—1902年由精巧实验得出以下规律:(1)在单位时间内,金属受光照射后释放出的电子数和入射光的强度成正比:即光越强,金属板释放的电子数越多;但每个光电子的动能与光强无关。(2)每种金属都有一个最低的频率ν——这个频率称为“红0限”频率(red limit frequency),照射光频率如果小于ν,那么,不0管照射光的强度多大,都不会出现光电效应。(3)用光照射阴极金属板时,不论光强度的大小,几乎瞬时就会产生光电流,不存在任何一个可观测的“滞后时间”。

以上三个由实验得出的规律,如果用光的波动说就无法解释。按照光的波动说,光电子的动能应决定于光的强度(即光波的振幅),但实验结果告诉我们,光电子的动能与光强无关,只与入射光频率成正比关系;按波动说,只要光强足够供应电子释放出来的能量,任何频率的光都应该引起光电效应,但实验告诉我们,低于ν,无论光多0么强都不会发生光电效应;最后,按光的波动说,金属中的电子从入射光中吸收能量,必须积累到一定的数值,才能“挣脱”金属表面原子的控制飞出来,而且十分明显的是,光越弱积累能量所需的时间就越长,但实验却显然表明,不论光多么弱,只要大于ν,光电子几乎0是立即就飞出来了,不需要“滞后时间”。

勒纳是当时研究光电效应的权威,他提出了一种“触发假说”,希望在光的波动理论框架内,解决这一困难,但不成功。爱因斯坦则大出人们的意料,假定光是由不连续的“光量子”组成,光量子的能量E=nε=nhν(n=1,2,3…),其中h为普朗克常数,n为自然数。波动的振幅(即光强),决定于光量子的数目;不过,这数目只是一种统计上的平均值。爱因斯坦在论文中写道:

在我看来,如果假定光的能量不连续地分布于空间的话,那么,我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其他涉及光的发射与转换时的各种观测结果。根据这种假设,从一点发出的光线传播时,在不断扩大的空间范围内,能量是不连续分布的,是由一个数目有限的、局限于空间的能量量子所组成,它们在运动中并不瓦解,并且只能整个地被吸收或发射。

后来,“光量子”在1926年被美国物理学家刘易斯(G. N. Lewis)定名为“光子”(photon),这个名称沿用至今。

爱因斯坦的“启发性观点”,就是试图通过“光量子假说”断言电磁场具有量子性质,并且把这种性质推广到光和物质之间的相互作用上,即物质和辐射只能通过交换“光量子”而相互作用。这在当时的确是具有“非常革命性”的一步。对此,《爱因斯坦全集》主编、美国爱因斯坦研究中心的物理学史家斯塔赫尔(John Stachel)说:

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书


相关推荐

最新文章


© 2020 txtepub下载