晴空里飄來(lái)一朵烏云 死水上吹起一陣清風(fēng)

梁衡

上回說(shuō)到盧瑟福和他的助手們?cè)斐鲈訐v碎機(jī)，一步步地向原子內(nèi)部進(jìn)軍。盧瑟福是個(gè)偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，在他的面前沒(méi)有解決不了的難題。他特別強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)，他喜歡引用波義耳的一句話：真正的科學(xué)就是旨在應(yīng)用的知識(shí)。他還嘲笑一些人整天坐在書齋里，只憑書本上的現(xiàn)成公式來(lái)研究科學(xué)，說(shuō)這是一種危險(xiǎn)的消遣。有一次甚至說(shuō)那些理論物理學(xué)家們的氣焰未免太高了，現(xiàn)在是我們實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家該讓他們冷靜的時(shí)候了。他這些話未免有點(diǎn)偏頗。其實(shí)一門科學(xué)的進(jìn)步，理論和實(shí)驗(yàn)是不可缺少的左右腿，它們總是一前一后交替前進(jìn)，哪能再分高低呢？而盧瑟福在原子實(shí)驗(yàn)方面積累了許多事實(shí)之后，他萬(wàn)沒(méi)有想到現(xiàn)在真的需要那些會(huì)被他挖苦過(guò)的理論物理學(xué)家們來(lái)幫忙了。

這事還得從頭說(shuō)起。到十九世紀(jì)末葉之時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)大廈經(jīng)過(guò)了從牛頓到麥克斯韋這些大師們的精心設(shè)計(jì)和建造，真可謂盡善盡美了。大自然中的物理現(xiàn)象也都能用經(jīng)典理論解釋得清清楚楚?？墒呛镁安婚L(zhǎng)，也真怪物理學(xué)家們無(wú)事生非，不知誰(shuí)先想出了一個(gè)題目，要是一塊全黑的物體，它是怎樣吸收外來(lái)的熱量又怎樣放出熱量呢？比如一塊鐵吧，我們可以把它看成近似的黑體，給它加熱，它開(kāi)始吸收熱能，鐵塊會(huì)先呈暗紅，而黃而白，發(fā)出耀眼的光線。這就叫“黑體輻射”。按經(jīng)典理論，熱的輻射和吸收是一個(gè)完全連續(xù)的過(guò)程，就像管子里流出來(lái)的一股水，光和輻射是一種電磁波。這條連續(xù)性原理是經(jīng)典物理學(xué)的一塊基石?？墒悄切o(wú)事生非的物理學(xué)家們終于給自己找來(lái)了麻煩，他們用這種理論來(lái)解釋黑體輻射，無(wú)論如何也不能使輻射能量和輻射光譜統(tǒng)一起來(lái)。所以，當(dāng)時(shí)代步入20世紀(jì)第一個(gè)年頭時(shí)，物理學(xué)界的老前輩達(dá)爾文在新年祝詞中一面慶賀物理學(xué)的新勝利，一面又憂心地提到，天空又出現(xiàn)了兩朵烏云，這便是其中之一。

既然輻射能量隨溫度的升高而增加，于是問(wèn)題的焦點(diǎn)就是求出能量、溫度與波長(zhǎng)之間的關(guān)系式。英國(guó)物理學(xué)家瑞利和金斯得到一個(gè)公式，它在解釋波長(zhǎng)較長(zhǎng)、溫度較高時(shí)的黑體輻射現(xiàn)象時(shí)還能說(shuō)得通，但是要把它用于短波的紫外光區(qū)，立即出現(xiàn)一個(gè)可怕的現(xiàn)象——全部能量老早就在一次性的紫外輻射中散光了。正像我們計(jì)算一個(gè)10歲孩童的年齡時(shí)，誤把一月當(dāng)作一年，結(jié)果他早該不在人世了。這當(dāng)然是一個(gè)純理論的推斷，但卻得出了可怕的結(jié)果。物理學(xué)家們立即給它起了一個(gè)不祥的名字，叫“紫外災(zāi)變”。而同時(shí)，有一個(gè)德國(guó)人維恩也推出一個(gè)公式。維恩公式正好相反，它適用于波長(zhǎng)較短、溫度較低的情況，而對(duì)長(zhǎng)波的紅外區(qū)卻又是一場(chǎng)“紅外災(zāi)變”。又好像我們計(jì)算一個(gè)古稀老人的年齡時(shí)，卻誤以一世紀(jì)為一歲，結(jié)果他還沒(méi)有出生呢。但是這兩個(gè)公式依據(jù)的都是經(jīng)典物理學(xué)的同一原理啊，何以如此水火不容呢？

物理學(xué)家們驚呼晴朗的天空出現(xiàn)了一朵烏云（請(qǐng)讀者注意以后還會(huì)出現(xiàn)一朵）?，F(xiàn)在也該有一個(gè)不知名的新人物出來(lái)，如伽利略那樣大喊一聲：經(jīng)典理論錯(cuò)了！并且拿出自己正確的解釋。

真是時(shí)勢(shì)造英雄。這個(gè)人來(lái)了，他就是普朗克（1858～1947年）。普朗克1858年4月23日生于德國(guó)的基爾。就在這一年本生和基爾霍夫開(kāi)始研究光譜分析法，而基爾霍夫也沒(méi)有想到這個(gè)呱呱墜地的嬰兒將來(lái)就要做他的學(xué)生和繼承他的教授席位。普朗克少年時(shí)代極喜歡音樂(lè)，以至于中學(xué)畢業(yè)后，選擇專業(yè)時(shí)，在音樂(lè)和自然科學(xué)間猶豫再三，就是到了大學(xué)里他還在留戀音樂(lè)，并且親自領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)樂(lè)隊(duì)，又是學(xué)院合唱團(tuán)的指揮。這時(shí)，在他通向榮譽(yù)的大路上又遇到一次小小的干擾，老師堅(jiān)決反對(duì)他專攻理論物理，認(rèn)為理論物理學(xué)已趨于完善。

幸虧中學(xué)和大學(xué)的這兩次干擾都沒(méi)有動(dòng)搖普朗克最終的決心。他21歲時(shí)通過(guò)了博士論文，他關(guān)于熱力學(xué)方面的研究已開(kāi)始孕育他將來(lái)的新思想?？上P(guān)于這方面的論文先是被基爾霍夫當(dāng)作錯(cuò)誤觀點(diǎn)放在一邊，后來(lái)他又在物理學(xué)會(huì)宣讀，但全場(chǎng)除一人發(fā)言外，其余的人毫無(wú)反應(yīng)，而這一人還是表示反對(duì)。關(guān)于這件事，他在自己的回憶錄里寫道：“這是對(duì)我那熱烈的想象澆了一瓢冷水，我步行回家，郁郁寡歡，但很快就找到了安慰，因?yàn)槲蚁耄阂环N好的理論即使沒(méi)有巧妙的宣傳也將會(huì)得到承認(rèn)的。”

普朗克環(huán)顧周圍無(wú)一知音，真是愁悶之極。柏林西郊的格呂內(nèi)瓦爾德有一片30多平方公里的松林，里面湖泊星羅棋布，煞是安靜。普朗克便帶上十幾歲的兒子到這里散心。兒子當(dāng)然更不懂他這高深的理論，但是他還是滔滔不絕地說(shuō)著自己的想法，并扯下一根松枝，狠狠地一折兩截，大聲說(shuō)道：“我現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的那個(gè)東西，要么荒誕無(wú)稽，要么也許是牛頓以來(lái)物理學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。”但是，除了微風(fēng)搖動(dòng)樹葉掠過(guò)湖面之外，松林間再無(wú)一點(diǎn)聲音。那些粗大的松樹矗立著，俯視著這個(gè)奇怪的不速之客。普朗克腿一軟，頹然靠在樹根，呆呆地看著湖面上由近而遠(yuǎn)的一層層的波紋。

正是：不到清明不下雨，不遇春風(fēng)不吐芽。時(shí)機(jī)未到且等待，有苞必定會(huì)有花。

這機(jī)會(huì)終于叫他等到啦。1900年10月19日，柏林物理學(xué)會(huì)又在舉行討論會(huì)。物理學(xué)家?guī)鞝桋U姆在會(huì)上報(bào)告了他最近的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明雖克服了“紫外災(zāi)變”，但仍與維恩公式不符，又是那道不可逾越的難題。誰(shuí)知這時(shí)普朗克恰巧在座，他前幾天就知道了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這種尷尬局面本是意料之中的事。這真是天賜良機(jī)，普朗克立即上前在黑板上寫出一個(gè)自己推出的公式。這個(gè)式子無(wú)論對(duì)長(zhǎng)波、短波、高溫、低溫都驚人地適用，瑞利-金斯公式和維恩公式被和諧地統(tǒng)一到一起。于是滿座大驚，雖然還沒(méi)有一個(gè)人能完全弄清楚這個(gè)新公式，但是在事實(shí)面前卻再無(wú)人能提出反對(duì)意見(jiàn)。會(huì)后普朗克的一篇只有三頁(yè)的短篇論文在物理學(xué)會(huì)通報(bào)上發(fā)表了，它成了物理學(xué)史上的一塊里程碑。

物理學(xué)會(huì)再也不能輕視普朗克的挑戰(zhàn)了，兩個(gè)月后，1900年12月14日他們?cè)趪?guó)會(huì)大廈附近的赫爾霍姆茨研究所召開(kāi)會(huì)議，特請(qǐng)普朗克介紹這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)。請(qǐng)讀者記住這個(gè)日子，這天便是量子論的誕生日，它奠定了45年后原子武器的原理。普朗克早就如骨鯁在喉，今天終于能說(shuō)個(gè)痛快淋漓：“一言以蔽之，我做的這件事，可以簡(jiǎn)單地看作是孤注一擲。我生性平和，不愿進(jìn)行任何吉兇未卜的冒險(xiǎn)。但是我經(jīng)過(guò)六年的艱苦摸索，終于明白，經(jīng)典物理學(xué)對(duì)這個(gè)黑體輻射問(wèn)題是絲毫沒(méi)有辦法的。舊的理論既然無(wú)能為力，那么就一定要尋找一個(gè)新的解釋，不管代價(jià)多高也一定要把它找到。除了熱力學(xué)的兩條定律必須維持外，至于別的，我準(zhǔn)備犧牲我以前對(duì)物理所抱的任何一個(gè)信念。問(wèn)題往往是這樣，到實(shí)在不能解決時(shí)，拋棄舊框子，引入新概念，就立即迎刃而解了。”