第五十九回：晴空裡飄來一朵烏雲，死水上吹起一陣清風

——量子論的產生上回說到盧瑟福和他的助手們造出原子搗碎機，一步步地向原子內部進軍。這盧瑟福是個偉大的實驗物理學家，在他的面前沒有解決不了的難題。他特別強調實驗，他喜歡引用波義耳的一句話：真正的科學就是旨在應用的知識。他還嘲笑一些人整天坐在書齋裡，只憑書本上的現成公式來研究科學，說這是一種危險的消遣。有一次甚至說那些理論物理學家們的氣焰未免太高了，現在是我們實驗物理學家該讓他們冷靜的時候了。他這些話也未免有點偏頗。其實一門科學的進步，理論和實驗是不可缺少的左右腿，它們總是一前一後交替前進，哪能再分高低呢？而盧瑟福在原子實驗方面積累了許多事實之後，他萬沒有想到現在真的需要那些會被他挖苦過的理論物理學家們來幫忙了。

這事還得從頭說起。到十九世紀末葉之時，經典物理學大廈經過了從牛頓到麥克斯韋這些大師們的精心設計和建造，真可謂盡善盡美了。大自然中的物理現象也都能用經典理論解釋得清清楚楚。可是好景不長，也真怪物理學家們無事生非，不知誰先想出了一個題目，要是一塊全黑的物體，它是怎樣吸收外來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，它開始吸收熱能，鐵塊會先呈暗紅，而黃而白，發出耀眼的光線。這就叫“黑體輻射”。按經典理論，熱的輻射和吸收是一個完全連續的過程，就像管子裡流出來的一股水，光和輻射是一種電磁波。這條連續性原理是經典物理學的一塊基石。可是那些無事生非的物理學家們終於給自己找來了麻煩，他們用這種理論來解釋黑體輻射，無論如何也不能使輻射能量和輻射光譜統一起來。所以，當時代步入20世紀第一個年頭時，物理學界的老前輩開爾文在新年祝辭中一面慶賀物理學的新勝利，一面又憂心地提到，天空又出現了兩朵烏雲，這便是其中之一。

既然輻射能量隨溫度的升高而增加，於是問題的焦點就是求出能量、溫度與波長之間的關係式。英國物理學家瑞利和金斯得到一個公式，它在解釋波長較長、溫度較高時的黑體輻射現象時還能說得通，但是要把它用於短波的紫外光區，立即出現一個可怕的現象——全部能量老早就在一次性的紫外輻射中散光了。正像我們計算一個十歲孩童的年齡時，誤把一月當作一年，結果他早該不在人世了。這當然是一個純理論的推斷，但卻得出一個可怕的結果。物理學家們立即給它起了一個不祥的名字，叫“紫外災變”。而同時，有一個德國人維恩也推出一個公式。維恩公式正好相反，它適用於波長較短、溫度較低的情況，而對長波的紅外區卻又是一場“紅外災變”。又好像我們計算一個古稀老人的年齡時，卻誤以一世紀為一歲，結果他還沒有出生呢。但是這兩個公式依據的都是經典物理學的同一原理啊，何以如此水火不容呢？

各位讀者，說到這裡讓我們回想一下本書前面曾敘述過的一個實驗。按照亞里斯多德的說法，物體下落時肯定是重物比輕物的速度快。伽利略不信，1590年他站在斜塔上把一個大球和一個小球同時往下一丟，結果同時落地。他在同守舊分子的辯論中用了一個很好的推理：如果把兩個球綁在一起，下落速度可能有兩個，一是比大球快，因為兩球比一球重；二是兩球的平均速度，小球慢，當然要扯大球的後腿。顯然這兩個結論是矛盾的，但是它們都是根據同一個亞里斯多德的原理啊！於是伽利略大膽地喊了一聲：亞里斯多德錯了！只有我的實驗才是對的。

現在經典物理學也遇到這個問題，根據同一原理怎麼在一個黑體輻射問題上得出了兩個相矛盾的結論呢？物理學家們驚呼晴朗的天空出現了一朵烏雲(請讀者注意以後還會出現一朵)。現在也該有一個不知名的新人物出來，如伽利略那樣大喊一聲：經典理論錯了！並且拿出自己正確的解釋。

真是時勢造英雄。這個人來了，他就是普朗克(1858－1947)。

普朗克1858年4月23日生於德國的基爾。就在這一年本生和基爾霍夫開始研究光譜分析法，而基爾霍夫也沒有想到這個呱呱隨地的嬰兒將來就要做他的學生和繼承他的教授席位。普朗克少年時代極喜歡音樂，以至於中學畢業後，選擇專業時，在音樂和自然科學間猶豫再三，就是到了大學裡他還在留戀音樂，並且親自領導了一個樂隊，又是學院合唱團的指揮。這時，在他通向榮譽的大路上又遇到一次小小的干擾，老師堅決反對他專攻理論物理。1924年普朗克在講演中回憶說：“當我開始研究時，我可敬的老師約裡對我描繪物理學是一門高度發展的，幾乎是盡善盡美的科學。現在，在能量守恆定律的發現給物理學戴上桂冠之後，這門科學看來很接近於採取最終穩定的形式。也許，在某個角落還有一枚塵屑或一個小氣泡，對它們可以去進行研究和分類。但是，作為一個完整的體系，那是建立得足夠牢固的；而理論物理學正在明顯地接近於如幾何學在數百年中所已具有的那樣完善的程度。”

幸虧中學和大學的這兩次干擾都沒有動搖普朗克最終的決心。他21歲時通過了博士論文，他關於熱力學方面的研究已開始孕育他將來的新思想。可惜他關於這方面的論文先是被基爾霍夫當作錯誤觀點放在一邊，後來他又在物理學會宣讀，但全場除一人發言外，其餘的人毫無反應，而這一人還是表示反對。關於這件事，他在自己的回憶錄裡寫道：“這是對我那熱烈的想像澆了一瓢冷水，我步行回家，抑鬱寡歡，但很快就找到了安慰，因為我想：一種好的理論即使沒有巧妙的宣傳也將會得到承認的。”

普朗克環顧周圍無一知音，真是愁悶之極。柏林西郊的格呂內瓦爾德有一片30多平方公里的松林，裡面湖泊星羅棋佈，煞是安靜。普朗克便帶上十幾歲的兒子到這裡散心。兒子當然更不懂他這高深的理論，但是他還是滔滔不絕地說著自己的想法，並扯下一根松枝，狠狠地一折兩截，大聲說道：“我現在發現的那個東西，要麼荒誕無稽，要麼也許是牛頓以來物理學上最偉大的發現之一。”但是，除了微風搖動樹葉掠過湖面之外，松林間再無一點聲音。那些粗大的松樹矗立著，俯視著這個奇怪的不速之客。普朗克腿一軟，頹然靠在樹根，呆呆地看看湖面上由近而遠的一層層的波紋。

正是：

不到清明不下雨，不遇春風不吐芽，

時機未到且等待，有苞必定會有花。

這機會終於叫他等到啦。1900年10月19日，柏林物理學會又在舉行討論會。物理學家庫爾鮑姆在會上報告了他最近的實驗，資料表明雖克服了“紫外災變”，但仍與維恩公式不符，又是那道不可逾越的難題。誰知這時普朗克恰巧在座，他前幾天就知道了這個實驗，這種尷尬局面本是意料之中的事。這真是天賜良機，普朗克立即上前在黑板上寫出一個自己推出的公式。這個式子無論對長波、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一到一起。於是滿座大驚，雖然還沒有一個人能完全弄清楚這個新公式，但是在事實面前卻再無人能提出反對意見。會後普朗克的一篇只有三頁的短文在物理學會通報上發表了，它成了物理學史上的一塊里程碑。

物理學會再也不能輕視普朗克的挑戰了，兩個月後，1900年12月14日他們在國會大廈附近的赫爾霍姆茨研究所召開會議，特請普朗克介紹這項新發現。請讀者記住這個日子，這天便是量子論的誕生日，它奠定了45年後原子武器的原理。普朗克早就如骨鯁在喉，今天終於能說他個痛快淋漓：“一言以蔽之，我做的這件事，可以簡單地看作是孤注一擲。我生性平和，不願進行任何吉凶末卜的冒險。但是我經過六年的艱苦摸索，終於明白，經典物理學對這個黑體輻射問題是絲毫沒有辦法的。舊的理論既然無能為力，那麼就一定要尋找一個新的解釋，不管代價多高也一定要把它找到。除了熱力學的兩條定律必須維持外，至於別的，我準備犧牲我以前對物理所抱的任何一個信念。問題往往是這樣，到實在不能解決時，拋棄舊框子，引入新概念，就立即迎刃而解了。”

普朗克引入了一個什麼新概念呢？就是說輻射的能量不是連續的，如管子裡流的水那樣，而是成一小份一小份的，像機關槍裡不斷射出的子彈。這一份一份就取名為“量子”，量子在拉丁文裡是“分立的部分”或“數量”的意思。把一個整體的連續的能量換個角度看作是無數量子的集合，問題就好解決了。這樣還不好懂，我們舉一個相似的例子，這本書中曾寫到祖沖之求圓周率的故事。圓，這個光溜溜的傢伙真不好下手，但是祖沖之偏不把它看成是連續的、完整的圓，而認為是一個圓內接的無限多的正多邊形，邊越多，就越趨近於圓，而那個圓周率也越求越精，但總求不完：

π=3.1415926535897932384626...

普朗克現在把能量分成許多能量子，這些能量子相加就趨近於它的總能量。能量子又與它的頻率有關，他得出這樣一個公式：