장3 2장 먹구름

하나 1900년 4월 27일, 런던의 날씨는 아직 쌀쌀했다.길가 커피숍에서는 사람들이 당시 파리에서 열린 만국박람회에 대해 열광적으로 수다를 떨고 있었다.거리의 뉴스보이들은 중국 의화단 운동의 최근 전개 상황과 베이징 주재 대사관 직원들의 지위를 논의하는 신문을 팔고 있었습니다.한 신사가 정중하게 부인을 마차에 태우고 푸치니의 오페라 "라 보엠"을 들으러 달려갔습니다.두 할머니는 마차를 부러워하며 숙녀 모자의 스타일에 감탄했지만 곧 새로운 주제를 발견하고 Earl Russell의 이혼 사건에 대해 논평하기 시작했습니다.새로운 세기가 도래해도 이 도시의 오래되고 전통적인 삶의 방식을 바꿀 수는 없는 것 같습니다.

대조적으로 Albemarle Street의 Royal Institution에서의 프레젠테이션은 거의 주목을 받지 못했습니다.런던의 상류 사회는 과학에 대한 열정을 Humphrey에 두었던 것 같습니다.Humphry Davy 경은 그것에 너무 많은 것을 부어서 앞으로 수십 년 동안 매우 무관심했습니다.그래도 과학계에는 큰 문제입니다.유럽의 유명한 과학자들이 고집불통으로 유명했던 존경하는 노인 켈빈 경의 연설을 듣기 위해 이곳을 찾았다. Kelvin의 강의 제목은 "열과 빛의 동적 이론에 대한 19세기 먹구름"이었습니다.당시 이미 76세였던 백발의 남자는 특유의 아일랜드 억양으로 연설을 시작했습니다. 그의 첫 문장은 다음과 같습니다.

운동 이론은 열과 빛이 모두 운동 모드라고 주장합니다.열과 빛이 운동의 방식이라고 주장하는 역학 이론의 아름다움과 명확성은 현재 두 개의 구름에 가려져 있습니다.) 이 먹구름 은유는 이후 너무 유명해져서 물리학의 역사에 관한 거의 모든 책에서 계속해서 인용되어 정형화된 진술이 되었습니다.당시 물리학의 통일에 대한 사람들의 낙관주의와 연결되어 이 표현은 여러 번 물리학의 맑은 하늘에 떠 있는 두 개의 작은 먹구름으로 바뀌었습니다.이 두 가지 유명한 먹구름은 각각 빛 에테르와 맥스웰︱볼츠만 에너지 등분할 이론에서 고전 물리학이 직면한 어려움을 나타냅니다.더 구체적으로 말하면 마이컬슨-몰리 실험과 흑체 복사에 대한 연구에서 사람들의 곤경을 가리킨다.

Michelson︱Morley 실험의 목적은 지구에 대한 빛 에테르의 표류 속도를 감지하는 것입니다.당시 사람들의 마음속에 에테르는 절대적으로 정적인 준거틀을 나타냈고, 우주에서 에테르를 통한 지구의 움직임은 마치 강한 에테르 바람을 얼굴에 불면서 고속으로 여행하는 배와 같았습니다.마이컬슨은 1881년에 이 상대 속도를 측정하기 위해 실험을 했지만 결과는 그다지 만족스럽지 못했습니다.그래서 그는 또 다른 물리학자인 모리와 협력하여 1886년에 두 번째 실험을 준비했습니다.이것은 당시 물리학 역사상 가장 정교한 실험이었을 것입니다. 그들은 최신 간섭계를 사용했고 시스템의 감도와 안정성을 향상시키기 위해 큰 석판을 구해 내부에 넣기까지 했습니다. 수은 탱크 이러한 방식으로 간섭 요인이 최소화됩니다.

그러나 실험 결과는 충격과 실망을 안겨주었다. 두 개의 빛줄기가 전혀 시차를 보이지 않았다.Aether는 그것을 통과하는 빛에 아무런 영향을 미치지 않는 것 같습니다.마이컬슨과 몰리는 마지못해 4일 연속 관찰했고, 지구가 태양 주위를 공전하는 사계절에 따른 에테르 바람의 차이를 알아보기 위해 1년 동안 계속해서 관찰하고 싶었고, 그림도 마지못해 취소했다. Michelson/Morley 실험은 물리학 역사상 가장 유명한 실패한 실험입니다.그것은 당시 물리학계에 센세이션을 일으켰는데, 이는 절대운동을 대표하는 에테르 개념이 고전물리학과 고전시공간이론의 근간이 되었기 때문이다.그리고 고전 물리학의 구축을 지원하는 이 빔은 실험 결과에 의해 무자비하게 부정되며, 이는 즉시 전체 물리적 세계의 붕괴를 의미합니다.그러나 당시 사람들이 아무리 비관적이라 해도 이제 막 대승을 거두고 영광스러운 정점에 도달한 고전물리학이 설명할 수 없이 무너질 것이라고는 생각하지 않았기 때문에 사람들은 여전히 ​​많은 절충안을 제시했다. George FitzGerald)와 네덜란드의 물리학자 Hendrik Antoon Lorentz는 물체의 길이가 운동 방향으로 줄어들어 에테르의 상대 운동 속도를 측정할 수 없다는 가설을 독립적으로 제시했습니다.이러한 가설은 에테르의 개념이 계속해서 보존되도록 허용했지만, 이론적인 의미만을 갖는 가상의 물리량이 얼마나 필요한지 상상하기 어렵기 때문에 에테르의 의미에 대해 강한 의문을 제기했습니다.켈빈의 첫 번째 암운은 이런 의미에서 제안되었지만, 그는 길이 수축의 가설이 어쨌든 사람들을 숲에서 나오게 했다고 믿었고, 에테르와 물질을 더 잘 만들기 위해 기존 이론을 수정하기만 하면 된다고 믿었습니다. 일관성이 있습니다.

두 번째 암운은 흑체 복사 실험과 이론 사이의 불일치를 의미합니다.그것은 우리의 이야기에서 매우 중요한 역할을 할 것이므로 이후 장에서 주의 깊게 논의할 것입니다.Kelvin의 연설 당시에는 여전히 문제에 대한 해결책의 징후가 없었습니다.그러나 이에 대한 켈빈의 태도 또한 낙관적인데, 그 자신이 볼츠만의 에너지 균등분포 이론을 믿지 않기 때문입니다. 당시 분자운동이 참으로 논란이 되어서 이 희귀한 천재는 우울하고 정신적인 문제를 가지고 있었습니다. 과학사의 비극). 연로한 Kelvin이 연단에 서자 청중은 그의 연설에 뜨거운 박수를 보냈습니다.그러나 당시 그들 중 누구도(Kelvin 자신을 포함하여) 이 두 개의 작은 먹구름이 물리학에 어떤 의미가 있는지 이해하지 못했을 것입니다.그들은 이 눈에 띄지 않는 두 먹구름이 곧 전 세계에 전례 없는 폭풍, 번개, 천둥을 불러오고 끔찍한 화재와 홍수를 일으켜 현재의 번영과 아름다움을 완전히 파괴할 것이라고 결코 상상할 수 없습니다.그들은 또한 이 두 먹구름이 곧 그들을 호화롭고 안락한 이론궁에서 몰아내고 가시와 덫이 가득한 광야로 추방하여 20년 동안 방황하는 삶을 살게 될 것을 알 길이 없습니다.게다가 그들은 결국 물리학에 위대한 새 생명을 가져다주고, 불과 폭풍우 속에서 열반을 깨닫고, 두 개의 웅장하고 아름다운 성을 더 재건할 것이 이 두 먹구름이라는 것을 예측할 수 없습니다.

첫 번째 먹구름은 결국 상대성 혁명의 발발로 이어졌다. 두 번째 먹구름은 마침내 양자론 혁명의 발발로 이어졌다. 오늘날의 관점에서 당시 켈빈의 연설은 단순히 신비한 예언과 같으며 어둠 속에서 운명을 느끼는 것 같습니다.그의 예측에 따라 과학은 큰 전환점을 맞았지만 그 방향은 켈빈이 전혀 예상치 못한 것이었다.옛 재즈가 오늘날까지 살아서 새 세기의 물리학 발전사를 읽을 수 있다면, 그는 그때의 그의 예언에 깊은 충격을 받고 가슴이 떨리지 않을까? 식후 가십: 위대한 우연한 실험 오늘날 물리학의 역사에서 그 유명한 우연한 실험에 대해 이야기해 봅시다.사고라는 단어를 사용하는 것은 실험이 예상한 결과를 달성하지 못했다는 것을 의미하며, 어느 정도 실패한 실험이라고 할 수 있습니다.

우리는 위에서 Michelson-Morley 실험에 대해 이미 이야기했으며, 이 실험의 결과는 너무 충격적이어서 실험자들은 꽤 오랫동안 결과의 정확성을 믿을 수 없었습니다.그러나 마침내 빛 에테르의 개념을 끝내고 상대성 이론의 탄생을 가능하게 한 것은 바로 이 부정적인 증거입니다.이 실험의 실패는 물리학의 역사에서 위대한 승리라고 할 수 있습니다 과학은 항상 사실만을 믿었습니다. 현대 과학의 역사에서 이와 유사한 우발적 실험이 매우 중요합니다.아마도 AL Laroisier부터 시작할 수 있을 것입니다.그 당시 사람들은 일반적으로 플로지스톤이 물체를 떠나기 때문에 물체가 타버린다고 믿었습니다.그러나 1774년 어느 날, 라부아지에는 이 플로지스톤의 정확한 무게를 측정하기로 결정했습니다.그는 저울로 깡통의 무게를 달고 불을 붙였습니다.금속이 완전히 타서 재가 된 후 Lavoisier는 모든 재를 조심스럽게 모아서 다시 무게를 쟀습니다.

결과는 당시 모두를 어리둥절하게 만들었습니다.플로지스톤에 따르면 연소 후의 재는 연소 전보다 가벼워야 합니다.만보 뒤로, 플로지스톤이 전혀 무게가 없더라도 여전히 같은 무게여야 합니다.그러나 Lavoisier의 저울은 재가 연소되기 전의 금속보다 무겁고 플로지스톤의 무게를 측정하는 것은 말도 안 되는 일이 되었다고 말했습니다.그러나 라부아지에는 놀랐을 때 자신의 균형을 탓하지 않고 의심스러운 눈을 플로지스톤 이론의 거물에게 돌렸다.그의 추진력으로 이 시스템의 붕괴 속에서 마침내 현대 화학이 확립되었습니다. 1882년에는 케임브리지 대학의 화학 교수인 JWS 레일리도 실험의 어려움에 시달리기 시작했습니다.피험자로서 그는 다양한 기체의 비중을 정확하게 측정해야 했습니다.그러나 질소와 관련하여 Rayleigh는 문제에 봉착했습니다.결과가 정확한지 확인하기 위해 Rayleigh는 두 가지 다른 방법을 사용하여 가스를 분리했습니다.하나는 화학자들에게 잘 알려진 방법으로 암모니아에서 질소를 생산하는 것이고, 다른 하나는 일반 공기에서 가능한 한 많은 산소, 수소, 수증기 및 기타 가스를 제거하여 남은 것이 순수한 질소가 되도록 하는 것입니다.그러나 레일리는 둘의 무게가 같지 않고 후자가 전자보다 2000분의 2나 더 무거워 괴로워했다.

작은 차이지만 레일리 같은 정밀한 과학자에게는 견딜 수 없는 일이었다.이 차이를 없애기 위해 최선을 다해 거의 모든 기구를 점검하고 수십번의 실험을 반복했지만 2000분의 1의 차이는 거기에 완강히 존재했고 측정할 때마다 더 정확해졌다.이 장애물 때문에 Rayleigh는 거의 미쳐버릴 뻔했고, 필사적으로 다른 화학자 William Ramsay에게 도움을 요청하는 편지를 썼습니다.후자는 이 무게 차이가 공기 중에 섞인 감지할 수 없는 무거운 가스에 의해 야기될 수 있다고 날카롭게 지적했습니다.두 사람의 공동 노력으로 마침내 아르곤(Ar)이 발견되었고, 결국 희가스족 전체의 발견으로 이어져 원소 주기율표의 존재에 대한 주요한 증거가 되었습니다.

이야기할 가치가 있는 또 다른 실험은 1896년 Antoine Herni Becquerel이 수행한 것입니다.그 당시에는 X선이 막 발견되었고 사람들은 그 기원에 대해 잘 알지 못했습니다.형광물질이 햇빛에 노출되면 X선을 낼 수 있다는 주장에 베크렐은 이에 대한 연구를 진행했고, 형광물질로 산화우라늄을 선택해 태양광에 노출시켰더니 검게 변한다는 사실을 발견했다. 그 종이는 감광성이었기 때문에 그는 예비 결론에 도달했습니다. 형광 물질에 비치는 햇빛은 실제로 X선을 생성할 수 있습니다. 그런데 막 공부를 하려던 찰나 예상치 못한 일이 벌어졌다.며칠 동안 먹구름이 태양을 가리면서 날씨가 흐려졌습니다.베크렐은 네거티브와 우라늄 염을 포함한 모든 실험 장비를 금고에 넣어야 했습니다.그러나 5일째에도 날씨는 여전히 화창하지 않았고, 베크렐은 더 이상 견딜 수 없어 네거티브 현상을 하기로 결정했습니다.우라늄 염은 약간의 빛으로 조사되었으며 어쨌든 필름에 흐릿한 자국이 있어야 합니다. 그러나 사진을 손에 넣게 되면서 베크렐은 모든 과학자들이 꿈꾸는 놀라움과 기쁨의 순간을 경험했습니다.그의 마음은 어지러웠다. 네거티브가 완전히 노출되었고 패턴이 너무 선명하여 강한 햇빛 아래보다 백배 더 강했습니다.극적인 상황 속에서도 처음으로 방사성 원소가 발견된 역사적인 순간이었습니다.베크렐의 놀라움은 마침내 원자 내부의 문을 열었고 사람들은 곧 완전히 새로운 세상을 보게 되었습니다. 나중에 양자 이론의 이야기에서 우리는 그러한 놀라움을 더 많이 보게 될 것입니다.이 사건들은 과학사에 찬란한 전설의 색을 더했고, 또한 사람들로 하여금 신비한 자연에 더 많은 관심을 갖게 만들었습니다.그것은 과학이 우리에게 가져다주는 기쁨 중 하나입니다. 둘 지난번에 Kelvin은 세기 초에 물리학에서 두 개의 작은 먹구름을 언급했습니다.첫 번째는 Michelson-Morley 실험의 놀라운 결과를 말하고 두 번째는 흑체 복사 연구에서 사람들이 직면하는 어려움을 나타냅니다. 우리의 이야기는 마침내 올바른 길을 가고 있으며 모든 것은 그 혼란스러운 흑체에서 시작됩니다. 물체가 희게 보이는 이유는 모든 주파수의 광파를 반사하기 때문이고, 반대로 검게 보이는 것은 모든 주파수의 광파를 흡수하기 때문이라는 것은 누구나 알고 있습니다.물리적으로 정의된 흑체는 속이 빈 구체, 내벽이 방사선 흡수 페인트로 코팅되어 있고 외벽에 작은 구멍이 뚫려 있는 것과 같이 외부 방사선을 모두 흡수할 수 있는 물체를 말합니다.그러면 작은 구멍에서 물체에 닿는 빛은 반사될 수 없기 때문에 작은 구멍은 완전히 검게 보입니다. 이것이 우리가 흑체라고 정의하는 것입니다. 19세기 말에 사람들은 흑체 모델의 열복사 문제에 관심을 갖기 시작했습니다.사실 아주 일찍부터 사람들은 서로 다른 물체에 대해 열과 복사가 특정한 대응 관계를 가지고 있는 것처럼 보인다는 것을 알아차렸습니다.예를 들어, 금속, 생활 경험이 있는 사람은 우리가 철 조각을 불에 가열하면 특정 온도에 도달하면 검붉게 변한다는 것을 알고 있습니다(사실 이 전에는 눈에 보이지 않는 적외선이 있습니다). 더 높은 온도에서는 주황색-노란색이 됩니다.매우 높은 온도에 도달하면 기화를 방지할 수 있는 방법을 찾을 수 있다면 철 블록이 파란색-흰색으로 나타나는 것을 볼 수 있습니다.즉, 물체의 열 복사와 온도 사이에는 일정한 기능적 관계가 있습니다 (천문학에는 적색 거성과 청색 거성이 있으며 전자는 진한 빨간색이며 온도가 낮으며 일반적으로 오래된 별에 속합니다. ; 후자는 매우 높은 온도를 가지며 어린 별입니다. 항성 모델). 문제는 물체의 복사 에너지와 온도 사이의 기능적 관계는 무엇입니까? 흑체 복사에 대한 초기 연구는 고전 열역학을 기반으로 하고 있으며, 그 이전에도 많은 유명 과학자들이 기초 작업을 많이 했습니다.American Langley(Samuel Pierpont Langley)가 발명한 열복사 측정기는 최고의 측정 도구이며 Roland 오목 격자를 사용하면 매우 정확한 열복사 에너지 분포 곡선을 얻을 수 있습니다.흑체 복사의 개념은 위대한 Gustav Robert Kirchhoff가 제안했고 Josef Stefan이 요약하고 연구했습니다.1880년대에 Boltzmann은 그의 열역학 이론을 확립했으며 이것이 흑체 복사 연구를 위한 강력한 이론적 무기라는 징후가 있습니다.대체로이 모든 것은 William입니다.빌헬름 빈(Wilhelm Wien)이 이론적으로 흑체 복사 공식을 도출하려 했을 때, 이 주제에 대한 물리학계의 몇 가지 기본 배경이 있었습니다. 동프로이센 지주의 아들로 태어난 웨인도 농부가 될 운명처럼 보였지만 당시의 경제 위기로 인해 그는 대학에 진학하기로 결심했습니다.하이델베르크, 괴팅겐, 베를린 대학에서 학업을 마친 빈은 1887년 독일제국공과대학(PTR)에 들어가 헬름홀츠 연구소의 주 연구원이 되었다.베를린에 있는 이 실험실에서 그는 이론 및 실험 물리학에서 자신의 재능을 보여주고 흑체 복사 문제를 영원히 해결할 준비를 했습니다. 윈은 고전 열역학의 아이디어에서 시작하여 맥스웰의 속도 분포를 따르는 일부 분자에서 흑체 복사가 방출된다고 가정한 다음 정밀한 추론을 통해 1893년 복사 에너지 분포 법칙에 대한 공식을 마침내 제안했습니다. u ＝b(λ^-5)(e^-a/λT) (여기서 λ^-5 및 e^-a/λT는 각각 λ의 -5승을 나타내고 e의 -a/λT승을 나타냅니다. u는 다음을 나타냅니다. 에너지 분포의 함수, λ는 파장, T는 절대 온도, a, b는 상수입니다 물론 여기에서는 이 공식이 어떤 것인지 모든 사람에게 보여주기 위한 것입니다 수학과 물리학에 대한 연구가 없는 친구도 읽을 수 있습니다 무시하십시오. 특정 의미). 이것은 Wien 분포의 잘 알려진 공식입니다.곧 또 다른 독일 물리학자인 F. Paschen은 Langley를 기반으로 다양한 고체의 열 복사를 측정했으며 결과는 Wien의 공식과 잘 일치하여 Wien이 초기 승리를 얻었습니다. 그러나 Wien은 근본적인 어려움에 직면했는데, 그의 출발점이 수용된 현실과 상충되는 것처럼 보였고, 즉 그의 분자 가설은 고전 물리학자들을 매우 불편하게 만들었습니다.왜냐하면 방사선은 전자기파이고 우리가 알다시피 전자기파는 일종의 요동이기 때문에 이를 고전입자의 방법으로 분석하면 사람들로 하여금 뭔가 어렴풋이 잘못된 것이 있다는 느낌을 주는 것 같고, 그 반대의 맛도 있는 것 같다. 아니나 다를까, Imperial Institute of Technology(PTR)의 Wayne의 동료들은 곧 또 다른 실험을 내놓았습니다.Otto Richard Lummer와 Ernst Pringsheim은 ​​1899년에 흑체를 1,000K 이상의 고온으로 가열했을 때 짧은 파장 범위에서 측정된 곡선과 Wien 공식이 잘 맞았지만 장파장에서는 실험과 이론이 엇갈린다고 보고했습니다. .곧 PTR의 다른 두 구성원인 Heinrich Rubens와 Ferdinand Kurlbaum은 파장의 측정 범위를 확장하고 이 편차를 재확인했으며 장파 범위의 에너지 밀도가 다음과 같아야 한다는 결론을 내렸습니다. 절대 온도는 정비례합니다 , Wien이 예측한 것과는 달리 파장이 무한대가 되는 경향이 있을 때 에너지 밀도는 온도와 관련이 없습니다.19세기의 마지막 몇 년 동안 Siemens와 Helmholtz가 설립한 기관인 PTR은 열역학 분야에서 가장 두각을 나타내는 곳으로 보였습니다. 가장 큰 비밀. 긴 파동에서 빈의 법칙의 실패는 영국의 물리학자 레일리(질소의 무게를 연구하고 마지막으로 우리 가십에서 불활성 가스를 발견한 경을 기억하는가?)의 관심을 끌었고, 그는 수정하려고 시도했습니다. 공식은 실험에 적응합니다 u와 T는 고온과 장파에 비례한다는 결론을 내리고 마침내 자신의 공식을 도출합니다.얼마 지나지 않아 또 다른 물리학자인 JH Jeans는 공식의 상수를 계산했고 마침내 다음과 같은 공식을 얻었습니다. u=8π(υ^2)kT/c^3 이것은 오늘날 Rayleigh-Jeans 공식이라고 부르는 것입니다. 여기서 υ는 주파수, k는 볼츠만 상수, c는 빛의 속도입니다.마찬가지로 관심이 없는 친구들은 그 특정한 의미를 무시할 수 있으며 이는 우리 이야기에 영향을 미치지 않습니다. 이와 같이 u와 T가 고온과 장파에 비례한다는 실험결과가 이론적으로 증명된다.그러나 아마도 속담처럼 Rayleigh-Jins 공식은 하나를 다른 것으로 제거하는 전형적인 예입니다.장파에서는 실험 데이터에 부합하지만 단파에서는 실패가 뻔하다는 것이 매우 아이러니하기 때문이다.파장 λ가 0이 될 때, 즉 주파수 υ가 무한대가 될 때 우리의 에너지 방사는 필연적으로 무한대가 될 수밖에 없음을 위의 공식에서 알 수 있습니다.즉, 우리의 흑체는 파장이 어느 정도 짧을 때 거의 무한한 에너지를 방출하게 됩니다. 이 극적인 사건은 어떤 물체가 어떤 온도에서도 그러한 에너지 방사선을 방출하는 것을 본 적이 없기 때문에 의심할 여지 없이 터무니없는 일입니다.이 추론은 나중에 공상 과학 소설에 등장하기에 매우 적합한 자외선 재앙이라는 감각적 인 이름이 추가되었습니다.분명히 RayleighJins 공식은 흑체 복사의 정확한 분포를 제공할 수 없습니다. 여기에 있는 것은 다소 섬세하고 어색한 상황입니다.이제 우리는 두 세트의 수식을 손에 넣었지만 불행히도 각각 단파와 장파 범위에서만 작동합니다.두 벌의 옷을 가지고 있는데, 하나는 상의는 좋은데 바지 다리가 너무 길고, 다른 하나는 바지는 좋은데 상의가 너무 작아서 맞지 않는 것처럼 사람들을 정말 좌절시킵니다.최악의 부분은 이 두 세트의 옷을 전혀 함께 입을 수 없다는 것입니다. 요컨대 흑체 문제에 대해 고전 입자의 관점에서 추론하면 단파에 적합한 빈의 공식을 얻을 수 있다.유사한 파동의 각도에서 유추하면 장파동에 적용할 수 있는 Rayleigh︱Jins 공식을 얻을 수 있다.장파냐 단파냐 그것이 문제로다. 이 수수께끼는 어두운 유머 감각으로 이렇게 물리학자들을 괴롭혔습니다.Kelvin이 무대에서 두 번째 먹구름을 묘사했을 때 사람들은 결국 그 질문에 대한 답이 어떻게 될지 몰랐습니다. 그러나 결국 새로운 세기의 종소리가 울리고 물리학의 대혁명이 다가오고 있습니다.이때 우리 이야기의 첫 번째 주인공, 콧수염이 있고 약간 대머리인 독일인 Max.플랑크가 무대에 올랐고 마침내 물리학의 새로운 장면이 열렸습니다. 삼 지난 번에 언급했듯이 흑체 문제에 대한 연구를 위한 두 가지 공식이 있습니다.불행하게도 한 세트는 장파 범위에서만 효과적이며 다른 세트는 단파 범위에서만 효과적입니다.사람들이 이 딜레마 때문에 골치를 앓고 있을 때, Max.플랑크는 역사의 무대에 올랐다.운명처럼 이 이름은 20세기 내내 물리학의 역사를 밝혀줄 것입니다. Max Carl Ernst Ludwig Planck는 1858년 독일 킬의 학자 가정에서 태어났습니다.그의 할아버지와 증조부는 모두 신학 교수였으며 그의 아버지는 프로이센 민법의 초안 작성에 참여했던 저명한 법학 교수였습니다.1867년 플랑크 가족은 젊은 플랑크가 중학교와 대학교를 다녔던 뮌헨으로 이사했습니다.비스마르크의 제국이 번성하던 시절 플랑크는 고전주의의 세련된 문체를 간직하고 있었고 문학과 음악에 관심이 많았으며 비범한 천재성을 보여주기도 했습니다. 그러나 곧 그의 관심은 자연으로 향했다.중학교 교실에서 그의 선생님은 일꾼이 어떻게 벽돌을 지붕으로 옮기고 일꾼이 쏟은 노력이 높은 곳의 위치 에너지에 저장되는지 학생들에게 생생하게 설명했다. 따라와. 놓아.마법의 전환과 에너지 보존은 호기심 많은 플랑크를 크게 매료시켰고, 그로 인해 그의 경력의 출발점이 되었던 신비한 자연 법칙으로 그의 관심을 돌렸습니다.독일은 음악가를 잃었지만 세계를 개척한 위대한 과학의 거장을 얻었습니다. 그러나 이전 장에서 말했듯이 이론물리학은 그 당시 그다지 유망한 직업으로 보이지 않았습니다.대학의 플랑크 교수인 필립 폰 졸리(Philip von Jolly)는 물리적 시스템이 이미 매우 성숙하고 완벽하게 구축되어 있으며 더 이상 큰 발견을 할 수 없으므로 이 작은 발견에 시간을 낭비할 필요가 없다고 그를 설득했습니다. 위에.플랑크는 자연과 합리성에 대한 관심으로 물리학을 공부했고, 존재하는 것들을 파악하고 싶었을 뿐, 큰 성취를 기대하지는 않았다고 완곡하게 진술했다.아이러니하게도 오늘날의 관점에서 볼 때 이 매우 가망 없는 성과는 물리학에서 가장 큰 혁신 중 하나를 달성했으며 플랑크의 삶의 명성을 얻었습니다.우리는 이 결정에 정말 운이 좋았을 것입니다. 1879년 플랑크는 뮌헨대학교에서 박사학위를 받은 후 키엘대학교, 뮌헨대학교, 베를린대학교에서 교편을 잡고 키르히호프의 뒤를 이었다.플랑크의 연구 관심은 원래 고전열역학 분야에 집중되어 있었으나 1896년 빈의 흑체복사에 관한 논문을 읽고 큰 관심을 보였다.플랑크가 보기에 빈의 공식에 내포된 절대 법칙은 대상 자체의 본질과는 무관한 것으로 객관적이고 영원한 것을 나타낸다.그것은 사람과 물질세계로부터 독립적으로 존재하며 외부세계의 영향을 받지 않는 과학이 추구하는 가장 숭고한 목표입니다.플랑크가 선호하는 것은 고전 물리학의 전통과 스타일일 뿐이며 절대적으로 엄격한 법칙에 대한 찬사입니다.이 고전적이고 보수적인 사상은 황금시대의 모든 귀족적 분위기와 함께 뉴턴, 라플라스, 맥스웰을 거쳐 플랑크의 뼛속까지 깊숙이 침투했다.그러나 이 명망 있는 구식 과학자는 자신이 자신도 모르게 시대의 최전방에 섰다는 사실을 깨닫지 못했고, 그의 운명은 그에게 일탈적인 역할을 안배했다. 사업을 시작합시다.세기의 전환기에 플랑크는 오랫동안 사람들을 괴롭혀 온 흑체 복사 문제를 완전히 해결하기로 결정했습니다.그는 이미 Wien 공식을 손에 쥐고 있지만 불행히도 이 공식은 단파장 범위의 실험 결과만 정확하게 예측할 수 있습니다.한편, 플랑크 자신은 당시 레일리의 공식을 몰랐다고 주장했지만 장파장 영역에서 u와 T가 단순한 비례 관계를 갖는다는 사실도 틀림없이 알고 있었다.1900년 10월 7일 정오에 실험물리학자 하인리히 루벤스(이전 장에서 언급함)의 좋은 친구가 그에게 이런 말을 했습니다.그 날까지 플랑크는 그 문제에 대해 6년을 보냈지만(1894년에 그는 와인의 연구를 알기 전에 그 분야를 조사하기 시작했습니다) 모든 노력은 헛된 것 같습니다. 이제 조용히 하시고 Mr. Planck가 문제에 대해 생각하게 해주세요.그 앞에 있는 모든 사실은 각각 제한된 범위 내에서만 작동하는 두 가지 공식이 있다는 것입니다.그러나 두 공식의 유도를 근본적으로 조사하면 문제를 발견할 수 없다.그리고 우리의 목적은 일반적으로 적용 가능한 공식을 찾는 것입니다. 10월의 독일은 중추절에 접어들었습니다.날씨는 점점 더 우울해지고 하늘에는 두꺼운 구름이 쌓이고 밤은 매일 길어지고 있습니다.낙엽이 형형색색으로 거리와 들판을 뒤덮고 가끔 선선한 바람이 불어 살랑거린다.낮에는 베를린이 시끌벅적하고 시끄럽고, 밤이 되면 베를린은 조용하고 엄숙하지만, 이 조용하고 시끄러운 곳에서 누구도 위대한 역사적 순간이 다가오고 있다고 생각하지 않았습니다. 플랑크는 초안으로 가득한 베를린 대학의 사무실에서 화해할 수 없는 두 가지 공식에 대해 곰곰이 생각했습니다.마침내 어느 날 그는 그러한 근본적인 가정과 도출을 하지 않기로 결정했습니다. 어쨌든 우리는 먼저 모든 밴드를 만족시킬 수 있는 공식을 생각해내려고 노력했습니다.나중에 다른 문제에 대해 이야기합시다. 그래서 수학적 보간법을 사용하여 플랑크는 손에 두 가지 공식을 가지고 놀기 시작했습니다.웨인 공식의 영향을 장파 영역에서 최대한 없애고 단파에서만 발휘되도록 해야 한다.며칠 동안 시도한 후 Planck는 마침내 Bingo Moment를 발견했고 법안에 맞는 것처럼 보이는 공식을 생각해 냈습니다.긴 파동에서는 비례 관계처럼 작동합니다.단파에서는 Wien 공식의 원래 형태로 변질됩니다. 10월 19일, 플랑크는 베를린에서 열린 독일물리학회(Deutschen Physikalischen Gesellschaft) 회의에서 이 새로운 공식을 공개했습니다.그날 밤, 루벤스는 공식을 실험 결과와 주의 깊게 비교했습니다.그 결과, 놀랍게도 플랑크의 공식이 큰 승리를 거두었고, 모든 밴드에서 이 공식이 제공하는 데이터는 실험값에 따라 매우 정확했습니다.다음날 루벤스는 플랑크에게 결과를 알렸고, 플랑크 자신도 이 완벽한 성공에 당황하지 않을 수 없었습니다.그는 운 좋게 짜 맞춰진 이 실험식이 이렇게 강력한 힘을 가질 것이라고는 예상하지 못했다. 물론 그는 이것이 공식의 성공이 단순한 요행이 아니라는 것을 보여준다고 생각했다.이것은 그 신비한 공식 뒤에 숨겨진 비밀이 있음을 보여줍니다.이 공식을 뒷받침하기 위해 어떤 종류의 보편적 원리가 가정되어 있어야 강력한 힘을 발휘할 수 있습니다. 플랑크가 그의 공식을 다시 살펴보니 어떤 물리적 의미를 나타내는 것일까요?그는 자신이 무슨 일이 일어나고 있는지는 알지만 그 이유를 알지 못하는 다소 당혹스러운 위치에 있음을 발견했습니다.플랑크는 사전에 참고서를 훑어본 불운한 후보 같았는데, 변론을 하다 보니 결론만 기억하고 어떻게 증명하고 설명해야 할지 전혀 몰랐다.실험의 결과는 결정적이며 이론의 정확성을 명백히 증명하지만 이 이론이 왜 정확하고 무엇을 기반으로 하며 무엇을 설명하는가?그러나 아무도 대답할 수 없었다. 그러나 플랑크는 그 안에 열역학과 전자기학 전체의 기초와 관련된 중요한 것이 숨겨져 있음을 알고 있었다.플랑크는 폭풍이 오고 있는 것 같다는 것을 어렴풋이 깨달았고, 이 겸손한 공식의 분석은 물리학의 일부 측면을 바꿀 것입니다.육감은 그의 인생에서 가장 중요한 시기가 도래했음을 그에게 말했습니다. 몇 년 후, 플랑크는 그에게 이렇게 썼습니다. 당시 나는 6년 동안 방사능과 물질과 씨름했지만 아무 소용이 없었다.그러나 나는 이 문제가 물리학 전체에 결정적이라는 것을 알고 에너지 분포를 결정하는 공식을 발견했습니다.그래서 어떤 대가를 치르더라도 이론적인 설명을 찾아야 했습니다.그리고 나는 고전물리학이 이 문제를 풀 수 없다는 것을 잘 알고 있다(Letter to RW Wood, 1931) 인생의 분기점에서 플랑크는 마침내 그 안에 무엇이 들어 있든 눈앞에 있는 판도라의 상자를 열겠다는 최고의 결의와 용기를 보여주기로 결심했습니다.為了解開這個謎團，普朗克頗有一種破釜沉舟的氣概。除了熱力學的兩個定律他認為不可動搖之外，甚至整個宇宙，他都做好了拋棄的準備。不過，饒是如此，當他終於理解了公式背後所包含的意義之後，他還是驚訝到不敢相信和接受所發現的一切。普朗克當時做夢也沒有想到，他的工作絕不僅僅是改變物理學的一些面貌而已。事實上，整個物理學和化學都將被徹底摧毀和重建，一個新的時代即將到來。 一九○○年的最後幾個月，黑體這朵飄在物理天空中的烏雲，內部開始翻滾動盪起來。 飯後閒話：世界科學中心 在我們的史話裡，我們已經看見了許許多多的科學偉人，從中我們也可以清晰地看見世界性科學中心的不斷遷移。 現代科學創立之初，也就是十七，十八世紀的時候，英國是毫無爭議的世界科學中心（以前是義大利）。牛頓作為一代科學家的代表自不用說，波義耳、胡克、一直到後來的大衛、卡文迪許、道爾頓、法拉第、湯瑪斯．楊，都是世界首屈一指的大科學家。但是很快，這一中心轉到了法國。法國的崛起由伯努利（Daniel Bernoulli）、達朗貝爾（JRd'Alembert）、拉瓦錫、拉馬克等開始，到了安培（Andre Marie Ampere）、菲涅爾、卡諾（Nicolas Carnot）、拉普拉斯、傅科、泊松、拉格朗日的時代，已經在歐洲獨領風騷。不過進入十九世紀的後半，德國開始迎頭趕上，湧現出了一大批天才，高斯、歐姆、洪堡、沃勒（Friedrich Wohler）、赫爾姆霍茲、克勞修斯、玻爾茲曼、赫茲雖然英國連出了法拉第、麥克斯韋、達爾文這樣的偉人，也不足以搶回它當初的地位。到了二十世紀初，德國在科學方面的成就到達了最高峰，成為了世界各地科學家心目中的聖地，柏林、慕尼克和哥廷根成為了當時自然科學當之無愧的世界性中心。我們在以後的史話裡，將會看到越來越多德國人的名字。不幸的是，納粹上臺之後，德國的科技地位一落千丈，大批科學家出逃外國，直接造成了美國的崛起，直到今日。 只不知，下一個霸主又會是誰呢？ 4 上次說到，普朗克在研究黑體的時候，偶爾發現了一個普適公式，但是，他卻不知道這個公式背後的物理意義。 為了能夠解釋他的新公式，普朗克已經決定拋卻他心中的一切傳統成見。他反覆地咀嚼新公式的含義，體會它和原來那兩個公式的聯繫以及不同。我們已經看到了，如果從玻爾茲曼運動粒子的角度來推導輻射定律，就得到威恩的形式，要是從純麥克斯韋電磁輻射的角度來推導，就得到瑞利︱金斯的形式。那麼，新的公式，它究竟是建立在粒子的角度上，還是建立在波的角度上呢？ 作為一個傳統的保守的物理學家，普朗克總是盡可能試圖在理論內部解決問題，而不是顛覆這個理論以求得突破。更何況，他面對的還是有史以來最偉大的麥克斯韋電磁理論。但是，在種種嘗試都失敗了以後，普朗克發現，他必須接受他一直不喜歡的統計力學立場，從玻爾茲曼的角度來看問題，把熵和機率引入到這個系統裡來。 那段日子，是普朗克一生中最忙碌，卻又最光輝的日子。二十年後，一九二○年，他在諾貝爾得獎演說中這樣回憶道： 經過一生中最緊張的幾個禮拜的工作，我終於看見了黎明的曙光。一個完全意想不到的景象在我面前呈現出來。（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） 什麼是完全意想不到的景象呢？原來普朗克發現，僅僅引入分子運動理論還是不夠的，在處理熵和機率的關係時，如果要使得我們的新方程成立，就必須做一個假定，假設能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。 為了引起各位聽眾足夠的注意力，我想我應該把上面這段話重複再寫一遍。事實上我很想用初號的黑體字來寫這段話，但可惜論壇不給我這個功能。 必須假定，能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。 在瞭解它的具體意義之前，不妨先瞭解一個事實：正是這個假定，推翻了自牛頓以來二百多年，曾經被認為是堅固不可摧毀的經典世界。這個假定以及它所衍生出的意義，徹底改變了自古以來人們對世界的最根本的認識。極盛一時的帝國，在這句話面前轟然土崩瓦解，倒坍之快之徹底，就像愛倫．坡筆下厄舍家那間不祥的莊園。 好，回到我們的故事中來。能量不是連續不斷的，這有什麼了不起呢？ 很了不起。因為它和有史以來一切物理學家的觀念截然相反（可能某些偽科學家除外，呵呵）。自從伽利略和牛頓用數學規則馴服了大自然之後，一切自然的過程就都被當成是連續不間斷的。如果你的中學物理老師告訴你，一輛小車沿直線從A點行駛到B點，卻不經過兩點中間的C點，你一定會覺得不可思議，甚至開始懷疑該教師是不是和校長有什麼裙帶關係。自然的連續性是如此地不容置疑，以致幾乎很少有人會去懷疑這一點。當預報說氣溫將從二十度上升到三十度，你會毫不猶豫地判定，在這個過程中間氣溫將在某個時刻到達二十五度，到達二十八度，到達二十九又一／二度，到達二十九又三／四度，到達二十九又九／十度總之，一切在二十度到三十度之間的值，無論有理的還是無理的，只要它在那段區間內，氣溫肯定會在某個時刻，精確地等於那個值。 對於能量來說，也是這樣。當我們說，這個化學反應總共釋放出了一百焦耳的能量的時候，我們每個人都會潛意識地推斷出，在反應期間，曾經有某個時刻，總體系釋放的能量等於50焦耳，等於32.233焦耳，等於3.14159焦耳。總之，能量的釋放是連續的，它總可以在某個時刻達到範圍內的任何可能的值。這個觀念是如此直接地植入我們的內心深處，顯得天經地義一般。 這種連續性，平滑性的假設，是微積分的根本基礎。牛頓、麥克斯韋那龐大的體系，便建築在這個地基之上，度過了百年的風雨。當物理遇到困難的時候，人們縱有懷疑的目光，也最多盯著那巍巍大廈，追問它是不是在建築結構上有問題，卻從未有絲毫懷疑它腳下的土地是否堅實。而現在，普朗克的假設引發了一場大地震，物理學所賴以建立的根本基礎開始動搖了。 普朗克的方程倔強地要求，能量必須只有有限個可能態，它不能是無限連續的。在發射的時候，它必須分成有限的一份份，必須有個最小的單位。這就像一個吝嗇鬼無比心痛地付帳，雖然他盡可能地試圖一次少付點錢，但無論如何，他每次最少也得付上一個penny，因為沒有比這個更加小的單位了。這個付錢的過程，就是一個不連續的過程。我們無法找到任何時刻，使得付帳者正好處於付了1.0001元這個狀態，因為最小的單位就是0.01元，付的帳只能這樣一份一份地發出。我們可以找到他付了一元的時候，也可以找到他付了一.零一元的時候，但在這兩個狀態中間，不存在別的狀態，雖然從理論上說，一元和1.01元之間，還存在著無限多個數字。 普朗克發現，能量的傳輸也必須遵照這種貨幣式的方法，一次至少要傳輸一個確定的量，而不可以無限地細分下去。能量的傳輸，也必須有一個最小的基本單位。能量只能以這個單位為基礎一份份地發出，而不能出現半個單位或者四分之一單位這種情況。在兩個單位之間，是能量的禁區，我們永遠也不會發現，能量的計量會出現小數點以後的數字。 一九○○年十二月十四日，人們還在忙活著準備歡度耶誕節。這一天，普朗克在德國物理學會上發表了他的大膽假設。他宣讀了那篇名留青史的《黑體光譜中的能量分佈》的論文，其中改變歷史的是這段話： 為了找出N個振子具有總能量Un的可能性，我們必須假設Un是不可連續分割的，它只能是一些相同部件的有限總和（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） 這個基本部件，普朗克把它稱作能量子（Energieelement），但隨後很快，在另一篇論文裡，他就改稱為量子（Elementarquantum），英語就是quantum。這個字來自拉丁文quantus，本來的意思就是多少，量。量子就是能量的最小單位，就是能量裡的一美分。一切能量的傳輸，都只能以這個量為單位來進行，它可以傳輸一個量子，兩個量子，任意整數個量子，但卻不能傳輸1又1/2個量子，那個狀態是不允許的，就像你不能用現錢支付1又1/2美分一樣。 那麼，這個最小單位究竟是多少呢？從普朗克的方程裡可以容易地推算出這個常數的大小，它約等於6.55×10^-27爾格*秒，換算成焦耳，就是6.626×20^-34焦耳*秒。這個單位相當的小，也就是說量子非常的小，非常精細。因此由它們組成的能量自然也十分細密，以至於我們通常看起來，它就好像是連續的一樣。這個值，現在已經成為了自然科學中最為重要的常數之一，以它的發現者命名，稱為普朗克常數，用h來表示。 請記住一九○○年十二月十四日這個日子，這一天就是量子力學的誕辰。量子的幽靈從普朗克的方程中脫胎出來，開始在歐洲上空遊蕩。幾年以後，它將爆發出令人咋舌的力量，把一切舊的體系徹底打破，並與聯合起來的保守派們進行一場驚天動地的決鬥。我們將在以後的章節裡看到，這個幽靈是如此地具有革命性和毀壞性，以致於它所過之處，最富麗堂皇的宮殿都在瞬間變成了斷瓦殘垣。物理學構築起來的精密體系被毫不留情地砸成廢鐵，千百年來亙古不變的公理被扔進垃圾箱中不得翻身。它所帶來的震撼力和衝擊力是如此地大，以致於後來它的那些偉大的開創者們都驚嚇不已，紛紛站到了它的對立面。當然，它也決不僅僅是一個破壞者，它更是一個前所未有的建設者，科學史上最傑出的天才們參與了它成長中的每一步，賦予了它華麗的性格和無可比擬的力量。人類理性最偉大的構建終將在它的手中誕生。 一場前所未有的革命已經到來，一場最為反叛和徹底的革命，也是最具有傳奇和史詩色彩的革命。暴風雨的種子已經在烏雲的中心釀成，只等適合的時候，便要催動起史無前例的雷電和風暴，向世人昭示它的存在。而這一切，都是從那個叫做馬克斯？普朗克的男人那裡開始的。 飯後閒話：連續性和悖論 古希臘有個學派叫做愛利亞派，其創建人名叫巴門尼德（Parmenides）。這位哲人對運動充滿了好奇，但在他看來，運動是一種自相矛盾的行為，它不可能是真實的，而一定是一個假相。為什麼呢？因為巴門尼德認為世界上只有一個唯一的存在，既然是唯一的存在，它就不可能有運動。因為除了存在就是非存在，存在怎麼可能移動到非存在裡面去呢？所以他認為存在是絕對靜止的，而運動是荒謬的，我們所理解的運動只是假相而已。 巴門尼德有個學生，就是大名鼎鼎的芝諾（Zeno）。他為了為他的老師辯護，證明運動是不可能的，編了好幾個著名的悖論來說明運動的荒謬性。我們在這裡談談最有名的一個，也就是阿喀琉斯追龜辯，這裡面便牽涉到時間和空間的連續性問題。 阿喀琉斯是史詩《伊利亞特》裡的希臘大英雄。有一天他碰到一隻烏龜，烏龜嘲笑他說：別人都說你厲害，但我看你如果跟我賽跑，還追不上我。 阿喀琉斯大笑說：這怎麼可能。我就算跑得再慢，速度也有你的十倍，哪會追不上你？ 烏龜說：好，那我們假設一下。你離我有一百米，你的速度是我的十倍。現在你來追我了，但當你跑到我現在這個位置，也就是跑了一百米的時候，我也已經又向前跑了十米。當你再追到這個位置的時候，我又向前跑了一米，你再追一米，我又跑了1/10米總之，你只能無限地接近我，但你永遠也不能追上我。 阿喀琉斯怎麼聽怎麼有道理，一時丈二和尚摸不著頭腦。 這個故事便是有著世界性聲名的芝諾悖論（之一），哲學家們曾經從各種角度多方面地闡述過這個命題。這個命題令人困擾的地方，就在於它採用了一種無限分割空間的辦法，使得我們無法跳過這個無限去談問題。雖然從數學上，我們可以知道無限次相加可以限制在有限的值裡面，但是數學從本質上只能告訴我們怎麼做，而不能告訴我們能不能做到。 但是，自從量子革命以來，學者們越來越多地認識到，空間不一定能夠這樣無限分割下去。量子效應使得空間和時間的連續性喪失了，芝諾所連續無限次分割的假設並不能夠成立。這樣一來，芝諾悖論便不攻自破了。量子論告訴我們，無限分割的概念是一種數學上的理想，而不可能在現實中實現。一切都是不連續的，連續性的美好藍圖，其實不過是我們的一種想像。 五 我們的故事說到這裡，如果給大家留下這麼一個印象，就是量子論天生有著救世主的氣質，它一出世就像閃電劃破夜空，引起眾人的驚歎及歡呼，並摧枯拉朽般地打破舊世界的體系。如果是這樣的話，那麼筆者表示抱歉，因為事實遠遠並非如此。 我們再回過頭來看看物理史上的偉大理論：牛頓的體系閃耀著神聖不可侵犯的光輝，從誕生的那刻起便有著一種天上地下唯我獨尊的氣魄。麥克斯韋的方程組簡潔深刻，傾倒眾生，被譽為上帝譜寫的詩歌。愛因斯坦的相對論雖然是平民出身，但骨子卻繼承著經典體系的貴族優雅氣質，它的光芒稍經發掘後便立即照亮了整個時代。這些理論，它們的成功都是近乎壓倒性的，天命所歸，不可抗拒。而偉人們的個人天才和魅力，則更加為其抹上了高貴而驕傲的色彩。但量子論卻不同，量子論的成長史，更像是一部艱難的探索史，其中的每一步，都充滿了陷阱、荊棘和迷霧。量子的誕生伴隨著巨大的陣痛，它的命運註定了將要起伏而多舛。量子論的思想是如此反叛和躁動，以至於它與生俱來地有著一種對抗權貴的平民風格；而它顯示出來的潛在力量又是如此地巨大而近乎無法控制，這一切都使得所有的人都對它懷有深深的懼意。 而在這些懷有戒心的人們中間，最有諷刺意味的就要算量子的創始人：普朗克自己了。作為一個老派的傳統物理學家，普朗克的思想是保守的。雖然在那個決定命運的一九○○年，他鼓起了最大的勇氣做出了量子的革命性假設，但隨後他便為這個離經叛道的思想而深深困擾。在黑體問題上，普朗克孤注一擲想要得到一個積極的結果，但最後匯出的能量不連續性的圖像卻使得他大為吃驚和猶豫，變得畏縮不前起來。 如果能量是量子化的，那麼麥克斯韋的理論便首當其衝站在應當受置疑的地位，這在普朗克看來是不可思議，不可想像的。事實上，普朗克從來不把這當做一個問題，在他看來，量子的假設並不是一個物理真實，而純粹是一個為了方便而引入的假設而已。普朗克壓根也沒有想到，自己的理論在歷史上將會有著多麼大的意義，當後來的一系列事件把這個意義逐漸揭露給他看時，他簡直都不敢相信自己的眼睛，並為此惶恐不安。有人戲稱，普朗克就像是童話裡的那個漁夫，他親手把魔鬼從封印的瓶子裡放了出來，自己卻反而被這個魔鬼嚇了個半死。 有十幾年的時間，量子被自己的創造者所拋棄，不得不流浪四方。普朗克不斷地告誡人們，在引用普朗克常數h的時候，要儘量小心謹慎，不到萬不得已千萬不要胡思亂想。這個思想，一直要到一九一五年，當玻爾的模型取得了空前的成功後，才在普朗克的腦海中扭轉過來。量子論就像神話中的英雄海格力斯（Hercules），一出生就被拋棄在荒野裡，命運更為他安排了重重枷鎖。他的所有榮耀，都要靠自己那非凡的力量和一系列艱難的鬥爭來爭取。作為普朗克本人來說，他從一個革命的創始者而最終走到了時代的反面，沒能在這段振奮人心的歷史中起到更多的積極作用，這無疑是十分遺憾的。在他去世前出版的《科學自傳》中，普朗克曾回憶過他那企圖調和量子與經典理論的徒勞努力，並承認量子的意義要比那時他所能想像的重要得多。 不過，我們並不能因此而否認普朗克在量子論所做出的偉大而決定性的貢獻。有一些觀點可能會認為普朗克只是憑藉了一個巧合般的猜測，一種胡亂的拼湊，一個純粹的運氣才發現了他的黑體方程，進而假設了量子的理論。他只是一個幸運兒，碰巧猜到了那個正確的答案而已。而這個答案究竟意味著什麼，這個答案的內在價值卻不是他能夠回答和挖掘的。但是，幾乎所有的關於普朗克的傳記和研究都會告訴我們，雖然普朗克的公式在很大程度上是經驗主義的，但是一切證據都表明，他已經充分地對這個答案做好了準備。一九○○年，普朗克在黑體研究方面已經浸淫了六年，做好了理論上突破的一切準備工作。其實在當時，他自己已經很清楚，經典的電磁理論已經無法解釋實驗結果，必須引入熱力學解釋。而這樣一來，輻射能量的不連續性已經是一個不可避免的結果。這個概念其實早已在他的腦海中成形，雖然可能普朗克本人沒有清楚地意識到這一點，或者不肯承認這一點，但這個思想在他的潛意識中其實已經相當成熟，呼之欲出了。正因為如此，他才能在匯出方程後的短短時間裡，以最敏銳的直覺指出蘊含在其中的那個無價的假設。普朗克以一種那個時代非常難得的開創性態度來對待黑體的難題，他為後來的人打開了一扇通往全新未知世界的大門。無論從哪個角度來看，這樣的偉大工作，其意義都是不能低估的。 而普朗克的保守態度也並不是偶然的。實在是量子的思想太驚人，太過於革命。從量子論的成長歷史來看，有著這樣一個怪圈：科學巨人們參與了推動它的工作，卻終於因為不能接受它驚世駭俗的解釋而紛紛站到了保守的一方去。在這個名單上，除了普朗克，更有閃閃發光的瑞利、湯姆遜、愛因斯坦、德布羅意，乃至薛定諤。這些不僅是物理史上最偉大的名字，好多更是量子論本身的開創者和關鍵人物。量子就在同它自身創建者的鬥爭中成長起來，每一步都邁得艱難而痛苦不堪。我們會在以後的章節中，詳細地去觀察這些激烈的思想衝擊和觀念碰撞。不過，正是這樣的磨礪，才使得一部量子史話顯得如此波瀾壯闊，激動人心，也使得量子論本身更加顯出它的不朽光輝來。量子論不像牛頓力學或者愛因斯坦相對論，它的身上沒有天才的個人標籤，相反，整整一代精英共同促成了它的光榮。 作為老派科學家的代表，普朗克的科學精神和人格力量無疑是可敬的。在納粹統治期間，正是普朗克的努力，才使得許多猶太裔的科學家得到保護，得以繼續工作。但是，量子論這個精靈蹦跳在時代的最前緣，它需要最有銳氣的頭腦和最富有創見的思想來啟動它的靈氣。二十世紀初，物理的天空中已是黑雲壓城，每一升空氣似乎都在激烈地對流和振盪。一個偉大的時代需要偉大的人物，有史以來最出色和最富激情的一代物理學家便在這亂世的前夕成長起來。 一九○○年十二月十四日，普朗克在柏林宣讀了他關於黑體輻射的論文，宣告了量子的誕生。那一年他四十二歲。 就在那一年，一個名叫阿爾伯特．愛因斯坦（Albert Einstein）的青年從蘇黎世聯邦工業大學（ETH）畢業，正在為將來的生活發愁。他在大學裡曠了無窮多的課，以致他的教授閔可夫斯基（Minkowski）憤憤地罵他是懶狗。沒有一個人肯留他在校做理論或者實驗方面的工作，一個失業的黯淡前途正等待著這位不修邊幅的年輕人。 在丹麥，十五歲的尼爾斯．玻爾（Niels Bohr）正在哥本哈根的中學裡讀書。玻爾有著好動的性格，每次打架或爭論，總是少不了他。學習方面，他在數學和科學方面顯示出了非凡的天才，但是他的笨拙的口齒和慘不忍睹的作文卻是全校有名的笑柄。特別是作文最後的總結（conclusion），往往使得玻爾頭痛半天，在他看來，這種總結是無意義的重複而已。有一次他寫一篇關於金屬的論文，最後總結道：In conclusion，I would like to mention uranium（總而言之，我想說的是鈾）。 埃爾文．薛定諤（Erwin Schrodinger）比玻爾小兩歲，當時在維也納的一間著名的高級中學Akademisches Gymnasium上學。這間中學也是物理前輩玻爾茲曼，著名劇作家施尼茨勒（Arthur Schnitzler）和齊威格（Stefanie Zweig）的母校。對於剛入校的學生來說，拉丁文是最重要的功課，每週要占八個小時，而數學和物理只用三個小時。不過對薛定諤來說一切都是小菜一碟，他熱愛古文、戲劇和歷史，每次在班上都是第一。小埃爾文長得非常帥氣，穿上禮服和緊身褲，儼然一個翩翩小公子，這也使得他非常受到歡迎。 馬克斯．波恩（Max Born）和薛定諤有著相似的教育背景，經過了家庭教育，高級中學的過程進入了佈雷斯勞大學（這也是當時德國和奧地利中上層家庭的普遍做法）。不過相比薛定諤來說，波恩並不怎麼喜歡拉丁文，甚至不怎麼喜歡代數，儘管他對數學的看法後來在大學裡得到了改變。他那時瘋狂地喜歡上了天文，夢想著將來成為一個天文學家。 路易士．德布羅意（Louis de Broglie）當時八歲，正在他那顯赫的貴族家庭裡接受良好的幼年教育。他對歷史表現出濃厚的興趣，並樂意把自己的時間花在這上面。 沃爾夫岡．恩斯特．泡利（Wolfgang Ernst Pauli）才出生八個月，可憐的小傢伙似乎一出世就和科學結緣。他的middle name，Ernst，就是因為他父親崇拜著名的科學家恩斯特．馬赫（Ernst Mach）才給他取的。 而再過十二個月，維爾茲堡（Wurzberg）的一位著名希臘文獻教授就要喜滋滋地看著他的寶貝兒子小海森堡（Werner Karl Heisenberg）呱呱墜地。稍早前，羅馬的一位公務員把他的孩子命名為恩里科．費米（Enrico Fermi）。二十個月後，保羅．狄拉克（Paul Dirac）也將出生在英國的布里斯托爾港。 好，演員到齊。那麼，好戲也該上演了。