爱因斯坦(5)

五

　　德国物理学家普朗克长期从事热力学的研究。1899年，他从热力学推导出维恩公式。但当他得知维恩公式在长波区与实验结果有很大偏离，而1900年瑞利提出的公式仅在长波部分与实验结果相符，在短波部分却又失效时，便立即尝试用内插片去建立新的辐射公式，使其在长波区和短波区分别同瑞利公式和维恩公式相一致。当时他得到的新公式被称为普朗克公式：

　　1900年10月19日普朗克在德国物理学会上公布了自己的公式。德国的物理学家鲁本斯当晚就把普朗克公式同自己的实验数据作了比较，发现两者完全符合，第二天就把这个比较结果告诉了普朗克。普朗克听到这个消息很受鼓舞，认为自己的公式同实验结果符合得如此之好绝非偶然，“如果可以把它仅仅看作是一个侥幸揣测出的内插公式，那么它的价值也只是有限的。由于这个缘故，从它于10月19日被提出之日起，我即致力于找出这个等式的真正物理意义”。

　　为了揭开这个谜，普朗克进行了艰巨而深入的研究工作。以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为基础的经典物理学的所有方法，他都试过了，都失败了。经过56天的紧张探索，他终于发现，这个关系式之所以不能从经典物理的理论推导出来，根本原因是经典物理关于能量均分的原理建立在电磁辐射能量连续的观念上，只要作一个简单的假设，一切问题就会迎刃而解。于是他果敢地放弃了经典物理的概念，而提出了一个截然不同的新概念，并以此为基础构筑了一个新的科学假说。

　　在这之后的一个深秋的夜晚，普朗克教授像往常一样在别墅附近的树林里散步，他向陪着他散步的儿子说：“今天，我作出了一个假设，它和牛顿的发现一样重要。”教授说完这句话，两手一摆，显得非常遗憾。他的声音有点激动，这是很少有的。教授激动，倒不是因为研究有了进展，而是因为这个假设事关重大：它和现有的全部物理学观念格格不入。而且他受过严格的经典物理学的训练，他太爱牛顿，太爱经典物理理论了。

　　1900年12月14日，普朗克在柏林的物理学例会上，发表了题为《正常谱中的能量分布法则的理论》的论文，报告了自己的研究成果。普朗克在假说中设想，物质中具有振动着的带电粒子，称线性谐振子。由于谐振子带电，所以能与周围的电场交换能量。他提出，谐振子在交换能量的过程中，它吸收或发射的能量不是连续的，而只能是一份一份地进行。这一份一份的能量是一个最小能量单元的整数倍。这个最小的、不可再分的能量单元称为能量子，它的数值为用量子，后来叫做普朗克常数，它是微观世界的基本标志。根据这个假定，普朗克胜利地从理论上推出了普朗克公式。

　　由于普朗克对他的经验公式所作的推导和论证，其立论根据与经典物理相违背，所以当他宣布这一发现时，大多数科学家投之以冷淡的一笑。普朗克当时似乎也并不了解自己新发现的深远意义，用他后来的话说，这不过是“孤注一掷的行动”，“实际上并没有对它想得太多”。令人深思的是，他的假设是大胆的，但他的基本思想又偏于保守，他并没有把他的新概念、新理论坚持下去，在往后整整14年里，几度观望徘徊，多次力图削足适履，重新把他的新理论纳入经典的范围，只是最后才不得不坚信量子假说的正确性。

　　虽然普朗克在量子理论问题上有过徘徊甚至倒退，然而量子概念的革命意义是巨大的，它标志着一个伟大的时代——量子物理学的时代的到来。普朗克的历史功绩是不朽的。

　　光的微粒说与波动说之争

　　在普朗克提出量子假设之后，有四年多的时间，似乎并未引起人们的兴趣。然而在伯尔尼的瑞士专利局工作的年轻职员爱因斯坦，一看到普朗克的论文，就敏锐地看到了量子概念所隐含的普遍意义。1905年3月，正当普朗克犹豫彷徨之际，爱因斯坦就写了一篇题为《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》的论文。在这篇论文中，他把普朗克针对谐振子能量所作的量子假设大胆地引进光辐射的研究中去。爱因斯坦在思想方法上没有任何保守性，他很少顾及权威和因袭的教条，因而进一步发展了普朗克的思想，迈出了勇敢的一步。他认识到，正确运用普朗克的假说，光的理论便会焕然一新。

　　在光的理论方面，从17世纪以来就交织着牛顿的微粒说和惠更斯的波动说之间的斗争。牛顿在其第一部完整的光学著作《光学》中提出，光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流。他用光的微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于牛顿的微粒说简单，又能通俗地解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。然而光的微粒说在解释某些光学现象时也遇到了困难。比如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前进，为什么光线并不是永远都走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播。

　　为了解释这些现象，与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯提出了与微粒说相对立的波动说。他把光和声波、水波相类比，认为光是一种机械波动，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播。波动说不但对上述困扰微粒说的问题给出了解释，而且也解释了光的反射和折射现象。两种学说各有物理事实的支持，互不相让。然而由于波动说当时还很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以并未得到广泛的拥护。加上牛顿权威的影响，微粒说在19世纪之前一直占上风，并几乎使得波动说在很长时间内销声匿迹。

　　19世纪初，英国物理学家托马斯·扬在暗室中做了一个举世闻名的光的干涉实验；而法国物理学家菲涅耳也设计了一个实验证实了光的衍射现象。这两个著名实验的成功，证明光确实是一种波，它只有用波动说才能解释，而微粒说对此则无能为力。

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