数理化通俗演义：第68章 晴空里飘来一朵乌云 死水上吹起一阵清风（1）

第68章 晴空里飘来一朵乌云 死水上吹起一阵清风

——量子论的产生(1)

上回说到卢瑟福和他的助手们造出原子捣碎机，一步步地向原子内部进军。

这卢瑟福是个伟大的实验物理学家，在他的面前没有解决不了的难题。他特别强调实验，他喜欢引用波义耳的一句话：真正的科学就是旨在应用的知识。他还嘲笑一些人整天坐在书斋里，只凭书本上的现成公式来研究科学，说这是一种危险的消遣。有一次甚至说那些理论物理学家们的气焰未免太高了，现在是该我们实验物理学家让他们冷静的时候了。他这些话也未免有点偏颇。其实一门科学的进步，理论和实验是不可缺少的左右腿，它们总是一前一后交替前进，哪能再分高低呢？而卢瑟福在原子实验方面积累了许多事实之后，他万没有想到现在真的需要那些曾被他挖苦过的理论物理学家们来帮忙了。

这事还得从头说起。到19世纪末叶之时，经典物理学大厦经过了从牛顿到麦克斯韦这些大师们的精心设计和建造，真可谓尽善尽美了。大自然中的物理现象也都能用经典理论解释得清清楚楚。可是好景不长，也真怪物理学家们无是生非，不知谁先想出了一个题目，要是一块全黑的物体，它是怎样吸收外来的热量又怎样放出热量的呢？比如一块铁吧，我们可以把它看成近似的黑体，给它加热，它开始吸收热能，铁块会先呈暗红，而黄而白，发出耀眼的光线。这就叫“黑体辐射”。按经典理论，热的辐射和吸收是一个完全连续的过程，就像管子里流出来的一股水，光和辐射热是一种电磁波。这条连续性原理是经典物理学的一块基石。可是那些无是生非的物理学家们终于给自己找来了麻烦，他们用这种理论来解释黑体辐射，无论如何也不能使辐射能量和辐射光谱统一起来。所以，当时代步入20世纪第一个年头时，物理学界的老前辈开尔文在新年祝辞中一面庆贺物理学的新胜利，一面又忧心地提到，天空又出现了两朵乌云，这便是其中之一。

既然辐射能量随温度的升高而增加，于是问题的焦点就是求出能量、温度与波长之间的关系式。英国物理学家瑞利和金斯得到一个公式，它在解释波长较长、温度较高时的黑体辐射现象时还能说得通，但是要把它用于短波的紫外光区，立即出现一个可怕的现象——全部能量老早就在一次性的紫外辐射中散光了。正像我们计算一个10岁孩童的年龄时，误把一月当做一年，结果他早该不在人世了。

这当然是一个纯理论的推断，但却得出一个可怕的结果。物理学家们立即给它起了一个不祥的名字，叫“紫外灾变”。而同时，有一个德国人维恩也推出一个公式。

维恩公式正好相反，它适用于波长较短、温度较低的情况，而对长波的红外区却又是一场“红外灾变”。又好像我们计算一个古稀老人的年龄时，却误以一世纪为一岁，结果他还没有出生呢。但是这两个公式依据的都是经典物理学的同一原理啊，何以如此水火不容呢？

各位读者，说到这里让我们回想一下本书前面曾叙述过的一个实验。按照亚里士多德的说法，物体下落时肯定是重物比轻物的速度快。伽利略不信，1590年他站在斜塔上把一个大球和一个小球同时往下一丢，结果同时落地。他在同守旧分子的辩论中用了一个很好的推理：如果把两个球绑在一起，下落速度可能有两个，一是比大球快，因为两球比一球重；二是两球的平均速度，小球慢，当然要扯大球的后腿。显然这两个结论是矛盾的，但是它们都是根据同一个亚里士多德的原理啊！于是伽利略大胆地喊了一声：亚里士多德错了，只有我的实验才是对的。

现在经典物理学也遇到这个问题，根据同一原理怎么在一个黑体辐射问题上得出了两个相矛盾的结论呢？物理学家们惊呼晴朗的天空出现了一朵乌云（请读者注意以后还会出现一朵）。现在也该有一个不知名的新人物出来，如伽利略那样大喊一声：经典理论错了！并且拿出自己正确的解释。

真是时势造英雄。这个人来了，他就是普朗克（1858—1947）。

普朗克1858年4月23日生于德国的基尔。就在这一年本生和基尔霍夫开始研究光谱分析法，而基尔霍夫也没有想到这个呱呱坠地的婴儿将来就要做他的学生和继承他的教授席位。普朗克少年时代极喜欢音乐，以至于中学毕业后，选择专业时，在音乐和自然科学间犹豫再三，就是到了大学里他还在留恋音乐，并且亲自领导了一支乐队，又是学院合唱团的指挥。这时，在他通向荣誉的大路上又遇到一次小小的干扰，教师坚决反对他专攻理论物理。1924年普朗克在讲演中回忆说：

当我开始研究时，我可敬的老师约里对我描绘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的形式。也许，在某个角落还有一粒尘屑或一个小气泡，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。

幸亏中学和大学的这两次干扰都没有动摇普朗克最终的决心。他21岁时通过了博士论文，他关于热力学方面的研究已开始孕育他将来的新思想。可惜他关于这方面的论文先是被基尔霍夫当做错误观点放在一边，后来他又在物理学会宣读，但全场除一人发言外，其余的人毫无反应，而这一人还是表示反对。关于这件事，他在自己的回忆录里写道：“这是对我那热烈的想像浇了一瓢冷水，我步行回家，抑郁寡欢，但很快就找到了安慰，因为我想：一种好的理论即使没有巧妙的宣传也将会得到承认的。”

普朗克环顾周围无一知音，真是愁闷之极。柏林西郊的格吕内瓦尔德有一片30多平方千米的松林，里面湖泊星罗棋布，煞是安静。普朗克便带上十几岁的儿子到这里散心。儿子当然更不懂他这高深的理论，但是他还是滔滔不绝地说着自己的想法，并扯下一根松枝，狠狠地一折两截，大声说道：“我现在发现的那个东西，要么荒诞无稽，要么也许是牛顿以来物理学上最伟大的发现之一。”但是，除了微风吹动树叶掠过湖面之外，松林间再无一点儿声音。那些粗大的松树矗立着，俯视着这个奇怪的不速之客。普朗克腿一软，颓然靠在树根，呆呆地看着湖面上由近而远的一层层的波纹。

正是：

不到清明不下雨，不遇春风不吐芽。

时机未到且等待，有苞必定会有花。