群星闪耀:量子物理史话
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1.3 量子小妖精,开辟新天地

普朗克(图1-4)当然不会满足这种内插法带来的表面符合,他追求的是更深一层的“所以然”!研究物理多年的思维方法告诉他:新曲线与实验如此吻合,背后一定有它目前不为人知的逻辑道理。他并不认为他正在敲击一扇通往新天地的大门,而是虔诚地相信,自然界的规律是可知的,科学将引导人们解释它。虔诚的科学信徒,只是虔诚地沿着科学指引的道路走下去,非功非利,如此而已!

图1-4 传统物理学家普朗克

不过,他走着走着,时而兴奋,又时而迷惑。兴奋的是他发现有一种物理解释可以使他用理论推导出那条正确的曲线!真是太好了,不需要用实验数据来进行那该死的“内插”,而是纯粹从理论可以推导出一个与实验一致的结果。

但是,这种物理解释使他迷惑,因为需要将黑体空腔器壁上的原子谐振子的能量,还有这些谐振子与腔内电磁波交换的能量,都解释成一份一份的。简单地用现在的物理术语解释,就是说黑体辐射的能量不是连续的,而是“量子化”的。

量子化理论产生的最后结果,使式(1-1)中的两个参数C1C2,变换成了另外两个参数kh

其中的k是熟知的玻尔兹曼常数,h是什么呢?这是一个前所未有的新常数,后人称之为“普朗克常数”。

然后,与对待参数C1C2类似的方法,普朗克用从量子化理论推导的公式,拟合当时颇为精确的黑体辐射实验数据,得到h=6.55×10-34J·s,玻尔兹曼常数k=1.346×10-23J/K,这两个数值与现代值分别相差1%和2.5%。基于100多年前的理论推导和测量技术,这两个数值已经可以算是很精确了。

那年,1900年,著名物理学家开尔文男爵发表了他的著名演讲,提到物理学阳光灿烂的天空中漂浮着的“两朵小乌云”,黑体辐射是其中之一。

当时的普朗克对这个新常数,也就是普朗克常数h不甚了解。尽管不希望承认“量子化”能量的概念,但他心想:如此一个小量,难道会是一个妖精吗?42岁的普朗克,天性平和保守,反对怀疑和冒险,但这次他面对一个两难局面。他战战兢兢地抬头望天,身边放着他完成了的论文,就像是童话故事中潘多拉的魔法盒子!这里面藏着的小妖精该不该放出来呢?也许它能解决经典物理中的某些问题,驱除乌云,恢复蓝天!也许它将如同石头缝里蹦出的孙猴子,挥动金箍棒,将世界搅个地覆天翻?

普朗克不愿意释放一个怪物出来扰乱世界,但又不甘心将自己斗争了6年的科学成果束之高阁。妖精总是要出来的,天意不可违啊!最后,普朗克决定不惜任何代价孤注一掷。1900年12月14日,普朗克在柏林科学院报告了他的黑体辐射研究成果,这个日子后来被定为量子力学之诞辰。从此之后,魔盒被打开,标志着量子力学范畴的这个妖精(h)就此诞生了[1]

其实当时,普朗克的报告尚未引起广泛的注意,人们的思维具有惯性效应,总会产生时间延迟,科学家群体也难免。但只有普朗克自己,被自己释放出来的小妖精扰得诚惶诚恐、坐卧不安。他在提出了量子论之后的多年,竟然都在尝试推翻自己的理论。世界应该是连续的啊,怎么会像楼梯那样一格一格地跳呢?莱布尼茨就说过,“自然界无跳跃”。普朗克也如此认为,因此,他总想不用量子化的假设也可以得到同样的结果来解释黑体辐射。妖怪放出来了,又想把它押回去关起来,谈何容易!普朗克努力多年未果,最后只好承认妖精的存在,也对一般的科学质疑发表了几句似是而非的话:

“要接受一个新的科学真理,并不用说服它的反对者,而是等到反对者们都相继死去,新的一代从一开始便清楚地明白这一真理。”

普朗克常数h引出的量子故事还长着呢,我们暂且打住,回到量子之父其人。