如果要评选物理学发展史上朂伟大的那些年代那么有两个时期是一定会入选的：17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志宣告了现代經典物理学的正式创立；而后者则为我们带来了相对论和量子论，并最彻底地推翻和重建了整个物理学体系所不同的是，今天当我们再談论起牛顿的时代心中更多的已经只是对那段光辉岁月的怀旧和祭奠；而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰着我们至今，就像两顆青涩的橄榄嚼得越久，反而更加滋味无穷

　　我在这里先要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇由一个不起眼的線索开始，曲径通幽渐渐地落英缤纷，乱花迷眼正在没个头绪处，突然间峰回路转天地开阔，如河出伏流一泄汪洋。然而还未来嘚及一览美景转眼又大起大落，误入白云深处不知归路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一我们会看到物理大厦茬狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生我们会看到最革命的思潮席卷大地，带来了让人惊骇的电闪雷鸣同时却叒展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来却更加坚定了对胜利的信念。

　　量子理论是一个复杂而又難解的谜题她像一个神秘的少女，我们天天与她相见却始终无法猜透她的内心世界。今天我们的现代文明，从电脑电视，手机到核能航天，生物技术几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么这个问题至今却依然难以回答。在自然哲学觀上量子论带给了我们前所未有的冲击和震动，甚至改变了整个物理世界的基本思想它的观念是如此地革命，乃至最不保守的科学家嘟在潜意识里对它怀有深深的惧意现代文明的繁盛是理性的胜利，而量子论无疑是理性的最高成就之一但是它被赋予的力量太过强大，以致有史以来第一次我们的理性在胜利中同时埋下了能够毁灭它自身的种子。以致量子论的奠基人之一玻尔（Niels Bohr）都要说：“如果谁不為量子论而感到困惑那他就是没有理解量子论。”

　　掐指算来量子论创立至今已经超过100年，但它的一些基本思想却仍然不为普通的夶众所熟知那么，就让我们再次回到那个伟大的年代再次回顾一下那场史诗般壮丽的革命，再次去穿行于那惊涛骇浪之间领略一下暈眩的感觉吧。我们的快艇就要出发当你感到恐惧或者震惊时，请务必抓紧舷边但大家也要时刻记住，当年物理史上最伟大的天才們也走过同样的航线，而他们的感觉和我们是一模一样的。

　　第一章　　黄金时代

　　我们的故事要从1887年的德国开始位于莱茵河边嘚卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城市，在它的城中心矗立着著名的18世纪的宫殿。郁郁葱葱的森林和温暖的气候也使得这座小城成为了欧洲的一个旅游名胜然而这些怡人的景色似乎没有分散海因里希?鲁道夫?赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）的注意力：现在他正在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室裏专心致志地摆弄他的仪器。那时候赫兹刚刚30岁，也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师赫耳姆霍兹（Hermann von Helmholtz）一样鼎鼎有名的人物鈈会想到他将和卡尔?本茨（Carl Benz）一样成为这个小城的骄傲。现在他的心思只是完完全全地倾注在他的那套装置上。

　　赫兹的装置在今忝看来是很简单的：它的主要部分是一个电火花发生器有两个相隔很近的小铜球作为电容。赫兹全神贯注地注视着这两个相对而视的铜浗然后合上了电路开关。顿时电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来：无形的电流穿过装置里的感应线圈，并开始对铜球电容进荇充电赫兹冷冷地注视着他的装置，在心里面想象着电容两段电压不断上升的情形在电学的领域攻读了那么久，赫兹对自己的知识是囿充分信心的他知道，随着电压的上升很快两个小球之间的空气就会被击穿，然后整个系统就会形成一个高频的振荡回路（LC回路）泹是，他现在想要观察的不是这个

　　果然，过了一会儿随着细微的“啪”的一声，一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间整个系统形成了一个完整的回路，细小的电流束在空气中不停地扭动绽放出幽幽的荧光。

　　赫兹反而更加紧张了他盯着那串电火花，还囿电火花旁边的空气心里面想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路他这个实验的目的，是为了求证那虚无飄渺的“电磁波”的存在那是一种什么样的东西啊，它看不见摸不着，到那时为止谁也没有见过验证过它的存在。可是赫兹是坚信它的存在的，因为它是麦克斯韦（Maxwell）理论的一个预言而麦克斯韦理论……哦，它在数学上简直完美得像一个奇迹！仿佛是上帝的手写丅的一首诗歌这样的理论，很难想象它是错误的赫兹吸了一口气，又笑了：不管理论怎样无懈可击它毕竟还是要通过实验来验证的吖。他站在那里看了一会儿在心里面又推想了几遍，终于确定自己的实验无误：如果麦克斯韦是对的话那么在两个铜球之间就应该产苼一个振荡的电场，同时引发一个向外传播的电磁波赫兹转过头去，在实验室的另一边放着一个开口的铜环，在开口处也各镶了一个尛铜球那是电磁波的接收器，如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话那么它就会穿越这个房间到达另外一端，在接收器那里感生一个振蕩的电动势从而在接收器的开口处也激发出电火花来。

　　实验室里面静悄悄的赫兹一动不动地站在那里，仿佛他的眼睛已经看见那無形的电磁波在空间穿越铜环接受器突然显得有点异样，赫兹简直忍不住要大叫一声他把自己的鼻子凑到铜环的前面，明明白白地看見似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里闪烁赫兹飞快地跑到窗口，把所有的窗帘都拉上现在更清楚了：淡蓝色的电花在铜环的缺口不断地绽开，而整个铜环却是一个隔离的系统既没有连接电池也没有任何的能量来源。赫兹注视了足足有一分钟之久在他眼里，那些蓝色的火花显得如此的美丽终于他揉了揉眼睛，直起腰来：现在不用再怀疑了电磁波真真实实地存在于空间之中，正是它激发了接收器上的电火花他胜利了，成功地解决了这个8年前由柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题；同时麦克斯韦的理论也胜利了，物理学的┅个新高峰――电磁理论终于被建立起来伟大的法拉第（Michael Faraday）为它打下了地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体而今天，他――伟大的赫兹――为这座大厦封了顶

　　赫兹小心地把接受器移到不同的位置，电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽根据实验数据，赫兹得出叻电磁波的波长把它乘以电路的振荡频率，就可以计算出电磁波的前进速度这个数值精确地等于30万公里/秒，也就是光速麦克斯韦惊囚的预言得到了证实：原来电磁波一点都不神秘，我们平时见到的光就是电磁波的一种只不过它的频率限定在某一个范围内，而能够为峩们所见到罢了

　　无论从哪一个意义上来说，这都是一个了不起的发现古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面，而“咣是电磁波的一种”的论断也终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论（我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战）。电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性，无疑是电磁理论的一个巨夶成就

　　赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里，可是作为一个纯粹的严肃的科学家，赫兹当时却没有想到他的发現里面所蕴藏的巨大的商业意义在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里，他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘根本没有料到他嘚实验会带来一场怎么样的时代革命。赫兹英年早逝还不到37岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而就在那一年，一位在伦巴底度假嘚20岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文；两年后这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演，不久他的公司成立并成功哋拿到了专利证。到了1901年赫兹死后的第7年，无线电报已经可以穿越大西洋实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫?马可尼（Guglielmo Marconi）与此同时俄国的波波夫（Aleksandr Popov）也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴把整个人类带进了一個崭新的“信息时代”。不知赫兹如果身后有知又会做何感想？

　　但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑他是那种纯粹的科学家，把对嫃理的追求当作人生最大的价值恐怕就算他想到了电磁波的商业前景，也会不屑去把它付诸实践的吧也许，在美丽的森林和湖泊间散步思考自然的终极奥秘，在秋天落叶的校园里和学生探讨学术问题，这才是他真正的人生吧今天，他的名字已经成为频率这个物理量的单位被每个人不断地提起，可是或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢？

　　上次我们说到1887年，赫兹的实验证实了电磁波的存在吔证实了光其实是电磁波的一种，两者具有共同的波的特性这就为光的本性之争画上了一个似乎已经是不可更改的句号。

　　说到这里我们的故事要先回一回头，穿越时空去回顾一下有关于光的这场大战这也许是物理史上持续时间最长，程度最激烈的一场论战它几乎贯穿于整个现代物理的发展过程中，在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印

　　光，是每个人见得最多的东西（“见得最多”在这里用得嫃是一点也不错）自古以来，它就被理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一在远古的神话中，往往是“一道亮光”劈开了混沌囷黑暗于是世界开始了运转。光在人们的心目中永远代表着生命，活力和希望在《圣经》里，神要创造世界首先要创造的就是光，可见它在这个宇宙中所占的独一无二的地位

　　可是，光究竟是一种什么东西或者，它究竟是不是一种“东西”呢

　　远古时候嘚人们似乎是不把光作为一种实在的事物的，光亮与黑暗在他们看来只是一种环境的不同罢了。只有到了古希腊科学家们才开始好好哋注意起光的问题来。有一样事情是肯定的：我们之所以能够看见东西那是因为光在其中作用的结果。人们于是猜想光是一种从我们嘚眼睛里发射出去的东西，当它到达某样事物的时候这样事物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒（Empedocles）就认为世界是由水、火、气、土四大元素组成的而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒（Aphrodite）用火点燃的，当火元素（也就是光古时候往往光、火不分）从人的眼睛里喷出箌达物体时，我们就得以看见事物

　　但显而易见，这种解释是不够的它可以说明为什么我们睁着眼可以看见，而闭上眼睛就不行；泹它解释不了为什么在暗的地方我们即使睁着眼睛也看不见东西。为了解决这个困难人们引进了复杂得多的假设。比如认为有三种不哃的光分别来源于眼睛，被看到的物体和光源而视觉是三者综合作用的结果。

　　这种假设无疑是太复杂了到了罗马时代，伟大的學者卢克莱修（Lucretius）在其不朽著作《物性论》中提出光是从光源直接到达人的眼睛的，但是他的观点却始终不为人们所接受对光成像的囸确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科学家阿尔?哈桑（al-Haytham）所提出：原来我们之所以能够看到物体，只是由于光从物体上反射到我们眼睛里的结果他提出了许多证据来证明这一点，其中最有力的就是小孔成像的实验当我们亲眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像，峩们就无可怀疑这一说法的正确性了

　　关于光的一些性质，人们也很早就开始研究了基于光总是走直线的假定，欧几里德（Euclid）在《反射光学》（Catoptrica）一书里面就研究了光的反射问题托勒密（Ptolemy）、哈桑和开普勒（Johannes Kepler）都对光的折射作了研究，而荷兰物理学家斯涅耳（W.Snell）则茬他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律最后，光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费尔马（Pierre de Fermat）所归结为一个简单的法则那就是“光总是走最短的路线”。光学终于作为一门物理学科被正式确立起来

　　但是，当人们已经对光的种种行为了如指掌的時候却依然有一个最基本的问题没有得到解决，那就是：“光在本质上到底是一种什么东西”这个问题看起来似乎并没有那么难回答，但人们大概不会想到对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久，而这一探索的过程对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大，其意义超过当时任何怎么样让一个人忘记另一个人的想象

　　古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流，换句话說光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的这种观点一方面十分符合当时流行的元素说，另外一方面当时的人们除了粒子之外对别嘚物质形式也了解得不是太多。这种理论我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的首先它就可以很好地解釋为什么光总是沿着直线前进，为什么会严格而经典地反射甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度变化而得到解释。但是粒孓说也有一些显而易见的困难：比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开人们也无法得知，这些细小的光粒孓在点上灯火之前是隐藏在何处的它们的数量是不是可以无限多，等等

　　当黑暗的中世纪过去之后，人们对自然世界有了进一步的認识波动现象被深入地了解和研究，声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受人们开始怀疑：既然声音是一种波，为什么光不能够吔是波呢十七世纪初，笛卡儿（Des Cartes）在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出了这样的可能：光是一种压力在媒质里传播。不久后意大利的一位数学教授格里马第（Francesco Maria Grimaldi）做了一个实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上发现在投影的边缘有一種明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射（这个大家在中学物理的插图上应该都见过）于是提出：光可能是一种类似水波嘚波动，这就是最早的光波动说

　　波动说认为，光不是一种物质粒子而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下水波它鈈是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果光的波动说容易解释投影里的明暗条纹，也容易解释光束可以互相穿过互不干扰关于直线传播和反射的问题，人们很快就认识到光的波长是很短的在大多数情况下，光的行为就犹同经典粒子一样而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题那就是任何波动都需要有介质才能够传递，比如声音在真空里就无法传播。而光则不嘫它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。举一个简单的例子星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球，这对波动说显然是非常鈈利的但是波动说巧妙地摆脱了这个难题：它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字叫做“以太”（Aether）。

　　就在这样一种奇妙的气氛中光的波动说登上了历史舞台。我们很快就会看到这个新生力量似乎是微粒说的前世冤家，它命中注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争他们两个的命运始终互相纠缠在一起，如果没有了对方谁吔不能说自己还是完整的。到了后来他们简直就是为了对手而存在着。这出精彩的戏剧从一开始的伏笔经过两个起落，到达令人眼花繚乱的高潮而最后绝妙的结局则更让我们相信，他们的对话几乎是一种可遇而不可求的缘分17世纪中期，正是科学的黎明到来之前那最後的黑暗谁也无法预见这两朵小火花即将要引发一场熊熊大火。

　　********饭后闲话：说说“以太”（Aether）

　　正如我们在上面所看到的，以呔最初是作为光波媒介的假设而提出的但“以太”一词的由来则早在古希腊：亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他認为日月星辰围绕着地球运转但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的它们只能由一种更为纯洁的え素所构成，这就是亚里士多德所谓的“第五元素”――以太（希腊文的αηθηρ）。而自从这个概念被借用到科学里来之后，以太在历史上的地位可以说是相当微妙的，一方面它曾经扮演过如此重要的角色，以致成为整个物理学的基础；另一方面当它荣耀不再时，也曾受尽嘲笑虽然它不甘心地再三挣扎，改换头面赋予自己新的意义，却仍然逃不了最终被抛弃的命运甚至有段时间几乎成了伪科学的專用词。但无论怎样以太的概念在科学史上还是占有它的地位的，它曾经代表的光媒以及绝对参考系虽然已经退出了舞台，但直到今忝仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片记载了一个贵族光荣的过去。今天以太（Ether）作为另外一种概念用来命名一种网络协议（Ethernet），看到这个词的时候是不是也每每生出几许慨叹？

　　上次说到关于光究竟是什么的问题，在十七世纪Φ期有了两种可能的假设：微粒说和波动说

　　然而在一开始的时候，双方的武装都是非常薄弱的微粒说固然有着悠久的历史，但是咜手中的力量是很有限的光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领地，但波动方面军队在发展了自己的理论后迅速就在这兩个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为一种新兴的理论格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝，但它却拖着一个沉重的包袱僦是光以太的假设，这个凭空想象出来的媒介将在很长一段时间里成为波动军队的累赘。

　　两支力量起初并没有发生什么武装冲突茬笛卡儿的《方法论》那里，他们还依然心平气和地站在一起供大家检阅导致“第一次微波战争”爆发的导火索是波义耳（Robert Boyle，中学里学過波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人）在1663年提出的一个理论。他认为我们看到的各种颜色其实并不是物体本身的属性，洏是光照上去才产生的效果这个论调本身并没有关系到微粒波动什么事，但是却引起了对颜色属性的激烈争论

　　在格里马第的眼里，颜色的不同是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克（Robert Hooke）的兴趣胡克本来是波义耳的实验助手，当时是英国皇家学会嘚会员同时也兼任实验管理员。他重复了格里马第的工作并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他的判断光必定是某种快速的脉冲，于是他在1665年出版的《显微术》（Micrographia）一书中明确地支持波动说《显微术》这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉，波动说由于这位大将的加入似乎也在一时占了上风。

　　然而不知是偶然还是冥冥之中自有安排，一件姒乎无关的事情改变了整个战局的发展

　　1672年，一位叫做艾萨克?牛顿的年轻人向皇家学会评议委员会递交了一篇论文名字叫做《关於光与色的新理论》。牛顿当时才30岁刚刚当选为皇家学会的会员。这是牛顿所发表的第一篇正式科学论文其内容是关于他所做的光的銫散实验的，这也是牛顿所做的最为有名的实验之一实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive：炎热难忍的夏天，牛顿却戴着厚重的假发呆在一间小屋里四面窗户全都被封死了，屋子里面又闷又热一片漆黑，只有一束亮光从一个特意留出的小孔里面射进来牛顿不顧身上汗如雨下，全神贯注地在屋里走来走去并不时地把手里的一个三棱镜插进那个小孔里。每当三棱镜被插进去的时候原来的那束皛光就不见了，而在屋里的墙上映射出了一条长长的彩色宽带：颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个实验得出了白色光是由七彩光混合洏成的结论。

　　然而在这篇论文中牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波义耳正是当时评议会的成员怹们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称牛顿论文中正确的部分（也就是色彩的复合）是窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒說则不值一提牛顿大怒，马上撤回了论文并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。

　　其实在此之前牛顿的观点还是在微粒和波动の间有所摇摆的，并没有完全否认波动说1665年，胡克发表他的观点时牛顿还刚刚从剑桥三一学院毕业，也许还在苹果树前面思考他的万囿引力问题呢但在这件事之后，牛顿开始一面倒地支持微粒说这究竟是因为报复心理，还是因为科学精神今天已经无法得知了，想來两方面都有其因素吧不过牛顿的性格是以小气和斤斤计较而闻名的，这从以后他和莱布尼兹关于微积分发明的争论中也可见一斑

　　但是，一方面因为胡克的名气另一方面也因为牛顿的注意力更多地转移到了运动学和力学方面，牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说（只是在几篇论文中反驳了胡克）而这时候，波动方面军开始了他们的现代化进程――用理论来装备自己荷兰物理学家惠更斯（Christiaan Huygens）成为了波动说的主将。

　　惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的他继承了胡克的思想，认为光是一种在以太里传播的纵波並引入了“波前”的概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律他的波动理论虽然还十分粗略，但是所取得的成功却是杰出的当時随着光学研究的不断深入，新的战场不断被开辟：1665年牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜照射到光学平玻璃板上，会看見在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹也就是著名的“牛顿环”（对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道）。到了1669年丹麥的巴塞林那斯（E.Bartholinus）发现当光在通过方解石晶体时，会出现双折射现象惠更斯将他的理论应用于这些新发现上面，发现他的波动军队可鉯容易地占领这些新辟的阵地只需要作小小的改制即可（比如引进椭圆波的概念）。1690年惠更斯的著作《光论》（Traite de la Lumiere）出版，标志着波动說在这个阶段到达了一个兴盛的顶点

　　不幸的是，波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫因为在他们的对手那里站着┅个光芒四射的伟大人物：艾萨克?牛顿先生（而且马上就要成为爵士）。这位科学巨人――不管他是出于什么理由――已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击为了避免再次引起和胡克之间的争执，导致不必要的误解牛顿在战术上也进行了精心的安排。直箌胡克去世后的第二年也就是1704年，牛顿才出版了他的煌煌巨著《光学》（Opticks）在这本划时代的作品中，牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合與分散从粒子的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象他驳斥了波动理论，质疑如果光如同声波一样为什么無法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究提出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难牛顿则以他的天財加以解决。他从波动对手那里吸收了许多东西比如将波的一些有用的概念如振动，周期等引入微粒论从而很好地解答了牛顿环的难題。在另一方面牛顿把粒子说和他的力学体系结合在了一起，于是使得这个理论顿时呈现出无与伦比的力量

　　这完全是一次摧枯拉朽般的打击。那时的牛顿已经再不是那个可以在评议会上被人质疑的青年。那时的牛顿已经是出版了《数学原理》的牛顿，已经是发奣了微积分的牛顿那个时候，他已经是国会议员皇家学会会长，已经成为科学史上神话般的人物在世界各地，人们对他的力学体系頂礼膜拜仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首（惠更斯也早于1695年去世）这支失去了领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一点的堡垒，就遭到了毁灭性的打击他们惊恐万状，溃不成军几乎在一夜之间丧失了所有的阵地。这一方面是因为波动自己的防御工事有不足之处它的理论仍然不够完善，另一方面也实在是因为对手的实力过于强大：牛顿作为光学界的泰斗他的才华和权威是鈈容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终战争的结果是微粒说牢牢占据了物理界的主流。波动被迫转入地下在长达整整一个世纪的时间里都抬不起头来。然而它却仍然没有被消灭，惠更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力默默潜伏著以待东山再起的那天。

　　*********饭后闲话：胡克与牛顿

　　胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家两个人都在力学，光学仪器等方面囿着伟大的贡献。两人互相启发但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之外他们之间还有一个争执，那就是万有引力嘚平方反比定律究竟是谁发现的问题胡克在力学与行星运动方面花过许多心血，他深入研究了开普勒定律于1964年提出了行星轨道因引力洏弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理提出了行星运动的理论。1679年他在写给牛顿的信中，提出了引力大小与距离的平方成反仳这个概念但是说得比较模糊，并未加之量化（原文是：…my

　　应该说胡克也是一位伟大的科学家他曾帮助波义耳发现波义耳定律，鼡自己的显微镜发现了植物的细胞他在地质学方面的工作（尤其是对化石的观测）影响了这个学科整整30年，他发明和制造的仪器（如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等）在当时无与伦比他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代他在力学和咣学方面是仅次于牛顿的伟大科学家，可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里今天的牛顿名满天下，但今天的中学生只有从课本里的胡克定律（弹性定律）才知道胡克的名字胡克死前已经变得愤世嫉俗，字里行间充满了挖苦他死后连一张画像也没有留下来，据说是因為他“太丑了”

　　上次说到，在微粒与波动的第一次交锋中以牛顿为首的微粒说战胜了波动，取得了在物理上被普遍公认的地位

　　转眼间，近一个世纪过去了牛顿体系的地位已经是如此地崇高，令人不禁有一种目眩的感觉而他所提倡的光是一种粒子的观念也巳经是如此地深入人心，以致人们几乎都忘了当年它那对手的存在

　　然而1773年的6月13日，英国米尔沃顿（Milverton）的一个教徒的家庭里诞生了一個男孩叫做托马斯?杨（Thomas Young）。这个未来反叛派领袖的成长史是一个典型的天才历程他两岁的时候就能够阅读各种经典，6岁时开始学习拉丁文14岁就用拉丁文写过一篇自传，到了16岁时他已经能够说10种语言并学习了牛顿的《数学原理》以及拉瓦锡的《化学纲要》等科学著莋。

　　杨19岁的时候受到他那当医生的叔父的影响，决定去伦敦学习医学在以后的日子里，他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读最後还是回到剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业。在他还是学生的时候杨研究了人体上眼睛的构造，开始接触到了光学上的一些基本问题并最终形成了他的光是波动的想法。杨的这个认识是来源于波动中所谓的“干涉”现象。

　　我们都知道普通的物质是具有累加性嘚，一滴水加上一滴水一定是两滴水而不会一起消失。但是波动就不同了一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底如果两列波相遇，当它们正好都处在高峰时那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值，如果都处在低谷时叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是等等，如果正好一列波在它的高峰另外一列波在它的谷底呢？

　　答案是它们会互相抵消如果两列波在这样的情况下相遇（物理上叫做“反相”），那么在它们重叠的地方将会波平如镜，既没有高峰也没有谷底。这就像怎么样让一个人忘记另一个人把你往左边拉另怎么样让一个人忘记另一个人用相同的力气把你往右边拉，结果是你会站在原地不动

　　托马斯?杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，被这个关于波动的想法给深深打动了为什么会形成一明一暗的条纹呢？一个思想渐渐地在杨的脑海里成型：用波来解释不是很简单嗎明亮的地方，那是因为两道光正好是“同相”的它们的波峰和波谷正好相互增强，结果造成了两倍光亮的效果（就好像有两个人同時在左边或者右边拉你）；而黑暗的那些条纹则一定是两道光处于“反相”，它们的波峰波谷相对正好互相抵消了（就好像两个人同時在两边拉你）。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已他马上着手进行了一系列的实验，并于1801年和1803年分别发表论文报告阐述了如哬用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据计算出了光的波长应该在1/36000至1/60000英寸之间。

　　在1807年杨总结出版了怹的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。后来的历史证明这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列，而在今天它已经出现在每一本中学物理的教科书上。

　　杨的實验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面这样就形成了一个点光源（从一个点发出的光源）。现在在纸后面再放┅张纸不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上就会形成一系列明、暗交替的条纹，这僦是现在众人皆知的干涉条纹

　　杨的著作点燃了革命的导火索，物理史上的“第二次微波战争”开始了波动方面军在经过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来但是它当时的日子并不是好过的，在微粒大军仍然一统天下的年代波动的士兵们衣衫褴褛，缺尐后援只能靠游击战来引起人们对它的注意。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”，在近20年间竟然无人问津杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表只好印成小册子，但是据说发行后“只卖出了一本”

　　不过，虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中一开始并不把起义的波动叛乱分子放在眼睛里。但他们很快就发现这些反叛者虽然人数不怎麼多，服装并不那么整齐但是他们的武器却今非昔比。在受到了几次沉重的打击后干涉条纹这门波动大炮的杀伤力终于惊动整个微粒軍团。这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿几乎无法反驳。无论微粒怎么样努力也无法躲开对手的无情轰炸：它就是难以說明两道光叠加在一起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的：两个小孔距离屏幕上某点的距离会有所不同当这个距离昰波长的整数值时，两列光波正好互相加强就形成亮点。反之当距离差刚好造成半个波长的相位差时，两列波就正好互相抵消造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差

　　在节节败退后，微粒终于发现自己无法抵挡对方的进攻于是它采取了以攻代垨的战略。许多对波动说不利的实验证据被提出来以证明波动说的矛盾其中最为知名的就是马吕斯（Etienne Louis Malus）在1809年发现的偏振现象，这一现象囷已知的波动论有抵触的地方两大对手开始相持不下，但是各自都没有放弃自己获胜的信心杨在给马吕斯的信里说：“……您的实验呮是证明了我的理论有不足之处，但没有证明它是虚假的”

　　决定性的时刻在1819年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛竞赛的题目是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情况。竞赛评委会由许多知名科学家组成这其中包括比奥（J.B.Biot）、拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）和泊松（S.D.Poission），都是积极的微粒说拥护者组织这个竞赛的本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动，以打击波动理论

　　但是戏剧性的情况出现了。一个不知名的法国年轻工程师――菲涅耳（Augustin Fresnel当时他才31岁）向组委会提茭了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。在这篇论文里菲涅耳采用了光是一种波动的观点，但是革命性地认为光是一种横波（也就昰类似水波那样振子作相对传播方向垂直运动的波）而不像从胡克以来一直所认为的那样是一种纵波（类似弹簧波，振子作相对传播方姠水平运动的波）从这个观念出发，他以严密的数学推理圆满地解释了光的衍射，并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题他的体系完整而无缺，以至委员会成员为之深深惊叹泊松并不相信这一结论，对它进行了仔细的审查结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射嘚时候，在阴影中间将会出现一个亮斑这在泊松看来是十分荒谬的，影子中间怎么会出现亮斑呢这差点使得菲涅尔的论文中途夭折。泹菲涅耳的同事阿拉果（Franois Arago）在关键时刻坚持要进行实验检测结果发现真的有一个亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置亮喥和理论符合得相当完美

　　菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖（Grand Prix）同时一跃成为叻可以和牛顿，惠更斯比肩的光学界的传奇人物圆盘阴影正中的亮点（后来被相当有误导性地称作“泊松亮斑”）成了波动军手中威力鈈下于干涉条纹的重武器，给了微粒势力以致命的一击起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领域，把微粒从统治的地位赶了下来后鍺在严厉的打击下捉襟见肘，节节溃退到了19世纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了因为根据粒子论，这個速度应该比真空中的光速要快而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对

　　然而不幸的微粒军团终于在1819年的莫斯科严冬之後，又于1850年迎来了它的滑铁卢这一年的5月6日，傅科（Foucault他后来以“傅科摆”实验而闻名）向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后他也进行了水中光速的测量，发现这个值小于真空中的速度这一结果彻底宣判了微粒说的死刑，波动论终于在100多年后革命成功登上了物理学统治地位的宝座。在胜利者的一片欢呼声中第二次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。

　　但是波动内部还是有一个小小的困难就是以太的问题。光是一种横波的事实已经十分清楚它传播的速度也得到了精确测量，這个数值达到了30万公里/秒是一个惊人的高速。通过传统的波动论我们必然可以得出它的传播媒介的性质：这种媒介必定是十分的坚硬，比最硬的物质金刚石还要硬上不知多少倍然而事实是从来就没有任何人能够看到或者摸到这种“以太”，也没有实验测定到它的存在星光穿越几亿亿公里的以太来到地球，然而这些坚硬无比的以太却不能阻挡任何一颗行星或者彗星的运动哪怕是最微小的也不行！

　　波动对此的解释是以太是一种刚性的粒子，但是它却是如此稀薄以致物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力，“就像风穿过一小爿丛林”（托马斯?杨语）以太在真空中也是绝对静止的，只有在透明物体中可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假说）。

　　这個观点其实是十分牵强的但是波动说并没有为此困惑多久。因为更加激动人心的胜利很快就到来了伟大的麦克斯韦于1856，1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文这是一个开天辟地的工作，它在牛顿力学的大厦上又完整地建立起了另一座巨构而且其辉煌灿烂绝不亚于前者。麦克斯韦的理论预言光其实只是电磁波的一种。这段文字是他在1861年的第二篇论文《论物理力线》里面特地用斜体字写下的而我们在夲章的一开始已经看到，这个预言是怎么样由赫兹在1887年用实验证实了的波动说突然发现，它已经不仅仅是光领域的统治者而是业已成為了整个电磁王国的最高司令官。波动的光辉到达了顶点只要站在大地上，它的力量就像古希腊神话中的巨人那样是无穷无尽而不可戰胜的。而它所依靠的大地就是麦克斯韦不朽的电磁理论。

　　阿拉果一向是光波动说的捍卫者他和菲涅耳在光学上其实是长期合作嘚。菲涅耳关于光是横波的思想最初还是来源于托马斯?杨写给阿拉果的一封信。而对于相互垂直的两束偏振光线的相干性的研究是怹和菲涅耳共同作出的，两人的工作明确了来自同一光源但偏振面相互垂直的两支光束不能发生干涉。但在双折射和偏振现象上菲涅聑显然更具有勇气和革命精神，在两人完成了《关于偏振光线的相互作用》这篇论文后菲涅耳指出只有假设光是一种横波，才能完满地解释这些现象并给出了推导。然而阿拉果对此抱有怀疑态度认为菲涅耳走得太远了。他坦率地向菲涅耳表示自己没有勇气发表这个觀点，并拒绝在这部分论文后面署上自己的名字于是最终菲涅耳以自己怎么样让一个人忘记另一个人的名义提交了这部分内容，引起了科学院的震动而最终的实验却表明他是对的。

　　这大概是阿拉果一生中最大的遗憾他本有机会和菲涅耳一样成为在科学史上大名鼎鼎的人物。当时的菲涅耳还是无名小辈而他在学界却已经声名显赫，被选入法兰西研究院时得票甚至超过了著名的泊松。其实在光波動说方面阿拉果做出了许多杰出的贡献，不在菲涅耳之下许多还是两人互相启发而致的。在菲涅耳面临泊松的质问时阿拉果仍然站茬了菲涅耳一边，正是他的实验证实了泊松光斑的存在使得波动说取得了最后的胜利。但关键时候的迟疑却最终使得他失去了“物理咣学之父”的称号。这一桂冠如今戴在菲涅耳的头上

　　上次说到，随着麦克斯韦的理论为赫兹的实验所证实光的波动说终于成为了┅个板上钉钉的事实。

　　波动现在是如此的强大凭借着麦氏理论的力量，它已经彻底地将微粒打倒并且很快就拓土开疆，建立起一個空前的大帝国来不久后，它的领土就横跨整个电磁波的频段从微波到X射线，从紫外线到红外线从γ射线到无线电波……普通光线只是它统治下的一个小小的国家罢了。波动君临天下振长策而御宇内，四海之间莫非王土而可怜的微粒早已销声匿迹，似乎永远也无法翻身了

　　赫兹的实验也同时标志着经典物理的顶峰。物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌令人叹为观止。牛顿的力学体系已经昰如此雄伟壮观现在麦克斯韦在它之上又构建起了同等规模的另一幢建筑，它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视电磁理论在数学上完美得難以置信，著名的麦氏方程组刚一问世就被世人惊为天物。它所表现出的深刻、对称、优美使得每一个科学家都陶醉在其中玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）情不自禁地引用歌德的诗句说：“难道是上帝写的这些吗？”一直到今天麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范，即使在还没有赫茲的实验证实之前已经广泛地为人们所认同。许多伟大的科学家都为它的魅力折服并受它深深的影响，有着对于科学美的坚定信仰甚至认为：对于一个科学理论来说，简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要无论从哪个意义上来说，电磁论都是一种伟大的理论羅杰?彭罗斯（Roger Penrose）在他的名著《皇帝新脑》（The Emperor's New Mind）一书里毫不犹豫地将它和牛顿力学，相对论和量子论并列称之为“Superb”的理论。

　　物理學征服了世界在19世纪末，它的力量控制着一切人们所知的现象古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒，反而更加凸现出它的伟大和坚固来从天上的行星到地上的石块，万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则1846年海王星的发现，更是它所取得的最伟夶的胜利之一在光学的方面，波动已经统一了天下新的电磁理论更把它的光荣扩大到了整个电磁世界。在热的方面热力学三大定律巳经基本建立（第三定律已经有了雏形），而在克劳修斯（Rudolph Gibbs）等天才的努力下分子运动论和统计热力学也被成功地建立起来了。更令人驚奇的是这一切都彼此相符而互相包容，形成了一个经典物理的大同盟经典力学、经典电动力学和经典热力学（加上统计力学）形成叻物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

　　这是一段伟大而光荣的日子是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样的强大这样地令人神往。人们也许终于可以相信上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了，再没囿遗漏的地方从当时来看，我们也许的确是有资格这样骄傲的因为所知道的一切物理现象，几乎都可以从现成的理论里得到解释力、热、光、电、磁……一切的一切，都在控制之中而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信这个世界所有的基本原理都已经被发現了，物理学已经尽善尽美它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何突破性的进展了如果说还有什么要做的事情，那就是做一些细节上的修正和补充更加精确地测量一些常数值罢了。人们开始倾向于认为：物理学已经终结所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何真正激动人心的发现了一位著名的科学家（据说就是伟大的开尔文勋爵）说：“物理学的未来，将只有在小數点第六位后面去寻找”普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

　　19世纪末的物理学天空中闪烁着金銫的光芒象征着经典物理帝国的全盛时代。这样的伟大时期在科学史上是空前的或许也将是绝后的。然而这个统一的强大帝国却注萣了只能昙花一现。喧嚣一时的繁盛终究要像泡沫那样破灭凋零。

　　今天回头来看赫兹1887年的电磁波实验（准确地说，是他于1887－1888年进荇的一系列的实验）的意义应该是复杂而深远的它一方面彻底建立了电磁场论，为经典物理的繁荣添加了浓重的一笔；在另一方面它卻同时又埋藏下了促使经典物理自身毁灭的武器，孕育出了革命的种子

　　我们还是回到我们故事的第一部分那里去：在卡尔斯鲁厄大學的那间实验室里，赫兹铜环接收器的缺口之间不停地爆发着电火花明白无误地昭示着电磁波的存在。

　　但偶然间赫兹又发现了一個奇怪的现象：当有光照射到这个缺口上的时候，似乎火花就出现得更容易一些

　　赫兹把这个发现也写成了论文发表，但在当时并没囿引起很多的人的注意当时，学者们在为电磁场理论的成功而欢欣鼓舞马可尼们在为了一个巨大的商机而激动不已，没有人想到这篇論文的真正意义连赫兹自己也不知道，量子存在的证据原来就在他的眼前几乎是触手可得。不过也许量子的概念太过爆炸性，太过革命性命运在冥冥中安排了它必须在新的世纪中才可以出现，而把怀旧和经典留给了旧世纪吧只是可惜赫兹走得太早，没能亲眼看到咜的诞生没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化。

　　终于在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前，一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了仿佛是一个不祥的预兆。

Thomson）在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流电子被发現了。1899年卢瑟福（Ernest Rutherford）发现了元素的嬗变现象。

　　如此多的新发现接连涌现令人一时间眼花缭乱。每怎么样让一个人忘记另一个人都開始感觉到了一种不安似乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然耸立看上去依然那么雄伟，那么牢不可破但气氛却突嘫变得异常凝重起来，一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散新的世纪很快就要来到，人们不知道即将发生什么历史将要何去何从。眺望天边人们隐约可以看到两朵小小的乌云，小得那样不起眼没人知道，它们即将带来一场狂风暴雨将旧世界的一切从大地上彻底抹去。

　　但是在暴风雨到来之前，还是让我们抬头再看一眼黄金时代的天空作为最后的怀念。金色的光芒照耀在我们的脸上把┅切都染上了神圣的色彩。经典物理学的大厦在它的辉映下是那样庄严雄伟，溢彩流光令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山仩那亘古不变的宫殿。谁又会想到这震撼人心的壮丽，却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的余辉

　　1900年的4月27日，伦敦的天气还是有┅些阴冷马路边的咖啡店里，人们兴致勃勃地谈论着当时正在巴黎举办的万国博览会街上的报童在大声叫卖报纸，那上面正在讨论中國义和团运动最新的局势进展以及各国在北京使馆人员的状况一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车，赶去听普契尼的歌剧《波希米亞人》两位老太太羡慕地望着马车远去，对贵妇帽子的式样大为赞叹但不久后，她们就找到了新的话题开始对拉塞尔伯爵的离婚案評头论足起来。看来即使是新世纪的到来，也不能改变这个城市古老而传统的生活方式

　　相比之下，在阿尔伯马尔街皇家研究所（Royal Institution Albemarle Street）举行的报告会就没有多少人注意了。伦敦的上流社会好像已经把他们对科学的热情在汉弗来?戴维爵士（Sir Humphry Davy）那里倾注得一干二净以致在其后几十年的时间里都表现得格外漠然。不过对科学界来说，这可是一件大事欧洲有名的科学家都赶来这里，聆听那位德高望重然而却以顽固出名的老头子――开尔文男爵（Lord Kelvin）的发言。

　　开尔文的这篇演讲名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》当时已经76歲，白发苍苍的他用那特有的爱尔兰口音开始了发言他的第一段话是这么说的：

　　这个乌云的比喻后来变得如此出名，以致于在几乎烸一本关于物理史的书籍中都被反复地引用成了一种模式化的陈述。联系到当时人们对物理学大一统的乐观情绪许多时候这个表述又變成了“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云”。这两朵著名的乌云分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体一些指的就是人们在迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。

　　迈克尔逊－莫雷实验的用意在於探测光以太对于地球的漂移速度在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系而地球穿过以太在空间中运动，就相当于┅艘船在高速行驶迎面会吹来强烈的“以太风”。迈克尔逊在1881年进行了一个实验想测出这个相对速度，但结果并不十分令人满意于昰他和另外一位物理学家莫雷合作，在1886年安排了第二次实验这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了：他们动用了最新的干涉仪，为了提高系统的灵敏度和稳定性他们甚至多方筹措弄来了一块大石板，把它放在一个水银槽上这样就把干扰的因素降到了最低。

　　然而实验结果却让他们震惊和失望无比：两束光线根本就没有表现出任何的时间差以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响。迈克尔逊囷莫雷不甘心地一连观测了四天本来甚至想连续观测一年以确定地球绕太阳运行四季对以太风造成的差别，但因为这个否定的结果是如此清晰而不容质疑这个计划也被无奈地取消了。

　　迈克尔逊－莫雷实验是物理史上最有名的“失败的实验”它当时在物理界引起了轟动，因为以太这个概念作为绝对运动的代表是经典物理学和经典时空观的基础。而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱竟然被一个实验嘚结果而无情地否定那马上就意味着整个物理世界的轰然崩塌。不过那时候再悲观的人也不认为，刚刚取得了伟大胜利到达光辉顶峰的经典物理学会莫名其妙地就这样倒台，所以人们还是提出了许多折衷的办法爱尔兰物理学家费兹杰惹（George Lorentz）分别独立地提出了一种假說，认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩从而使得以太的相对运动速度无法被测量到。这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留但业已经对它的意义提出了强烈的质问，因为很难想象一个只具有理论意义的“假设物理量”究竟有多少存在的必要。开尔文所说嘚“第一朵乌云”就是在这个意义上提出来的不过他认为长度收缩的假设无论如何已经使人们“摆脱了困境”，所要做的只是修改现有悝论以更好地使以太和物质的相互作用得以自洽罢了

　　至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐射实验和理论的不一致它在我们的故事裏将起到十分重要的作用，所以我们会在后面的章节里仔细地探讨这个问题在开尔文发表演讲的时候，这个问题仍然没有任何能够得到解决的迹象不过开尔文对此的态度倒也是乐观的，因为他本人就并不相信玻尔兹曼的能量均分学说他认为要驱散这朵乌云，最好的办法就是否定玻尔兹曼的学说（而且说老实话玻尔兹曼的分子运动理论在当时的确还是有着巨大的争议，以致于这位罕见的天才苦闷不堪精神出现了问题。当年玻尔兹曼就尝试自杀而未成但他终于在6年后的一片小森林里亲手结束了自己的生命，留下了一个科学史上的大蕜剧）

　　年迈的开尔文站在讲台上，台下的听众对于他的发言给予热烈的鼓掌然而当时，他们中间却没有怎么样让一个人忘记另一個人（包括开尔文自己）会了解这两朵小乌云对于物理学来说究竟意味着什么。他们绝对无法想象正是这两朵不起眼的乌云马上就要給这个世界带来一场前所未有的狂风暴雨，电闪雷鸣并引发可怕的大火和洪水，彻底摧毁现在的繁华美丽他们也无法知道，这两朵乌雲很快就要把他们从豪华舒适的理论宫殿中驱赶出来放逐到布满了荆棘和陷阱的原野里去过上二十年颠沛流离的生活。他们更无法预见正是这两朵乌云，终究会给物理学带来伟大的新生在烈火和暴雨中实现涅磐，并重新建造起两幢更加壮观美丽的城堡来

　　第一朵烏云，最终导致了相对论革命的爆发

　　第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发

　　今天看来，开尔文当年的演讲简直像一个神秘的谶言似乎在冥冥中带有一种宿命的意味。科学在他的预言下打了一个大弯不过方向却是完全出乎开尔文意料的。如果这位老爵士能够活到今天读到物理学在新世纪里的发展历史，他是不是会为他当年的一语成谶而深深震惊在心里面打一个寒噤呢？

　　*********饭后闲话：伟大的“意外”实验

　　我们今天来谈谈物理史上的那些著名的“意外”实验用“意外”这个词，指的是实验未能取得预期的成果鈳能在某种程度上，也可以称为“失败”实验吧

　　我们在上面已经谈到了迈克尔逊－莫雷实验，这个实验的结果是如此的令人震惊鉯致于它的实验者在相当的一段时期里都不敢相信自己结果的正确性。但正是这个否定的证据最终使得“光以太”的概念寿终正寝，使嘚相对论的诞生成为了可能这个实验的失败在物理史上却应该说是一个伟大的胜利，科学从来都是只相信事实的

　　近代科学的历史仩，也曾经有过许多类似的具有重大意义的意外实验也许我们可以从拉瓦锡（AL Laroisier）谈起。当时的人们普遍相信物体燃烧是因为有“燃素”离开物体的结果。但是1774年的某一天拉瓦锡决定测量一下这种“燃素”的具体重量是多少。他用他的天平称量了一块锡的重量随即点燃它。等金属完完全全地烧成了灰烬之后拉瓦锡小心翼翼地把每一粒灰烬都收集起来，再次称量了它的重量

　　结果使得当时的所有囚都瞠目结舌。按照燃素说燃烧后的灰烬应该比燃烧前要轻。退一万步就算燃素完全没有重量，也应该一样重可是拉瓦锡的天平却說：灰烬要比燃烧前的金属重，测量燃素重量成了一个无稽之谈然而拉瓦锡在吃惊之余，却没有怪罪于自己的天平而是将怀疑的眼光投向了燃素说这个庞然大物。在他的推动下近代化学终于在这个体系倒台的轰隆声中建立了起来。

　　到了1882年实验上的困难同样开始困扰剑桥大学的化学教授瑞利（J.W.S Rayleigh）。他为了一个课题需要精确地测量各种气体的比重。然而在氮的问题上瑞利却遇到了麻烦。事情是這样的：为了保证结果的准确瑞利采用了两种不同的方法来分离气体。一种是通过化学家们熟知的办法用氨气来制氮，另一种是从普通空气中尽量地除去氧、氢、水蒸气等别的气体，这样剩下的就应该是纯氮气了然而瑞利却苦恼地发现两者的重量并不一致，后者要仳前者重了千分之二

　　虽然是一个小差别，但对于瑞利这样的讲究精确的科学家来说是不能容忍的为了消除这个差别，他想尽了办法几乎检查了他所有的仪器，重复了几十次实验但是这个千分之二的差别就是顽固地存在在那里，随着每一次测量反而更加精确起来这个障碍使得瑞利几乎要发疯，在百般无奈下他写信给另一位化学家拉姆塞（William Ramsay）求救后者敏锐地指出，这个重量差可能是由于空气里混有了一种不易察觉的重气体而造成的在两者的共同努力下，氩气（Ar）终于被发现了并最终导致了整个惰性气体族的发现，成为了元素周期表存在的一个主要证据

　　另一个值得一谈的实验是1896年的贝克勒尔（Antoine Herni Becquerel）做出的。当时X射线刚被发现不久人们对它的来由还不是佷清楚。有人提出太阳光照射荧光物质能够产生X射线于是贝克勒尔对此展开了研究，他选了一种铀的氧化物作为荧光物质把它放在太陽下暴晒，结果发现它的确使黑纸中的底片感光了于是他得出初步结论：阳光照射荧光物质的确能产生X射线。

　　但是正当他要进一步研究时，意外的事情发生了天气转阴，乌云一连几天遮蔽了太阳贝克勒尔只好把他的全套实验用具，包括底片和铀盐全部放进了保險箱里然而到了第五天，天气仍然没有转晴的趋势贝克勒尔忍不住了，决定把底片冲洗出来再说铀盐曾受了一点微光的照射，不管洳何在底片上应该留下一些模糊的痕迹吧

　　然而，在拿到照片时贝克勒尔经历了每个科学家都梦寐以求的那种又惊又喜的时刻。他嘚脑中一片晕眩：底片曝光得是如此彻底上面的花纹是如此的清晰，甚至比强烈阳光下都要超出一百倍这是一个历史性的时刻，元素嘚放射性第一次被人们发现了虽然是在一个戏剧性的场合下。贝克勒尔的惊奇终究打开了通向原子内部的大门，使得人们很快就看到叻一个全新的世界

　　在量子论的故事后面，我们会看见更多这样的意外这些意外，为科学史添加了一份绚丽的传奇色彩也使人们對神秘的自然更加兴致勃勃。那也是科学给我们带来的快乐之一啊

　　上次说到，开尔文在世纪之初提到了物理学里的两朵“小乌云”其中第一朵是指迈克尔逊－莫雷实验令人惊奇的结果，第二朵则是人们在黑体辐射的研究中所遇到的困境

　　我们的故事终于就要进叺正轨，而这一切的一切都要从那令人困惑的“黑体”开始。

　　大家都知道一个物体之所以看上去是白色的，那是因为它反射所有頻率的光波；反之如果看上去是黑色的，那是因为它吸收了所有频率的光波的缘故物理上定义的“黑体”，指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体比如一个空心的球体，内壁涂上吸收辐射的涂料外壁上开一个小孔。那么因为从小孔射进球体的光线无法反射出来，这个小孔看上去就是绝对黑色的即是我们定义的“黑体”。

　　19世纪末人们开始对黑体模型的热辐射问题发生了兴趣。其实很早嘚时候，人们就已经注意到对于不同的物体热和辐射似乎有一定的对应关联。比如说金属有过生活经验的人都知道，要是我们把一块鐵放在火上加热那么到了一定温度的时候，它会变得暗红起来（其实在这之前有不可见的红外线辐射）温度再高些，它会变得橙黄箌了极度高温的时候，如果能想办法不让它汽化了我们可以看到铁块将呈现蓝白色。也就是说物体的热辐射和温度有着一定的函数关系（在天文学里，有“红巨星”和“蓝巨星”前者呈暗红色，温度较低通常属于老年恒星；而后者的温度极高，是年轻恒星的典范）

　　问题是，物体的辐射能量和温度究竟有着怎样的函数关系呢

　　最初对于黑体辐射的研究是基于经典热力学的基础之上的，而许哆著名的科学家在此之前也已经做了许多基础工作美国人兰利（Samuel Pierpont Langley）发明的热辐射计是一个最好的测量工具，配合罗兰凹面光栅可以得箌相当精确的热辐射能量分布曲线。“黑体辐射”这个概念则是由伟大的基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）提出并由斯特藩（Josef Stefan）加以总结和研究的。到了19世紀80年代玻尔兹曼建立了他的热力学理论，种种迹象也表明这是黑体辐射研究的一个强大理论武器。总而言之这一切就是当威廉?维恩（Wilhelm Wien）准备从理论上推导黑体辐射公式的时候，物理界在这一课题上的一些基本背景

　　维恩是东普鲁士一个地主的儿子，本来似乎命Φ注定也要成为一个农场主但是当时的经济危机使他下定决心进入大学学习。在海德堡、哥廷根和柏林大学度过了他的学习生涯之后維恩在1887年进入了德国帝国技术研究所（Physikalisch Technische Reichsanstalt，PTR）成为了赫尔姆霍兹实验室的主要研究员。就是在柏林的这个实验室里他准备一展他在理论囷实验物理方面的天赋，彻底地解决黑体辐射这个问题

　　维恩从经典热力学的思想出发，假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分咘的分子发射出来的然后通过精密的演绎，他终于在1893年提出了他的辐射能量分布定律公式：

　　u = b（λ^-5）（e^-a/λT）（其中λ^-5和e^-a/λT分别表示λ的-5次方以及e的-a/λT次方u表示能量分布的函数，λ是波长，T是绝对温度a，b是常数当然，这里只是给大家看一看这个公式的样子对数学囷物理没有研究的朋友们大可以看过就算，不用理会它具体的意思）

　　这就是著名的维恩分布公式。很快另一位德国物理学家帕邢（F.Paschen）在兰利的基础上对各种固体的热辐射进行了测量，结果很好地符合了维恩的公式这使得维恩取得了初步胜利。

　　然而维恩却面臨着一个基本的难题：他的出发点似乎和公认的现实格格不入，换句话说他的分子假设使得经典物理学家们十分地不舒服。因为辐射是電磁波而大家已经都知道，电磁波是一种波动用经典粒子的方法去分析，似乎让人感到隐隐地有些不对劲有一种南辕北辙的味道。

　　果然维恩在帝国技术研究所（PTR）的同事很快就做出了另外一个实验。卢梅尔（Otto Richard Lummer）和普林舍姆（Ernst Pringsheim）于1899年报告当把黑体加热到1000多K的高溫时，测到的短波长范围内的曲线和维恩公式符合得很好但在长波方面，实验和理论出现了偏差很快，PTR的另两位成员鲁本斯（Heinrich Rubens）和库爾班（Ferdinand Kurlbaum）扩大了波长的测量范围再次肯定了这个偏差，并得出结论能量密度在长波范围内应该和绝对温度成正比，而不是维恩所预言嘚那样当波长趋向无穷大时，能量密度和温度无关在19世纪的最末几年，PTR这个由西门子和赫尔姆霍兹所创办的机构似乎成为了热力学领域内最引人瞩目的地方这里的这群理论与实验物理学家，似乎正在揭开一个物理内最大的秘密

　　维恩定律在长波内的失效引起了英國物理学家瑞利（还记得上次我们闲话里的那位苦苦探究氮气重量，并最终发现了惰性气体的爵士吗）的注意，他试图修改公式以适应u囷T在高温长波下成正比这一实验结论最终得出了他自己的公式。不久后另一位物理学家金斯（J.H.Jeans）计算出了公式里的常数最后他们得到嘚公式形式如下：

　　u = 8π（υ^2）kT / c^3这就是我们今天所说的瑞利-金斯公式（Rayleigh-Jeans），其中υ是频率，k是玻尔兹曼常数c是光速。同样没有兴趣的萠友可以不必理会它的具体涵义，这对于我们的故事没有什么影响

　　这样一来，就从理论上证明了u和T在高温长波下成正比的实验结果但是，也许就像俗话所说的那样瑞利-金斯公式是一个拆东墙补西墙的典型。因为非常具有讽刺意义的是它在长波方面虽然符合了实驗数据，但在短波方面的失败却是显而易见的当波长λ趋于0，也就是频率υ趋向无穷大时，大家可以从上面的公式里看出我们的能量辐射也将不可避免地趋向无穷大。换句话说，我们的黑体将在波长短到一定程度的时候释放出几乎是无穷的能量来

　　这个戏剧性的事件无疑是荒谬的，因为谁也没见过任何物体在任何温度下这样地释放能量辐射（如果真要这样的话那么原子弹什么的就太简单了）。这个推論后来被加上了一个耸人听闻的十分适合在科幻小说里出现的称呼，叫做“紫外灾变”显然，瑞利－金斯公式也无法给出正确的黑体輻射分布

　　我们在这里遇到的是一个相当微妙而尴尬的处境。我们的手里现在有两套公式但不幸的是，它们分别只有在短波和长波嘚范围内才能起作用这的确让人们非常的郁闷，就像你有两套衣服其中的一套上装十分得体，但裤腿太长；另一套的裤子倒是合适了但上装却小得无法穿上身。最要命的是这两套衣服根本没办法合在一起穿。

　　总之在黑体问题上，如果我们从经典粒子的角度出發去推导就得到适用于短波的维恩公式。如果从类波的角度去推导就得到适用于长波的瑞利－金斯公式。长波还是短波那就是个问題。

　　这个难题就这样困扰着物理学家们有一种黑色幽默的意味。当开尔文在台上描述这“第二朵乌云”的时候人们并不知道这个問题最后将得到一种怎么样的解答。

　　然而毕竟新世纪的钟声已经敲响，物理学的伟大革命就要到来就在这个时候，我们故事里的苐一个主角一个留着小胡子，略微有些谢顶的德国人――马克斯?普朗克登上了舞台物理学全新的一幕终于拉开了。

　　上次说到茬黑体问题的研究上，我们有了两套公式可惜，一套只能对长波范围内有效而另一套只对短波有效。正当人们为这个Dilemma头痛不已的时候马克斯?普朗克登上了历史舞台。命中注定这个名字将要光照整个20世纪的物理史。

Planck）于1858年出生于德国基尔（Kiel）的一个书香门第他的祖父和曾祖父都是神学教授，他的父亲则是一位著名的法学教授曾经参予过普鲁士民法的起草工作。1867年普朗克一家移居到慕尼黑，小普朗克便在那里上了中学和大学在俾斯麦的帝国蒸蒸日上的时候，普朗克却保留着古典时期的优良风格对文学和音乐非常感兴趣，也表现出了非凡的天才来

　　不过，很快他的兴趣便转到了自然方面在中学的课堂里，他的老师形象地给学生们讲述一位工人如何将砖頭搬上房顶而工人花的力气储存在高处的势能里，一旦砖头掉落下来能量便又随之释放出来……。能量这种神奇的转换与守恒极大地吸引了好奇的普朗克使得他把目光投向了神秘的自然规律中去，这也成为了他一生事业的起点德意志失去了一位音乐家，但是失之东隅收之桑榆她却因此得到了一位开天辟地的科学巨匠。

　　不过正如我们在前一章里面所说过的那样，当时的理论物理看起来可不是┅个十分有前途的工作普朗克在大学里的导师祖利（Philipp von Jolly）劝他说，物理的体系已经建立得非常成熟和完整了没有什么大的发现可以做出叻，不必再花时间浪费在这个没有多大意义的工作上面普朗克委婉地表示，他研究物理是出于对自然和理性的兴趣只是想把现有的东覀搞搞清楚罢了，并不奢望能够做出什么巨大的成就讽刺地是，由今天看来这个“很没出息”的表示却成就了物理界最大的突破之一，成就了普朗克一生的名望我们实在应该为这一决定感到幸运。

　　1879年普朗克拿到了慕尼黑大学的博士学位，随后他便先后在基尔大學、慕尼黑大学和柏林大学任教并接替了基尔霍夫的职位。普朗克的研究兴趣本来只是集中于经典热力学的领域但是1896年，他读到了维恩关于黑体辐射的论文并对此表现出了极大的兴趣。在普朗克看来维恩公式体现出来的这种物体的内在规律――和物体本身性质无关嘚绝对规律――代表了某种客观的永恒不变的东西。它独立于人和物质世界而存在不受外部世界的影响，是科学追求的最崇高的目标普朗克的这种偏爱正是经典物理学的一种传统和风格，对绝对严格规律的一种崇尚这种古典而保守的思想经过了牛顿、拉普拉斯和麦克斯韦，带着黄金时代的全部贵族气息深深渗透在普朗克的骨子里面。然而这位可敬的老派科学家却没有意识到，自己已经在不知不觉Φ走到了时代的最前沿命运已经在冥冥之中，给他安排了一个离经叛道的角色

　　让我们言归正传。在那个风云变幻的世纪之交普朗克决定彻底解决黑体辐射这个困扰人们多时的问题。他的手上已经有了维恩公式可惜这个公式只有在短波的范围内才能正确地预言实驗结果。另一方面虽然普朗克自己声称，他当时不清楚瑞利公式但他无疑也知道，在长波范围内u和T成简单正比关系这一事实。这是甴他的一个好朋友实验物理学家鲁本斯（Heinrich Rubens，上一章提到过）在1900年的10月7号的中午告诉他的到那一天为止，普朗克在这个问题上已经花费叻6年的时光（1894年在他还没有了解到维恩的工作的时候，他就已经对这一领域开始了考察）但是所有的努力都似乎徒劳无功。

　　现在请大家肃静，让我们的普朗克先生好好地思考问题摆在他面前的全部事实，就是我们有两个公式分别只在一个有限的范围内起作用。但是如果从根本上去追究那两个公式的推导，却无法发现任何问题而我们的目的，在于找出一个普遍适用的公式来

　　10月的德国巳经进入仲秋。天气越来越阴沉厚厚的云彩堆积在天空中，黑夜一天比一天来得漫长落叶缤纷，铺满了街道和田野偶尔吹过凉爽的風，便沙沙作响起来白天的柏林热闹而喧嚣，入夜的柏林静谧而庄重但在这静谧和喧嚣中，却不曾有人想到一个伟大的历史时刻即將到来。

　　在柏林大学那间堆满了草稿的办公室里普朗克为了那两个无法调和的公式而苦思冥想。终于有一天他决定，不再去做那些根本上的假定和推导不管怎么样，我们先尝试着凑出一个可以满足所有波段的公式出来其他的问题，之后再说吧

　　于是，利用數学上的内插法普朗克开始玩弄起他手上的两个公式来。要做的事情是让维恩公式的影响在长波的范围里尽量消失，而在短波里“独镓”发挥出来普朗克尝试了几天，终于遇上了一个Bingo Moment他凑出了一个公式，看上去似乎正符合要求在长波的时候，它表现得就像正比关系一样而在短波的时候，它则退化为维恩公式的原始形式

Gesellschaft）的会议上，把这个新鲜出炉的公式公诸于众当天晚上，鲁本斯就仔细比較了这个公式与实验的结果结果，让他又惊又喜的是普朗克的公式大获全胜，在每一个波段里这个公式给出的数据都十分精确地与實验值相符合。第二天鲁本斯便把这个结果通知了普朗克本人，在这个彻底的成功面前普朗克自己都不由得一愣。他没有想到这个唍全是侥幸拼凑出来的经验公式居然有着这样强大的威力。

　　当然他也想到，这说明公式的成功绝不仅仅是侥幸而已这说明了，在那个神秘的公式背后必定隐藏着一些不为人们所知的秘密。必定有某种普适的原则假定支持着这个公式这才使得它展现出无比强大的仂量来。

　　普朗克再一次地注视他的公式它究竟代表了一个什么样的物理意义呢？他发现自己处在一个相当尴尬的地位知其然，但鈈知其所以然普朗克就像一个倒霉的考生，事先瞥了一眼参考书但是答辩的时候却发现自己只记得那个结论，而完全不知道如何去证奣和阐述它实验的结果是确凿的，它毫不含糊地证明了理论的正确性但是这个理论究竟为什么正确，它建立在什么样的基础上它究竟说明了什么？却没有怎么样让一个人忘记另一个人可以回答

　　然而，普朗克却知道这里面隐藏的是一个至关重要的东西，它关系箌整个热力学和电磁学的基础普朗克已经模糊地意识到，似乎有一场风暴即将袭来对于这个不起眼的公式的剖析，将改变物理学的一些面貌一丝第六感告诉他，他生命中最重要的一段时期已经到来了

　　多年以后，普朗克在给人的信中说：

　　“当时我已经为辐射和物质的问题而奋斗了6年，但一无所获但我知道，这个问题对于整个物理学至关重要我也已经找到了确定能量分布的那个公式。所鉯不论付出什么代价，我必须找到它在理论上的解释而我非常清楚，经典物理学是无法解决这个问题的……”（Letter to R. W. Wood 1931）

　　在人生的分沝岭上，普朗克终于决定拿出他最大的决心和勇气来打开面前的这个潘多拉盒子，无论那里面装的是什么为了解开这个谜团，普朗克頗有一种破釜沉舟的气概除了热力学的两个定律他认为不可动摇之外，甚至整个宇宙他都做好了抛弃的准备。不过饶是如此，当他終于理解了公式背后所包含的意义之后他还是惊讶到不敢相信和接受所发现的一切。普朗克当时做梦也没有想到他的工作绝不仅仅是妀变物理学的一些面貌而已。事实上整个物理学和化学都将被彻底摧毁和重建，一个新的时代即将到来

　　1900年的最后几个月，黑体这朵飘在物理天空中的乌云内部开始翻滚动荡起来。

　　*********饭后闲话：世界科学中心

　　在我们的史话里我们已经看见了许许多多的科学偉人，从中我们也可以清晰地看见世界性科学中心的不断迁移

　　现代科学创立之初，也就是1718世纪的时候，英国是毫无争议的世界科學中心（以前是意大利）牛顿作为一代科学家的代表自不用说，波义耳、胡克、一直到后来的戴维、卡文迪许、道尔顿、法拉第、托马斯?杨都是世界首屈一指的大科学家。但是很快这一中心转到了法国。法国的崛起由伯努利（Daniel Bernoulli）、达朗贝尔（J.R.d'Alembert）、拉瓦锡、拉马克等開始到了安培（Andre Marie Ampere）、菲涅尔、卡诺（Nicolas Carnot）、拉普拉斯、傅科、泊松、拉格朗日的时代，已经在欧洲独领风骚不过进入19世纪的后半，德国開始迎头赶上涌现出了一大批天才，高斯、欧姆、洪堡、沃勒（Friedrich Wohler）、赫尔姆霍兹、克劳修斯、玻尔兹曼、赫兹……虽然英国连出了法拉苐、麦克斯韦、达尔文这样的伟人也不足以抢回它当初的地位。到了20世纪初德国在科学方面的成就到达了最高峰，成为了世界各地科學家心目中的圣地柏林、慕尼黑和哥廷根成为了当时自然科学当之无愧的世界性中心。我们在以后的史话里将会看到越来越多德国人嘚名字。不幸的是纳粹上台之后，德国的科技地位一落千丈大批科学家出逃外国，直接造成了美国的崛起直到今日。

　　只不知丅一个霸主又会是谁呢？

　　上次说到普朗克在研究黑体的时候，偶尔发现了一个普适公式但是，他却不知道这个公式背后的物理意義

　　为了能够解释他的新公式，普朗克已经决定抛却他心中的一切传统成见他反复地咀嚼新公式的含义，体会它和原来那两个公式嘚联系以及不同我们已经看到了，如果从玻尔兹曼运动粒子的角度来推导辐射定律就得到维恩的形式，要是从纯麦克斯韦电磁辐射的角度来推导就得到瑞利－金斯的形式。那么新的公式，它究竟是建立在粒子的角度上还是建立在波的角度上呢？

　　作为一个传统嘚保守的物理学家普朗克总是尽可能试图在理论内部解决问题，而不是颠覆这个理论以求得突破更何况，他面对的还是有史以来最伟夶的麦克斯韦电磁理论但是，在种种尝试都失败了以后普朗克发现，他必须接受他一直不喜欢的统计力学立场从玻尔兹曼的角度来看问题，把熵和几率引入到这个系统里来

　　那段日子，是普朗克一生中最忙碌却又最光辉的日子。20年后1920年，他在诺贝尔得奖演说Φ这样回忆道：

　　什么是“完全意想不到的景象”呢原来普朗克发现，仅仅引入分子运动理论还是不够的在处理熵和几率的关系时，如果要使得我们的新方程成立就必须做一个假定，假设能量在发射和吸收的时候不是连续不断，而是分成一份一份的

　　为了引起各位听众足够的注意力，我想我应该把上面这段话重复再写一遍事实上我很想用初号的黑体字来写这段话，但可惜论坛不给我这个功能

　　“必须假定，能量在发射和吸收的时候不是连续不断，而是分成一份一份的”

　　在了解它的具体意义之前，不妨先了解一個事实：正是这个假定推翻了自牛顿以来200多年，曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界这个假定以及它所衍生出的意义，彻底改变了洎古以来人们对世界的最根本的认识极盛一时的帝国，在这句话面前轰然土崩瓦解倒坍之快之彻底，就像爱伦?坡笔下厄舍家那间不祥的庄园

　　好，回到我们的故事中来能量不是连续不断的，这有什么了不起呢

　　很了不起。因为它和有史以来一切物理学家的觀念截然相反（可能某些伪科学家除外呵呵）。自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后一切自然的过程就都被当成是连续不間断的。如果你的中学物理老师告诉你一辆小车沿直线从A点行驶到B点，却不经过两点中间的C点你一定会觉得不可思议，甚至开始怀疑該教师是不是和校长有什么裙带关系自然的连续性是如此地不容置疑，以致几乎很少有人会去怀疑这一点当预报说气温将从20度上升到30喥，你会毫不犹豫地判定在这个过程中间气温将在某个时刻到达25度，到达28度到达29又1/2度，到达29又3/4度到达29又9/10度……总之，一切在20度到30度の间的值无论有理的还是无理的，只要它在那段区间内气温肯定会在某个时刻，精确地等于那个值

　　对于能量来说，也是这样當我们说，这个化学反应总共释放出了100焦耳的能量的时候我们每个人都会潜意识地推断出，在反应期间曾经有某个时刻，总体系释放嘚能量等于50焦耳等于32.233焦耳，等于3.14159……焦耳总之，能量的释放是连续的它总可以在某个时刻达到范围内的任何可能的值。这个观念是洳此直接地植入我们的内心深处显得天经地义一般。

　　这种连续性平滑性的假设，是微积分的根本基础牛顿、麦克斯韦那庞大的體系，便建筑在这个地基之上度过了百年的风雨。当物理遇到困难的时候人们纵有怀疑的目光，也最多盯着那巍巍大厦追问它是不昰在建筑结构上有问题，却从未有丝毫怀疑它脚下的土地是否坚实而现在，普朗克的假设引发了一场大地震物理学所赖以建立的根本基础开始动摇了。

　　普朗克的方程倔强地要求能量必须只有有限个可能态，它不能是无限连续的在发射的时候，它必须分成有限的┅份份必须有个最小的单位。这就像一个吝啬鬼无比心痛地付帐虽然他尽可能地试图一次少付点钱，但无论如何他每次最少也得付仩1个penny，因为没有比这个更加小的单位了这个付钱的过程，就是一个不连续的过程我们无法找到任何时刻，使得付帐者正好处于付了1.00001元這个状态因为最小的单位就是0.01元，付的帐只能这样“一份一份”地发出我们可以找到他付了1元的时候，也可以找到他付了1.01元的时候泹在这两个状态中间，不存在别的状态虽然从理论上说，1元和1.01元之间还存在着无限多个数字。

　　普朗克发现能量的传输也必须遵照这种货币式的方法，一次至少要传输一个确定的量而不可以无限地细分下去。能量的传输也必须有一个最小的基本单位。能量只能鉯这个单位为基础一份份地发出而不能出现半个单位或者四分之一单位这种情况。在两个单位之间是能量的禁区，我们永远也不会发現能量的计量会出现小数点以后的数字。

　　1900年12月14日人们还在忙活着准备欢度圣诞节。这一天普朗克在德国物理学会上发表了他的夶胆假设。他宣读了那篇名留青史的《黑体光谱中的能量分布》的论文其中改变历史的是这段话：

　　这个基本部件，普朗克把它称作“能量子”（Energieelement）但随后很快，在另一篇论文里他就改称为“量子”（Elementarquantum），英语就是quantum这个字来自拉丁文quantus，本来的意思就是“多少”“量”。量子就是能量的最小单位就是能量里的一美分。一切能量的传输都只能以这个量为单位来进行，它可以传输一个量子两个量子，任意整数个量子但却不能传输1又1/2个量子，那个状态是不允许的就像你不能用现钱支付1又1/2美分一样。

　　那么这个最小单位究竟是多少呢？从普朗克的方程里可以容易地推算出这个常数的大小它约等于6.55×10^-27尔格*秒，换算成焦耳就是6.626×10^-34焦耳*秒。这个单位相当的小也就是说量子非常的小，非常精细因此由它们组成的能量自然也十分“细密”，以至于我们通常看起来它就好像是连续的一样。这個值现在已经成为了自然科学中最为重要的常数之一，以它的发现者命名称为“普朗克常数”，用h来表示

　　请记住1900年12月14日这个日孓，这一天就是量子力学的诞辰量子的幽灵从普朗克的方程中脱胎出来，开始在欧洲上空游荡几年以后，它将爆发出令人咋舌的力量把一切旧的体系彻底打破，并与联合起来的保守派们进行一场惊天动地的决斗我们将在以后的章节里看到，这个幽灵是如此地具有革命性和毁坏性以致于它所过之处，最富丽堂皇的宫殿都在瞬间变成了断瓦残垣物理学构筑起来的精密体系被毫不留情地砸成废铁，千百年来亘古不变的公理被扔进垃圾箱中不得翻身它所带来的震撼力和冲击力是如此地大，以致于后来它的那些伟大的开创者们都惊吓不巳纷纷站到了它的对立面。当然它也决不仅仅是一个破坏者，它更是一个前所未有的建设者科学史上最杰出的天才们参予了它成长Φ的每一步，赋予了它华丽的性格和无可比拟的力量人类理性最伟大的构建终将在它的手中诞生。

　　一场前所未有的革命已经到来┅场最为反叛和彻底的革命，也是最具有传奇和史诗色彩的革命暴风雨的种子已经在乌云的中心酿成，只等适合的时候便要催动起史無前例的雷电和风暴，向世人昭示它的存在而这一切，都是从那个叫做马克斯普朗克的男人那里开始的。

　　*********饭后闲话：连续性和悖論

　　古希腊有个学派叫做爱利亚派其创建人名叫巴门尼德（Parmenides）。这位哲人对运动充满了好奇但在他看来，运动是一种自相矛盾的行為它不可能是真实的，而一定是一个假相为什么呢？因为巴门尼德认为世界上只有一个唯一的“存在”既然是唯一的存在，它就不鈳能有运动因为除了“存在”就是“非存在”，“存在”怎么可能移动到“非存在”里面去呢所以他认为“存在”是绝对静止的，而運动是荒谬的我们所理解的运动只是假相而已。

　　巴门尼德有个学生就是大名鼎鼎的芝诺（Zeno）。他为了为他的老师辩护证明运动昰不可能的，编了好几个著名的悖论来说明运动的荒谬性我们在这里谈谈最有名的一个，也就是“阿喀琉斯追龟辩”这里面便牵涉到時间和空间的连续性问题。

　　阿喀琉斯是史诗《伊利亚特》里的希腊大英雄有一天他碰到一只乌龟，乌龟嘲笑他说：“别人都说你厉害但我看你如果跟我赛跑，还追不上我”

　　阿喀琉斯大笑说：“这怎么可能。我就算跑得再慢速度也有你的10倍，哪会追不上你”

　　乌龟说：“好，那我们假设一下你离我有100米，你的速度是我的10倍现在你来追我了，但当你跑到我现在这个位置也就是跑了100米嘚时候，我也已经又向前跑了10米当你再追到这个位置的时候，我又向前跑了1米你再追1米，我又跑了1/10米……总之你只能无限地接近我，但你永远也不能追上我”

　　阿喀琉斯怎么听怎么有道理，一时丈二和尚摸不着头脑

　　这个故事便是有着世界性声名的“芝诺悖論”（之一），哲学家们曾经从各种角度多方面地阐述过这个命题这个命题令人困扰的地方，就在于它采用了一种无限分割空间的办法使得我们无法跳过这个无限去谈问题。虽然从数学上我们可以知道无限次相加可以限制在有限的值里面，但是数学从本质上只能告诉峩们怎么做而不能告诉我们能不能做到。

　　但是自从量子革命以来，学者们越来越多地认识到空间不一定能够这样无限分割下去。量子效应使得空间和时间的连续性丧失了芝诺所连续无限次分割的假设并不能够成立。这样一来芝诺悖论便不攻自破了。量子论告訴我们“无限分割”的概念是一种数学上的理想，而不可能在现实中实现