作者：程鹗光是人类生存生活不可或缺的因素。西方圣经中的上帝在开天辟地之后首先便创造了光：“上帝说要有光，于是就有了光”。但上帝没有解释这个“就有了”的光是什么。古希腊人思考我们人类自身是如何借助光看到五彩缤纷的世界，提出过各种猜测，莫衷一是。 17世纪的牛顿曾亲手做过一些实验来探索光的特性。牛顿因为发明微积分和牛顿力学而闻名，他是那个时代很少有的、注重理论的物理学家（当时称数学家）。他通过棱镜实验证明了颜色是光本身的性质，提出光束其实是由微小的、肉眼看不见的粒子（copuscle）所组成。它们在真空中或媒介中传播不受任何作用力，会按照惯性定律走直线。当光穿越不同媒介时，牛顿假设光粒子会受到一种未知的力的作用才发生偏移，即“折射”（refraction）。而不同颜色的光微粒的质量略有不同，其中红光最大，紫光最小，它们受力后有不同的加速度，所以其偏移程度各不相同。 当时人们已经观测到光还会发生“衍射”（diffraction），即光在经过障碍物时不是完全按照障碍物所确定的直线行进，而是会有微弱的一部分光“绕”进了障碍物的阴影里。对此，牛顿同样归因于障碍物对光的作用力所导致。 牛顿的光微粒说能很好地解释棱镜区分白光中各种颜色的“色散”（dispersion）现象，但对于衍射则因为光的衍射具有如同声音传播的特性，牛顿的解释就显得十分牵强。与牛顿同时代的虎克（Robert Hooke）、惠更斯（Christiaan Huygens）等人早就提出光是一种波，并非牛顿所说的微粒。因此，微粒说与波动说在17-18世纪一直争执不休。虽然惠更斯的波动理论解释光的折射、衍射更为自然一些，但牛顿因为他的威望保证了微粒说一直略占上风。 直到1803年11月24日（牛顿已经去世160多年），英国王家学会迎来了一个新的年轻天才——刚刚30岁的杨（Thomas Young）。他14岁时就把圣经翻译成13种不同语言，20岁时解剖牛眼，发现了眼睛聚焦成像的秘密，开创了生理光学。随时后他留学德国，在哥廷根大学获得“物理、手术、助产博士”学位。杨在研究物理、治病救人之余，还翻译埃及象形文字（hieroglyph），是最早提出“印欧语系（Indo-European languages）”概念的先驱之一。因此，他被誉为“最后一个懂得一切的人（The Last Man who Knew Everything）”。 在王家学会，杨展示了一个极其简单、如他所说“只要有太阳光就能做”的实验：将窗帘拉上，使屋子里一片漆黑；再在窗帘上扎一个小洞，放进一束纤细的阳光；然后将一条宽约两毫米的小纸片伸进光束，观看纸片的影子。那纸片视乎本来可以完全挡住只有两毫米的光线，留下的应该是相应的黑影——最多不过是黑影边缘有一些来自衍射的模糊光。 然而杨展示的结果正好相反。纸片影子的正中不是最黑的地方，而是明亮的，并且从影子中间到边缘有着一道道彩色的条纹。杨解释说，这些条纹是因为太阳光的色散，如果在光束前面置放棱镜，只用单色的光做这个实验，那么在影子处看到的就会是明暗相间的条纹。 这种条纹如同水池中的水波在荡漾。如果水波经过一块石头，就会在石头后面看到与原来的水波不一样的细碎波纹。这是因为水波分别从石头的两边绕过，在石头后面相遇时互相干扰，造成水波有些地方增强有些地方减弱的效果。这个现象叫做“干涉（interference）”，是波动的特征之一。
杨在1807年出版的专著中的一些插图。上方有眼睛的构造，下面是光的各种干涉条纹 杨所展示的是光束从纸片的两边“绕”过，也应该是在那后面发生的干涉现象。牛顿的微粒说好歹能勉强解释光的折射和衍射，但对于这种干涉现象完全无能为力。杨的实验说明光束不是由微粒组成，而是一种波，所以牛顿的微粒说要退出历史舞台，取而代之的便是惠更斯的波动说。 半个多世纪后的1864年12月8日，站在王家学会同一个讲台上的是苏格兰人麦克斯韦（杨早已去世）。他在会上阐述了他那著名的、将分立的电、磁相互作用完美统一起来的方程组。 此前，法拉第（Michael Faraday）已经通过实验发现了变化的电场会产生磁场，变化的磁场也能产生电场。在麦克斯韦的方程里，这两个过程相辅相成，意味着存在连续传播的电磁波。当麦克斯韦计算电磁波的传播速度时，他惊喜地发现与当时已知的光速相同。于是，他骄傲地宣布，光其实就是一种电磁波。
1869年的麦克斯韦（左）和夫人 麦克斯韦的研究结果震惊了整个物理学界。在柏林，普鲁士科学院于1879年公开悬赏，重奖能在1882年3月1日前证实麦克斯韦电磁波的人，然而没有人如愿即时赢得这个奖。赫兹当时也做了一番准备，结果畏难而退。直到1887年，他才完成这一壮举，并发现了光电效应现象。 赫兹试验证实的是一种无线电波传播——按频率区分有多种类型的电磁波。作为纪念，后人将电磁波的频率以“赫兹”作为单位。当时有人问赫兹，这种电波有什么实际用途吗？他无可奈何地答道：“没有任何用处。这只是一个实验，证明了麦克斯韦的正确。”可见赫兹缺乏前瞻力，但他对科学毫不含糊。两年后，他凯旋式地宣布：“从人类观点而言，光的波动理论已经毫无疑问（The wave theory of light is from the point of view of human beings a certainty.）。” 其实，“乐观”在19世纪末成了物理学家的共性：普遍认为物理学已经达到完善境界，剩下的只是进行越来越精确的具体测量工作。1900年4月27日，英国开尔文勋爵（William Thomson, 1st Baron Kelvin.绝对温标的创造者）在王家学会发表演讲，他就说，在物理学晴朗天空只存在两朵小乌云——“以太”和“黑体辐射”。 这是两个未解的难题，都是涉及电磁学基本理论的问题。 光作为波，其传播需要媒介物质。当初牛顿反对波动说，他的一大理由就是：光从太阳、星星来到地球，很难想象整个宇宙会充满着这样一个我们没有觉察的媒介物质。而且，如果有的话，也应该在太阳系的星体运动中反映出来。牛顿的引力、动力学视乎已经说明在天体运动中没有这样的物质存在。 惠更斯学派只好假想有一种看不见摸不着的以太（aether）媒质，它像水、空气一样通过振荡传播光波，但除此之外，以太不参与其它任何物理作用，不影响牛顿力学的应用。遗憾的是，所有寻找以太的努力都失败了。尤其是1887年，美国物理学家迈克尔逊（Albert Michelson）和莫雷（Edward Morley）进行了精确的干涉仪实验，同样没能发现地球和以太之间的相对运动。这就基本上排除了以太存在的可能性。 这朵“以太”乌云最终由爱因斯坦在1905年那个奇迹年所发表的第三篇论文清除。爱因斯坦指出，麦克斯韦理论中的电磁波与水波、声波有显著的不同，它是可以自己在真空中传播而不需要任何媒介物质的。由此带来的相对速度问题，可以通过他新创立的狭义相对论而获得圆满解决。 至于另一朵乌云——黑体辐射，正如爱因斯坦所言，需要比相对论更具有革命性的观念来突破。 所谓黑体辐射（black-body radiation），它是19世纪中叶德国物理学家基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）凭经验提出的一种具有普遍性意义的物理模型。 当铁匠将铁器放在炉火中加热时，原来暗黑、不发光的铁器会随着温度升高逐步呈现桔黄、通红等颜色。经验丰富的工匠只要看看火色就能判断出铁器所具有的大致温度。作为物理学家，基尔霍夫将这一生活经验提炼成一个抽象的物理问题，叫做黑体辐射。 理想化的黑体能够完全吸收来自外界任何频率的热辐射，并且没有任何反射（即“黑体”的定义）。当然，它也可以通过自身的热辐射与所在环境达成热平衡，即保持同一温度。 根据简单的热力学定律，基尔霍夫推断，黑体的热辐射强度只会与频率、温度有关，而与物体本身是金属还是木炭、或者是固体还是液体等因素都没有关系。也就是说，在任何给定的温度下，黑体辐射在每个频率上的辐射强度应该是是一定的，于是就应该存在一条普适的频谱曲线。基尔霍夫自己没能推算出这个曲线的形状，但他强调这是一个极其重要的研究领域，希望物理学家为此努力。 既然麦克斯韦的电磁理论表明光也是电磁波，那么基尔霍夫黑体的热辐射也应该是包括发光在内的电磁辐射。我们平时看不到周围物体的发光，不是因为它们没有热辐射，而是因为在室温下黑体辐射主要处于红外波段。当物体被加热到摄氏500度高温时，其热辐射的高峰才会从红外转为可见光，而可见光的颜色也会随着温度的升高而逐渐发生变化。 在基尔霍夫之后的几十年里，德国的物理学家们也确实是将黑体辐射作为重点科研课题，设计出各种方法测量其频谱。1893年，柏林大学的维恩（Wilhelm Wien）在实验基础上总结出一个经验公式，可以很好地拟合当初得到的实验数据。 那时，普朗克已经是40出头的中年人，他在柏林大学接替了基尔霍夫的教授席位。普朗克为维恩的经验公式赋予热力学的理论基础，使其成为黑体辐射的正统理论。该公式也因此被称为“普朗克-维恩定律”。1899年，普朗克在德国物理学会会议上自信满满地表示：这个定律其实与热力学第二定律等价，如果出问题，那么整个热力学体系也就会麻烦了。
1906年的普朗克 但是，普朗克的大话没能挺过一年。1900年10月7日，柏林工业大学的实验物理教授鲁本斯（Heinrich Rubens）夫妇应邀来到普朗克家做客。在两位夫人聊天之际，两个物理学家躲进了书房。鲁本斯向普朗克透露，他们对黑体辐射的测量已经推进到新的、更低频率的远红外波段，所得到的数据与普朗克-维恩定律的理论值相差极大。 普朗克深感事体重大。那天晚上，他独自一人在家仔细研分析新得到的数据，很快他发现只要修改一下普朗克-维恩定律的数学形式，就能同时与过去的和与新的数据完美符合。但问题是，在已经宣布既有定律是热力学的唯一结论之后，现在如何才能解释这个变化？ 他没有更多的时间寻找答案。仅仅12天后，德国物理学会召开大会，鲁本斯的合作者做了他们最新成果的报告。会上所展示的曲线果然与普朗克-维恩定律大相径庭，普朗克不得不站出来应对。他坦承一年前的大话可能说过了头，热力学第二定律也许并不能确定地导致普朗克-维恩定律，新的实验数据说明后者显然不够正确。 普朗克在作了上述表白之后，他又把话音一转：请容许我展示一个新的规律。随即他亮出那天晚上所得到的新公式，它能与实验数据的拟合几乎天衣无缝。 普朗克新公式是在已知实验结果的情况下倒推、拟合而得到的，这对于理论学家而言视乎属于一种“作弊”行为。为了能在理论上站得住脚，普朗克在几个星期里绞尽了脑汁。终于，在12月14日的又一次会议上，他给出了一个至少是数学推导上的根据。他说，如果我们在计算中假设黑体吸收、发射电磁波时的能量有一个与频率成正比的最小值，就可以得出这个完美的新公式。他把那个最小值叫做“量子”（quantum，在德语中是“数量”的意思）。 也许是因为新的公式与实验结果符合得太优美，在座的物理学家没有纠结普朗克的推导过程。从那之后，他的新公式被正式称为黑体辐射的“普朗克定律”，而此前的“普朗克-维恩定律”则静悄悄地退位为“维恩定律”，仿佛与普朗克从来没有过任何瓜葛。 后来，普朗克回忆道：“那是一个绝望之举……，我知道这是一个基础性问题，我也知道答案。但我必须不惜一切代价找出一个理论解释，只是不能违反热力学的第一、第二定律。” 然而普朗克没想到是，远在瑞士的伯尔尼，有一个专利局的小职员很快看穿了他这个马虎眼，并从中看出了实现更革命性的突破之契机。 |
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