愛因斯坦(5)_學達書庫

五

　　德國物理學家普朗克長期從事熱力學的研究。1899年，他從熱力學推導出維恩公式。但當他得知維恩公式在長波區與實驗結果有很大偏離，而1900年瑞利提出的公式僅在長波部分與實驗結果相符，在短波部分卻又失效時，便立即嘗試用內插片去建立新的輻射公式，使其在長波區和短波區分別同瑞利公式和維恩公式相一致。當時他得到的新公式被稱為普朗克公式：

　　1900年10月19日普朗克在德國物理學會上公佈了自己的公式。德國的物理學家魯本斯當晚就把普朗克公式同自己的實驗數據作了比較，發現兩者完全符合，第二天就把這個比較結果告訴了普朗克。普朗克聽到這個消息很受鼓舞，認為自己的公式同實驗結果符合得如此之好絕非偶然，「如果可以把它僅僅看作是一個僥倖揣測出的內插公式，那麼它的價值也只是有限的。由於這個緣故，從它於10月19日被提出之日起，我即致力於找出這個等式的真正物理意義」。

　　為了揭開這個謎，普朗克進行了艱巨而深入的研究工作。以牛頓力學和麥克斯韋電磁理論為基礎的經典物理學的所有方法，他都試過了，都失敗了。經過56天的緊張探索，他終於發現，這個關係式之所以不能從經典物理的理論推導出來，根本原因是經典物理關於能量均分的原理建立在電磁輻射能量連續的觀念上，只要作一個簡單的假設，一切問題就會迎刃而解。於是他果敢地放棄了經典物理的概念，而提出了一個截然不同的新概念，並以此為基礎構築了一個新的科學假說。

　　在這之後的一個深秋的夜晚，普朗克教授像往常一樣在別墅附近的樹林裡散步，他向陪著他散步的兒子說：「今天，我作出了一個假設，它和牛頓的發現一樣重要。」教授說完這句話，兩手一擺，顯得非常遺憾。他的聲音有點激動，這是很少有的。教授激動，倒不是因為研究有了進展，而是因為這個假設事關重大：它和現有的全部物理學觀念格格不入。而且他受過嚴格的經典物理學的訓練，他太愛牛頓，太愛經典物理理論了。

　　1900年12月14日，普朗克在柏林的物理學例會上，發表了題為《正常譜中的能量分佈法則的理論》的論文，報告了自己的研究成果。普朗克在假說中設想，物質中具有振動著的帶電粒子，稱線性諧振子。由於諧振子帶電，所以能與周圍的電場交換能量。他提出，諧振子在交換能量的過程中，它吸收或發射的能量不是連續的，而只能是一份一份地進行。這一份一份的能量是一個最小能量單元的整數倍。這個最小的、不可再分的能量單元稱為能量子，它的數值為用量子，後來叫做普朗克常數，它是微觀世界的基本標誌。根據這個假定，普朗克勝利地從理論上推出了普朗克公式。

　　由於普朗克對他的經驗公式所作的推導和論證，其立論根據與經典物理相違背，所以當他宣佈這一發現時，大多數科學家投之以冷淡的一笑。普朗克當時似乎也並不瞭解自己新發現的深遠意義，用他後來的話說，這不過是「孤注一擲的行動」，「實際上並沒有對它想得太多」。令人深思的是，他的假設是大膽的，但他的基本思想又偏於保守，他並沒有把他的新概念、新理論堅持下去，在往後整整14年裡，幾度觀望徘徊，多次力圖削足適履，重新把他的新理論納入經典的範圍，只是最後才不得不堅信量子假說的正確性。

　　雖然普朗克在量子理論問題上有過徘徊甚至倒退，然而量子概念的革命意義是巨大的，它標誌著一個偉大的時代——量子物理學的時代的到來。普朗克的歷史功績是不朽的。

　　光的微粒說與波動說之爭

　　在普朗克提出量子假設之後，有四年多的時間，似乎並未引起人們的興趣。然而在伯爾尼的瑞士專利局工作的年輕職員愛因斯坦，一看到普朗克的論文，就敏銳地看到了量子概念所隱含的普遍意義。1905年3月，正當普朗克猶豫彷徨之際，愛因斯坦就寫了一篇題為《關於光的產生和轉化的一個啟發性的觀點》的論文。在這篇論文中，他把普朗克針對諧振子能量所作的量子假設大膽地引進光輻射的研究中去。愛因斯坦在思想方法上沒有任何保守性，他很少顧及權威和因襲的教條，因而進一步發展了普朗克的思想，邁出了勇敢的一步。他認識到，正確運用普朗克的假說，光的理論便會煥然一新。

　　在光的理論方面，從17世紀以來就交織著牛頓的微粒說和惠更斯的波動說之間的鬥爭。牛頓在其第一部完整的光學著作《光學》中提出，光是由一顆顆像小彈丸一樣的機械微粒所組成的粒子流，發光物體接連不斷地向周圍空間發射高速直線飛行的光粒子流。他用光的微粒說輕而易舉地解釋了光的直進、反射和折射現象。由於牛頓的微粒說簡單，又能通俗地解釋常見的一些光學現象，所以很快獲得了人們的承認和支持。然而光的微粒說在解釋某些光學現象時也遇到了困難。比如，它無法解釋為什麼幾束在空間交叉的光線能彼此互不干擾地獨立前進，為什麼光線並不是永遠都走直線，而是可以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播。

　　為了解釋這些現象，與牛頓同時代的荷蘭物理學家惠更斯提出了與微粒說相對立的波動說。他把光和聲波、水波相類比，認為光是一種機械波動，由發光物體振動引起，依靠一種特殊的叫做「以太」的彈性媒質來傳播。波動說不但對上述困擾微粒說的問題給出了解釋，而且也解釋了光的反射和折射現象。兩種學說各有物理事實的支持，互不相讓。然而由於波動說當時還很不完善，解釋不了人們最熟悉的光的直進和顏色的起源等問題，所以並未得到廣泛的擁護。加上牛頓權威的影響，微粒說在19世紀之前一直占上風，並幾乎使得波動說在很長時間內銷聲匿跡。

　　19世紀初，英國物理學家托馬斯·揚在暗室中做了一個舉世聞名的光的干涉實驗；而法國物理學家菲涅耳也設計了一個實驗證實了光的衍射現象。這兩個著名實驗的成功，證明光確實是一種波，它只有用波動說才能解釋，而微粒說對此則無能為力。

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