物理学家保罗·埃伦费斯特把这个难题称为“紫外线的灾难”[6],它后来成为物理学书籍中臭名昭著的“紫外灾难”。
此时我们面对的是理论和实验的不匹配,在科学中,我们必须改变理论。你无法决定一个实验应该产生什么结果,所以如果某种理论无法预测你实际得到的数据,那你就需要与这一理论一拍两散。
紫外灾难之所以发生,显然是因为我们对光能的运行机制有一些错误的认识。没有人会想到,稍微整理下思绪,我们就会走上量子革命的道路。尽管想出答案的那个人并没有尝试如此激进的事情,因为他只是想要一个廉价的灯泡。
直到普朗克出现
马克斯·普朗克是家里六个孩子中最小的一个。1875年他高中毕业,比他的同学早一年。普朗克申请去慕尼黑大学学习物理,但审核他申请的菲利普·冯·约利教授试图劝阻他,因为他认为物理学几乎已经走到尽头了,这会浪费普朗克的才智。[7]
约利教授很郑重地劝阻,但普朗克没有退缩,坚持自己想要学习的课程。他不在乎能否发现新大陆,因为他不关心遗留问题,他只想知道世界是怎样运转的,而且决不罢休。普朗克没有屈服。
约利教授对普朗克的固执态度印象深刻,最终决定接受他。很快,普朗克就成为欧洲物理学界最受尊敬的人物之一。据说,普朗克的讲座非常受欢迎,听他演讲的人摩肩接踵;有报道说,有的听众因为太热而晕倒,其他人却无动于衷,就为了听普朗克把话说完。
普朗克名声大噪,引起了德国标准局的注意,该局正在致力解决德国的电力路灯问题,问他是否愿意协助。电力在其他国家已经很流行了,但价格昂贵,德国想要找出最高效的方法。普朗克欣然接受了邀请,着手分析热灯泡的热与光之间的关系。[8]
这种灯泡的灯丝实际上是一个“黑体”,随着内部温度升高,表面吸收了所有能量,并以光的形式重新激发出来,大部分是可见光。然而,当灯丝继续变热时,它并没有产生瑞利-金斯定律所预测的那种光,所以普朗克决定创造一种新定律,在这个定律中,他把光能想象成一种气体。
假设气体中有一群随机飞行的粒子,当它们碰撞时,粒子的温度被重新分配,很有可能一些粒子能量较低,另一些粒子能量较高,但大多数粒子的能量集中在一个平均值—这就是我们所说的“温度”。
普朗克意识到,这种能量分布与他在灯泡实验中看到的情形相符。当我们加热一个物体时,它激发出的光集中在一个能量中值,而少量光束出现高能量和低能量。因此,普朗克提出,光束配分能量的方式,与气体粒子配分热量的方式相同。
唯一的问题是,气体热现象能够发生,是因为气体能被拆分成粒子。如果普朗克的想法可行,那么光也必须由粒子构成。
他把这些微小的光粒子称为“量子”(quanta),源自拉丁文中的“quantitas”,意思是“数量”(quantity)。普朗克不动声色地继续工作着。
需要明确的是,普朗克并没有真的宣称光由粒子构成—那太荒谬了。他只是在玩一个幼稚的数学游戏,主要是出于绝望,好让自己的结果变得更合理。由于托马斯·杨的实验,大家都知道光是一种通过以太的波,而且我们早就抛弃了牛顿的微粒学说。
在普朗克看来,光量子是一个不成熟的答案,不值得认真对待,所以很自然,当他收到一份证明光量子真实存在的研究论文时,他惊呆了,呆若木鸡。
(1) 原文是“waveforlighttheory”,既可以解释为“光波理论”,也可解释为“挥手告别光理论”。之所以说刻意,是因为“光波理论”的英文通常写作“wavetheoryoflight”。—译注
(2) 英语中有句谚语:“don'tputthecartbeforethehorse”,意思是“不要把马车放在马前面”,即不要本末倒置。这里用“Descartes”(笛卡尔)代替了“thecart”。这里的“笑话”是指英语中一个关于马的笑话。一匹马走进酒吧,酒保问:“你是酒鬼吗?”马回答:“我想我不是(Idon'tthinkIam)。”然后“砰”的一声马消失了。这里暗讽笛卡尔的名言“我思,故我在(Ithink,therefore,Iam)”。要解释这个笑话的笑点,就必须把笛卡尔放在马前面(putDescartesbeforethehorse)。—译注