第五十九回：晴空裡飄來一朵烏雲，死水上吹起一陣清風
——量子論的產生上回說到盧瑟福和他的助手們造出原子搗碎機，一步步地向原子內部進軍。這盧瑟福是個偉大的實驗物理學家，在他的面前沒有解決不了的難題。他特別強調實驗，他喜歡引用波義耳的一句話：真正的科學就是旨在應用的知識。他還嘲笑一些人整天坐在書齋裡，只憑書本上的現成公式來研究科學，說這是一種危險的消遣。有一次甚至說那些理論物理學家們的氣焰未免太高了，現在是我們實驗物理學家該讓他們冷靜的時候了。他這些話也未免有點偏頗。其實一門科學的進步，理論和實驗是不可缺少的左右腿，它們總是一前一後交替前進，哪能再分高低呢？而盧瑟福在原子實驗方面積累了許多事實之後，他萬沒有想到現在真的需要那些會被他挖苦過的理論物理學家們來幫忙了。
這事還得從頭說起。到十九世紀末葉之時，經典物理學大廈經過了從牛頓到麥克斯韋這些大師們的精心設計和建造，真可謂盡善盡美了。大自然中的物理現象也都能用經典理論解釋得清清楚楚。可是好景不長，也真怪物理學家們無事生非，不知誰先想出了一個題目，要是一塊全黑的物體，它是怎樣吸收外來的熱量又怎樣放出熱量呢？比如一塊鐵吧，我們可以把它看成近似的黑體，給它加熱，它開始吸收熱能，鐵塊會先呈暗紅，而黃而白，發出耀眼的光線。這就叫“黑體輻射”。按經典理論，熱的輻射和吸收是一個完全連續的過程，就像管子裡流出來的一股水，光和輻射是一種電磁波。這條連續性原理是經典物理學的一塊基石。可是那些無事生非的物理學家們終於給自己找來了麻煩，他們用這種理論來解釋黑體輻射，無論如何也不能使輻射能量和輻射光譜統一起來。所以，當時代步入20世紀第一個年頭時，物理學界的老前輩開爾文在新年祝辭中一面慶賀物理學的新勝利，一面又憂心地提到，天空又出現了兩朵烏雲，這便是其中之一。
既然輻射能量隨溫度的升高而增加，於是問題的焦點就是求出能量、溫度與波長之間的關係式。英國物理學家瑞利和金斯得到一個公式，它在解釋波長較長、溫度較高時的黑體輻射現象時還能說得通，但是要把它用於短波的紫外光區，立即出現一個可怕的現象——全部能量老早就在一次性的紫外輻射中散光了。正像我們計算一個十歲孩童的年齡時，誤把一月當作一年，結果他早該不在人世了。這當然是一個純理論的推斷，但卻得出一個可怕的結果。物理學家們立即給它起了一個不祥的名字，叫“紫外災變”。而同時，有一個德國人維恩也推出一個公式。維恩公式正好相反，它適用於波長較短、溫度較低的情況，而對長波的紅外區卻又是一場“紅外災變”。又好像我們計算一個古稀老人的年齡時，卻誤以一世紀為一歲，結果他還沒有出生呢。但是這兩個公式依據的都是經典物理學的同一原理啊，何以如此水火不容呢？
各位讀者，說到這裡讓我們回想一下本書前面曾敘述過的一個實驗。按照亞里斯多德的說法，物體下落時肯定是重物比輕物的速度快。伽利略不信，1590年他站在斜塔上把一個大球和一個小球同時往下一丟，結果同時落地。他在同守舊分子的辯論中用了一個很好的推理：如果把兩個球綁在一起，下落速度可能有兩個，一是比大球快，因為兩球比一球重；二是兩球的平均速度，小球慢，當然要扯大球的後腿。顯然這兩個結論是矛盾的，但是它們都是根據同一個亞里斯多德的原理啊！於是伽利略大膽地喊了一聲：亞里斯多德錯了！只有我的實驗才是對的。
現在經典物理學也遇到這個問題，根據同一原理怎麼在一個黑體輻射問題上得出了兩個相矛盾的結論呢？物理學家們驚呼晴朗的天空出現了一朵烏雲(請讀者注意以後還會出現一朵)。現在也該有一個不知名的新人物出來，如伽利略那樣大喊一聲：經典理論錯了！並且拿出自己正確的解釋。
真是時勢造英雄。這個人來了，他就是普朗克(1858－1947)。
普朗克1858年4月23日生於德國的基爾。就在這一年本生和基爾霍夫開始研究光譜分析法，而基爾霍夫也沒有想到這個呱呱隨地的嬰兒將來就要做他的學生和繼承他的教授席位。普朗克少年時代極喜歡音樂，以至於中學畢業後，選擇專業時，在音樂和自然科學間猶豫再三，就是到了大學裡他還在留戀音樂，並且親自領導了一個樂隊，又是學院合唱團的指揮。這時，在他通向榮譽的大路上又遇到一次小小的干擾，老師堅決反對他專攻理論物理。1924年普朗克在講演中回憶說：“當我開始研究時，我可敬的老師約裡對我描繪物理學是一門高度發展的，幾乎是盡善盡美的科學。現在，在能量守恆定律的發現給物理學戴上桂冠之後，這門科學看來很接近於採取最終穩定的形式。也許，在某個角落還有一枚塵屑或一個小氣泡，對它們可以去進行研究和分類。但是，作為一個完整的體系，那是建立得足夠牢固的；而理論物理學正在明顯地接近於如幾何學在數百年中所已具有的那樣完善的程度。”
幸虧中學和大學的這兩次干擾都沒有動搖普朗克最終的決心。他21歲時通過了博士論文，他關於熱力學方面的研究已開始孕育他將來的新思想。可惜他關於這方面的論文先是被基爾霍夫當作錯誤觀點放在一邊，後來他又在物理學會宣讀，但全場除一人發言外，其餘的人毫無反應，而這一人還是表示反對。關於這件事，他在自己的回憶錄裡寫道：“這是對我那熱烈的想像澆了一瓢冷水，我步行回家，抑鬱寡歡，但很快就找到了安慰，因為我想：一種好的理論即使沒有巧妙的宣傳也將會得到承認的。”
普朗克環顧周圍無一知音，真是愁悶之極。柏林西郊的格呂內瓦爾德有一片30多平方公里的松林，裡面湖泊星羅棋布，煞是安靜。普朗克便帶上十幾歲的兒子到這裡散心。兒子當然更不懂他這高深的理論，但是他還是滔滔不絕地說著自己的想法，並扯下一根松枝，狠狠地一折兩截，大聲說道：“我現在發現的那個東西，要麼荒誕無稽，要麼也許是牛頓以來物理學上最偉大的發現之一。”但是，除了微風搖動樹葉掠過湖面之外，松林間再無一點聲音。那些粗大的松樹矗立著，俯視著這個奇怪的不速之客。普朗克腿一軟，頹然靠在樹根，呆呆地看看湖面上由近而遠的一層層的波紋。
正是：
不到清明不下雨，不遇春風不吐芽，
時機未到且等待，有苞必定會有花。
這機會終於叫他等到啦。1900年10月19日，柏林物理學會又在舉行討論會。物理學家庫爾鮑姆在會上報告了他最近的實驗，數據表明雖克服了“紫外災變”，但仍與維恩公式不符，又是那道不可逾越的難題。誰知這時普朗克恰巧在座，他前幾天就知道了這個實驗，這種尷尬局面本是意料之中的事。這真是天賜良機，普朗克立即上前在黑板上寫出一個自己推出的公式。這個式子無論對長波、短波、高溫、低溫都驚人地適用，瑞利－金斯公式和維恩公式被和諧地統一到一起。於是滿座大驚，雖然還沒有一個人能完全弄清楚這個新公式，但是在事實面前卻再無人能提出反對意見。會後普朗克的一篇只有三頁的短文在物理學會通報上發表了，它成了物理學史上的一塊里程碑。
物理學會再也不能輕視普朗克的挑戰了，兩個月後，1900年12月14日他們在國會大廈附近的赫爾霍姆茨研究所召開會議，特請普朗克介紹這項新發現。請讀者記住這個日子，這天便是量子論的誕生日，它奠定了45年後原子武器的原理。普朗克早就如骨鯁在喉，今天終於能說他個痛快淋漓：“一言以蔽之，我做的這件事，可以簡單地看作是孤注一擲。我生性平和，不願進行任何吉凶末卜的冒險。但是我經過六年的艱苦摸索，終於明白，經典物理學對這個黑體輻射問題是絲毫沒有辦法的。舊的理論既然無能為力，那麼就一定要尋找一個新的解釋，不管代價多高也一定要把它找到。除了熱力學的兩條定律必須維持外，至於別的，我準備犧牲我以前對物理所抱的任何一個信念。問題往往是這樣，到實在不能解決時，拋棄舊框子，引入新概念，就立即迎刃而解了。”
普朗克引入了一個什麼新概念呢？就是說輻射的能量不是連續的，如管子裡流的水那樣，而是成一小份一小份的，像機關鎗裡不斷射出的子彈。這一份一份就取名為“量子”，量子在拉丁文裡是“分立的部分”或“數量”的意思。把一個整體的連續的能量換個角度看作是無數量子的集合，問題就好解決了。這樣還不好懂，我們舉一個相似的例子，這本書中曾寫到祖沖之求圓周率的故事。圓，這個光溜溜的傢伙真不好下手，但是祖沖之偏不把它看成是連續的、完整的圓，而認為是一個圓內接的無限多的正多邊形，邊越多，就越趨近於圓，而那個圓周率也越求越精，但總求不完：
π=3.1415926535897932384626...
普朗克現在把能量分成許多能量子，這些能量子相加就趨近於它的總能量。能量子又與它的頻率有關，他得出這樣一個公式：
能量子＝h×頻率。
h後來被稱作普朗克常量，是：
0.0000000000000000000000000066……(KID註：這個是克•秒•厘米制的，單位是克•平方厘米/秒，在現在的標準單位制裡是6.6×10-34，單位是千克•平方米/秒，也就是焦•秒)這真是小到極點，它表示我們把每一塊物質看成一些跳動的粒子時，這個跳動是多麼微弱。但是不要忘了，就是這麼個小數字卻決定著原子彈那威力無比的爆炸。
但是，普朗克這個新理論實在是太革命了。物理學會雖然請他作了報告，可是還沒有一人相信這個新觀念，連普朗克本人也覺得最好能把新舊理論統一起來。他雖然勇敢地提出了新觀念，但就如兒子對一個專橫守舊的父親，忍無可忍而猛擊了反抗的一掌，而這一掌剛打過，他就立即受到一種倫理上的自責。在後來一段時間普朗克總在尋找更好的辦法把新觀念納入舊理論。就像牛頓後來用科學來證明上帝一樣，一個新理論誕生之初經常會表現得惴惴不安，未敢立即脫離它的母體。
但是，正當普朗克孤立無援而且自己也有四年時間裹足不前時，瑞士專利局的一個小職員發表了一個重大的聲明，帶著增援部隊殺上陣來。
這個人就是當時還未出名的愛因斯坦。他提出一個光電效應理論，比普胡克還要大膽。普朗克說物質是一份一份地吸收或放出能量，愛因斯坦說還不止於此，每個能量子在脫出物質之後必定以某種方式表現為像一個粒子，一個光粒子，即我們現在說的光子。實驗證明在光電效應中，當光的速度，即光的量增大時，電子的速度卻不能增大。這用麥克斯韋的經典電磁理論無法解釋。而愛因斯坦的新理論立即來拯救這又一個新的“紫外災變”了。光子像子彈，射在金屬上的子彈越多，撞出的電子數越多，但並不能增加它的速度。要想增加電子的飛出速度，就得改用重子彈，加強碰撞力——這就是提高頻率。好了，這一下天衣無縫地證明了我們上面提到的普朗克公式，能量子＝h×頻率。這對普朗克真是在關鍵時刻最關鍵的支持。愛因斯坦因此獲得1921年的諾貝爾獎金。當然普朗克也獲得了1920年的諾貝爾獎金。他在一次演說中謙虛地說：“如果一個礦工發現了一座金礦，那是因為地下本來就有金子。我不去發現量子原理，也總有人會去發現它的。”物理學到一定階段總要推出自己的代表人物的。這是後話。
再說在風雨中艱難掙扎的量子論有愛因斯坦這個大將振臂一呼，總算舉起了一桿義旗，陸陸續續也有人加入了這個隊伍。於是物理學家能斯特便想召開一個專門會議，檢閱一下量子論的隊伍以振奮士氣。他找到了實業家兼業餘科學家索爾維，請他出錢贊助。這個索爾維是比利時人，他因為發明了新的制鹼法成了百萬富翁。這年他已七十多歲，不由想到死後這筆財產怎麼處理，何不學諾貝爾，也來資助一下科學發展呢？這樣他就欣然答應贊助。兩人與普朗克商量後，立即向18位有影響的物理學家發出了會議通知。而這個通知本身就很有學術價值，幸虧它還原封保存了下來。
我們現在的物質分子運動所依據的那些基本原理，似乎正處在革命性的變革之中。一方面，這個理論一以貫之的發展，導致一個其有效性同一切實驗發現相牴觸的輻射公式，而到現在為止還沒有任何人提出遇異議；另一方面，從這理論導出的某些有關比熱的公式被大量測數據所徹底推翻。
像普胡克和愛因斯坦所特別提出的那樣，只要對電子和原子在其平衡位置附近的振動作某些限制(能量子理論)，追些矛盾便立即消失；但是這個概念離開迄今所應用的那些運動方程是那麼遠，以致如果接受了它，就勢必要對我們現有的種種基本觀點來一番大的改造…¨
1911年10月30日，當時世界上在這一領域內最優秀的18名領袖齊集布魯塞爾的大都會飯店。但是年高望重的瑞利未能到會，他送來一封短信，對量子論表示反對。瓊斯和彭加勒兩個大人物也表示反對。不過，臨散會時彭加勒已經背叛了經典原理而加入這支義軍。還有盧瑟福、居里夫人等五位實驗物理學家，他們對這個很玄的理論問題原來也不怎麼關心，所以持中立立場，其餘十一位科學家表示贊成。十一年過去了，這支新軍從一人發展到十二人，雖還不算壯大，卻也稍成氣候了。
會議的主力當然是普朗克和愛因斯坦了。過去他們只是通信，互表支持，現在為了共同關心的理論相見於會議桌旁，倍感親切。普朗克說：“我應該首先表示對您的感謝。是您在我最困難的時候對我和這一切幼弱的理論給予了極關鍵的支持，並且闡述得比我自己更深刻，更完善。”
“不，您這一發現才是真正的偉大驚人之舉，可以預見它將成為二十世紀整個物理學研究的基礎，分子、原子以及它們變化的能量過程的理論都離不開這一理論的支持。可惜現在人們還不能充分意識到這一點。”
“是的，今天我們一共才邀集了18個人，而且意見還不盡一致。我想再過一年，最多兩年，我們將會看到，經典理論中現已顯現出來的那個裂縫將不斷擴大，那時當前還置身於這個問題之外的人將統通會捲了進來。”
“我相信，用不了兩年，這次會議之後就會出現一個量子熱的。”
“不過愛因斯坦先生，您的聰明智慧勝過我十倍，為什麼您不全力以赴在這個理論上再做貢獻呢？”
愛因斯坦幽默地捋了一下他的短鬍子說：“可惜上帝給我的精力有限，而他又給物理學的晴空裡送來兩朵烏雲。我現被那另一朵烏雲罩住正脫不得身呢。”
愛因斯坦說的另一朵烏雲是什麼，且聽下回分解。