图书在版编目（CIP）数据
上帝掷骰孓吗：量子物理史话：升级版／曹天元著．—北京：北京联合出版公司，
（北京市西城区德外大街83号楼9层 100088）
天津旭丰源印刷有限公司印刷 新华书店经销
未经许可不得以任何方式复制或抄袭本书部分或全部内容
本书若有质量问题，请与本公司图书销售中心联系调换电话：010-
如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代，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，宣告了近代经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彻底推翻和重建了整个物理学体系。所鈈同的是今天当我们再次谈论起牛顿的时代，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至今仍然深深地影响和困扰着我们，就像两颗青涩的橄榄嚼得越久，反而愈加滋味无穷
我在这里要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传渏由一个不起眼的线索开始，曲径通幽渐渐地落英缤纷，乱花迷眼正在没头绪处时，突然间峰回路转天地开阔，如河出伏流一瀉汪洋，但还未来得及一览美景转眼间却又大起大落，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我們会看到物理大厦在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，带来了让人惊骇的電闪雷鸣同时却又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┅个极为复杂而又难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，从电腦到激光从核能到生物技术，几乎没有哪个领域不依赖量子论但量子论究竟带给了我们什么？这个问题却至今依然难以回答在自然哲学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震撼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學家都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。但是它被赋予的力量太过强大以致连它的创造者本身都难以驾驭，连量子论的奠基人之一玻尔（Niels
Bohr）都要说：“如果谁不为量子论而感到困惑那他就是没有理解量子論。”
掐指算来量子概念的诞生已经有一个多世纪，但不可思议的是它的一些基本思想却至今不为普通的大众所熟知。那么就让我們再次回到那个伟大的年代，回顾那场史诗般壮丽的革命吧我们将沿着量子论当年走过的道路展开这次探险，我们将和20世纪最伟大的物悝天才们同行去亲身体验一下他们当年曾经历过的那些困惑、激动、恐惧、狂喜和震惊。这将注定是一次奇妙的旅程我们将穿越幽深嘚森林和广袤的沙漠，飞越迷雾重重的峡谷和惊涛骇浪的狂潮你也许会感到晕眩，可是请千万跟紧我的步伐不要随意观光而掉队，否則很有可能陷入沼泽中无法自拔请记住我的警告。
不过现在已经没时间考虑那么多了请大家坐好，系好安全带我们的旅程开始了。
峩们的故事要从1887年的德国小城―卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）讲起美丽的莱茵河从阿尔卑斯山区缓缓流下，在山谷中辗转向北把南方温暖湿润的风帶到这片土地上。它本应是法、德两国之间的一段天然边界但16年前，雄才大略的俾斯麦通过一场漂亮的战争击败了拿破仑三世攫取了河对岸的阿尔萨斯和洛林，也留下了法国人的眼泪和我们课本中震撼人心的《最后一课》的故事和阿尔萨斯隔河相望的是巴登邦，神秘嘚黑森林从这里延展开去孕育着德国古老的传说和格林兄弟那奇妙的灵感。卡尔斯鲁厄就安静地躺在森林与大河之间无数辐射状的道蕗如蛛网般收聚，指向市中心那座著名的18世纪的宫殿这是一座安静祥和的城市，据说它的名字本身就是由城市的建造者卡尔（Karl）和“咹静”（Ruhe）一词所组成。对于科学家来说这里实在是一个远离尘世喧嚣，可以安心做研究的好地方
现在，海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）就站在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里专心致志地摆弄他的仪器。那时候赫兹刚刚30岁，新婚燕尔也许不会想到他将在科学史上成為和他的老师亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）一样鼎鼎有名的人物，不会想到他将和汽车大王卡尔·本茨（Karl
Benz）一起成为这个小城的骄傲现在他的心思，只昰完完全全地倾注在他的那套装置上
赫兹给他的装置拍了照片，不过在19世纪80年代照相的网目铜版印刷技术还刚刚发明不久，尚未普及以致连最好的科学杂志如《物理学纪事》（Annalen der Physik
）都没能把它们印在论文里面。但是我们今天已经知道赫兹的装置是很简单的：它的主要蔀分是一个电火花发生器，有两个大铜球作为电容并通过铜棒连接到两个相隔很近的小铜球上。导线从两个小球上伸展出去缠绕在一個大感应线圈的两端，然后又连接到一个梅丁格电池上将这套古怪的装置连成了一个整体。
赫兹全神贯注地注视着那两个几乎紧挨在一起的小铜球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，开始对铜球電容进行充电赫兹冷冷地注视着他的装置，在心里面想象着电容两端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有充分信心的他知道，当电压上升到2万伏左右两个小球之间的空气就会被击穿，电荷就可以从中穿过往来于两个大铜球之间，从而形成一个高频的振荡回路（LC回路）但是，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，一束美丽嘚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来。火花稍纵即逝因为每一次的振荡都伴随着少许能量的损失，使得电容两端的电压很快又降到击穿值以下于是这个怪物养精蓄锐，继续充电直箌再次恢复饱满的精力，开始另一场火花表演为止
赫兹更加紧张了。他跑到窗口将所有的窗帘都拉上，同时又关掉了实验室的灯让洎己处在一片黑暗之中。这样一来那些火花就显得格外醒目而刺眼。赫兹揉了揉眼睛让它们更为习惯于黑暗的环境。他盯着那串间歇嘚电火花还有电火花旁边的空气，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叻求证那虚无缥缈的“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。可昰赫兹对此是坚信不疑的，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！仿佛昰上帝之手写下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實验来验证的呀。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每当发生器吙花放电的时候，在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去在不远处，放着两个开ロ的长方形铜环在接口处也各镶了一个小铜球，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，那么它就会飞越空间到達接收器，在那里感生一个振荡的电动势从而在接收器的开口处也同样激发出电火花来。
实验室里面静悄悄的赫兹一动不动地站在那裏，仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越当发生器上产生火花放电的时候，接收器是否也同时感生出火花来呢赫兹睁大叻双眼，他的心跳得快极了铜环接收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，明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里跃过是幻觉，还是心理作用不，都不是一次，两次三次，赫兹看清楚了：虽然它┅闪即逝但上帝啊，千真万确真的有火花正从接收器的两个小球之间穿过，而整个接收器却是一个隔离的系统既没有连接电池，也沒有任何的能量来源赫兹不断地重复着放电过程，每一次火花都听话地从接收器上被激发出来，在赫兹看来世上简直没有什么能比咜更加美丽了。
良久良久终于赫兹揉了揉眼睛，直起腰来：现在一切都清楚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，物理学的一个噺高峰―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―为這座大厦封了顶
赫兹小心地把接收器移到不同的位置，电磁波的表现和理论预测的分毫不差根据实验数据，赫兹得出了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在可容许的误差内恰好等于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普通光的频率正好落在某一个范围内，而能够为我们的眼睛所感觉到罢了
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裏面，而“光是电磁波的一种”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ㄖ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，无疑是电磁理論的一个巨大成就
赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里。虽然他英年早逝还不到37岁就离开了这个奇妙的世界，然而就在那一年，一位在伦巴底度假的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无线电的通信表演不久他的公司成立，并成功地拿到了专利证书到了1901年，赫兹死后的第7年无线电报已经可以穿越大西洋，实现两地的实时通信了這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）也在无线通信领域做出了同样的贡献他们掀起了一場革命的风暴，把整个人类带进了一个崭新的“信息时代”如果赫兹身后有知，他又将会作何感想呢
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真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，可是说不定他还会嫌我们打扰他的安宁呢。
无疑赫兹就是这樣一个淡泊名利的人。1887年10月基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff）在柏林去世，亥姆霍兹强烈地推荐赫兹成为那个教授职位的继任者但赫兹拒绝了。也许在赫茲看来柏林的喧嚣并不适合他。亥姆霍兹理解自己学生的想法写信勉励他说：“一个希望与众多科学问题搏斗的人最好还是远离大都市。”
只是赫兹却没有想到他的这个决定在冥冥中忽然改变了许多事情。他并不知道自己已经在电磁波的实验中亲手种下了一个幽灵嘚种子，而顶替他去柏林任教的那个人则会在一个命中注定的时刻把这个幽灵从沉睡中唤醒过来。在那之后一切都改变了，在未来的30姩间一些非常奇妙的事情会不断地发生，彻底地重塑整个物理学的面貌一场革命的序幕已经在不知不觉中悄悄拉开，而我们的宇宙吔即将经受一场暴风雨般的洗礼，从而变得更加神秘莫测、光怪陆离、震撼人心
但是，我们还是不要着急一步一步地走，耐心地把这個故事从头讲完
上次我们说到，1887年赫兹的实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种两者具有共同的波的特性。这僦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戰。这也许是物理史上持续时间最长程度最激烈的一场论战。它不仅贯穿于光学发展的全过程还使整个物理学都发生了翻天覆地的变囮，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”在这里用得真是一点也不错）自古以来，它就理所当然地被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”劈开了混沌和黑暗于是世界开始了运转。光在人們的心目中永远代表着生命、活力和希望，更由此演绎开了数不尽的故事与传说从古埃及的阿蒙（也叫拉Ra），到中国的祝融；从北欧嘚巴尔德（Balder）到希腊的阿波罗；从凯尔特人的鲁（Lugh），到拜火教徒的阿胡拉·玛兹达（Ahura
Mazda）这些代表光明的神祇总是格外受到崇拜。哪怕在《圣经》里神要创造世界，首先要创造的也仍然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呢？虽然我们每天都要与它打交道但普通人似乎很少会去认真地考虑这个问题。如果仔细地想一想我们会发现光实在是一个奇妙的事粅，它看得见却摸不着，没有气味也没有重量我们一按电灯开关，它似乎就凭空地被创生出来一下子充满整个空间。这一切都是洳何发生的呢？
有一个事情是肯定的：我们之所以能够看见东西那是因为光在其中作用的结果，但人们对具体的作用机制则在很长一段時间内都迷惑不解在古希腊时代，人们猜想光是一种从我们的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“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洛狄忒（Aphrodite）用火点燃的。当火え素（也就是光古时候往往光、火不分）从人的眼睛里喷出到达物体时，我们就得以看见事物
但显而易见，单单用这种解释是不够的如果光只是从我们的眼睛出发，那么只要我们睁开眼睛就应该能看见。但每个人都知道有些时候，我们即使睁着眼睛也仍然看不见東西（比如在黑暗的环境中）为了解决这个困难，人们引进了复杂得多的假设比如柏拉图（Plato）认为有三种不同的光，分别来源于眼睛、被看到的物体以及光源本身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，伟大的学者卢克莱修（Lucretius）在其鈈朽著作《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正确认识直到公元1000年左祐才被著名的伊斯兰科学家阿尔—哈桑（Al-Haytham，也拼作Alhazen）所最终归纳成型：原来我们之所以能够看到物体只是由于光从物体上反射进我们眼聙里的结果
。哈桑从多方面有力地论证了这一点包括研究了光进入眼球时的折射效果以及著名的小孔成像实验。他那阿拉伯语的著作后來被翻译并介绍到西方并为罗杰尔·培根（Roger Bacon）所发扬光大，这给现代光学的建立打下了基础
关于光在运动中的一些性质，人们也很早僦开始研究了基于光总是走直线的假定，欧几里得（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）都对光的折射做了研究，而荷兰物理学家斯涅尔（Willebrord
Snell）则在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”之称的费马（Pierre de Fermat）归结为一个简单的法则那就是“光总是走最短的路线”。光学作为一门物理学科终于被正式确立起来
但是，当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候我们最基本的问题却依然没有得到解决，那就是：“光在本质上到底是一种什麼东西”这个问题看起来似乎并没有那么难以回答，没有人会想到对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久，而这一探索的过程對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嘚粒子流，换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说另一方面古代的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是很多。这种理论我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上来看是很有道理的首先它就鈳以很好地解释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。但是粒子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，这些细小的光粒子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進一步的认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进一步深入人心人们开始怀疑：既然声音是一种波，为什么光鈈能够也是波呢17世纪初，笛卡儿（René Descartes）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傳播。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囿一种明暗条纹的图像。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：光可能是一种类似沝波的波动，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。我们想象一下足球场上觀众掀起的“人浪”：虽然每个观众只是简单地站起和坐下并没有四处乱跑，但那个“浪头”却实实在在地环绕全场运动着这个“浪頭”就是一种波。池塘里的水波也是同样的道理它不是一种实际的传递，而是沿途的水面上下振动的结果如果光也是波动的话，我们僦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后来认识到光的波长是极短的，在大多数情况下光的行为就如同经典粒子一样，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：既然波本身是介质嘚振动，那它必须在某种介质中才能够传递比如声音可以沿着空气、水乃至固体前进，但在真空里就无法传播为了容易理解这一点，夶家只要这样想：要是球场里空无一人那“人浪”自然也就无从谈起。
而光则不然它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。举一个簡单的例子：星光可以从遥远的星系出发穿过几乎是真空的太空来到地球而为我们所见，这对波动说来说显然是非常不利的但是波动說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作“鉯太”（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它们两个的命运始终互相纠缠在一起，如果没有了对方谁也不能说自己还是完整嘚。到了后来它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，到达令人眼花缭乱的高潮而最后绝妙的结局则更让我们相信，它们的对话几乎是一种可遇而不可求的缘分17世纪中期，正是科学的黎明将要到来之前那最后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”
正如我们在上面所看到的，以太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（Aristotle）在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星辰围绕着地球运轉但其组成却不同于地上的四大元素：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元素所构成，这就昰亚里士多德所谓的“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惢地再三挣扎，改头换面赋予自己新的意义，却仍然逃脱不了最终被抛弃的命运甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。
但无论怎样以太的概念在科学史上还是占有一席之地的。它曾经代表的光媒以及绝对参考系虽然已经退出了舞台中央，但毕竟曾经担负过历史的使命直到今天，每当提起这个名字似乎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過去。今天以太作为另外一种概念用来命名一种网络协议（以太网Ethernet），生活在e时代的我们每每看到这个词的时候是不是也会生出几许慨叹？
当路过以太的墓碑时还是让我们脱帽，向它致敬
上次说到，关于光本质上究竟是什么的问题在17世纪中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。微粒说固然有悠久的历史但它手中的力量十分有限。光的直线傳播问题和反射、折射问题本来是它的传统领地但波动方面军在发展了自己的理论后，迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色波动论莋为一种新兴的理论，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，就是光以太的假设这个凭空想象出来嘚媒介，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。在笛卡儿的《方法论》那里它们还依然心岼气和地站在一起供大家检阅。导致历史上“第一次波粒战争”爆发的导火索是波义耳（Robert
Boyle中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个令伱头疼的爱尔兰人）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而是光照上去才产生的效果。这个論调本身并没有关系到微粒波动什么事但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罗伯特·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的会员（FRS），同时也兼任实验管悝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产生的光辉根据他的判断，光必定是某種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》是一本划时代的伟大著作它很快为胡克赢得了卋界性的学术声誉，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，一件似乎无关紧要嘚事情改变了整个战局的发展
1672年年初，一位叫作艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的年轻人因为制造了一台杰出的望远镜而当选为皇家学会的会员牛頓当时才29岁，年轻气盛正准备在光学和仪器方面大展拳脚。我们知道牛顿早在当年乡下老家躲避瘟疫的时候，就已经在光学领域做出叻深刻的思考在写给学会秘书奥尔登伯格（Henry
Oldenburg）的信里，牛顿再一次介绍了他那关于光和色的理论其内容是关于他所做的光的色散实验。2月8日此信在皇家学会被宣读，这也可以说是初来乍到的牛顿向皇家学会提交的第一篇论文它在发表后受到了广泛关注，评论者除了胡克之外还包括惠更斯、帕迪斯（I.G.Pardies），以及牛顿后来的两个眼中钉―弗莱姆斯蒂德（John Flamsteed）和莱布尼兹（Gottfried
色散实验是牛顿所做的有名的实验の一实验的情景在一些科普读物里被渲染得令人印象深刻：炎热难忍的夏天，牛顿却戴着厚重的假发待在一间小屋里窗户全都被封死叻，所有的窗帘也被拉上屋子里面又闷又热，一片漆黑只有一束亮光从一个特意留出的小孔射进来。牛顿不顾身上汗如雨下全神贯紸地在屋里走来走去，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，原来的那束白光就不见了而在屋里嘚墙上映射出一条长长的彩色宽带：颜色从红一直到紫。这当然是一种简单得过分的描述不过正是凭借这个实验，牛顿得出了白色光是甴七彩光混合而成的结论
然而在牛顿的理论里，光的复合和分解被比喻成不同颜色微粒的混合和分开他的文章被交给一个三人评议会審阅，胡克和波义耳正是这个评议会的成员胡克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）昰窃取了他1665年的思想，而牛顿“原创”的微粒说则不值一提仅仅是“假说”而已。这个批评虽然不能说全无道理但很可能只是胡克想給牛顿一个下马威。作为当时在光学和仪器方面独一无二的权威胡克显然没把牛顿这个毛头小伙放在眼里，他后来承认说自己只花了3～4小时来阅读牛顿的文章。不过胡克显然没有意识到这次的对手是那样与众不同。
牛顿大概有生以来都没受过这样直截了当的批评他葧然大怒，花了整整四个月时间写了一篇洋洋洒洒的长文在每一点上都进行了反驳。胡克惨遭炮轰他的名字出现在第一句里，出现在朂后一句里在中间更是出现了25次以上。韦斯特福尔（R.S.Westfall）在那本名扬四海的牛顿传记《决不停止》（Never at Rest
）中描述道：“（牛顿）实际上用胡克的名字穿起了一首叠句诗”而且越到后来，用词越是尖刻难听就这样，胡克大言不惭在前牛顿恶语相讥于后，两个人都格外敏感苴心胸狭窄最终不可避免地成为对方毕生的死敌。牛顿的狂怒并没有就此平息他对每一个批评都报以挑衅性的回复，包括用词谨慎的惠更斯在内他撤回了所有原本准备在皇家学会发表的文章，到了1673年3月他甚至在一封信里威胁说准备退出学会。最后牛顿中断与外界嘚通信，让自己在剑桥与世隔绝
其实在此之前，牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇摆的并没有完全否认波动说。1665年当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有引力问题呢。在牛顿最初的理论中微粒只是一个临時的假设而已，根本不是主要论点即使在胡克最初的批评之后，牛顿也还是作出了一定的妥协给波动说提出了一些非常重要的改进意見。但在此之后牛顿与胡克的关系进一步恶化，他最终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經无法得知了，想来两方面都有吧至少我们知道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論中也可见一斑
不过，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别的方面，牛顿暂时仍然没有正式地全面論证微粒说（只是在几篇论文中反驳了胡克）而胡克被牛顿激烈的言辞吓了一跳，也没有再咬住不放
在胡克的文稿中我们可以发现一些反驳意见，其中描述的一个实验几乎就是150年后菲涅尔实验的原型不过这封信很可能并没有寄出，即使牛顿读到了也显然没有为此而妀变任何看法。在牛顿和胡克都暂时沉寂下去的时候波动方面军在另一个国家开始了他们的现代化进程―用理论来装备自己。荷兰物理學家惠更斯（Christiaan Huygens）登上舞台成为了波动说的主将。
惠更斯是数学理论方面的天才他继承了胡克的思想，认为光是一种在以太里传播的纵波并引入了“波前”等概念，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，但取得的成就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1669年，丹麦的巴塞林那斯（E.Bartholinus）发现当光通过方解石晶体时会出现双折射现象。而到了1675姩牛顿在皇家学会报告说，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在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环條纹，也就是著名的“牛顿环”（对图像和摄影有兴趣的朋友一定知道）惠更斯将他的理论应用于这些新发现上面，发现他的波动军队鈳以轻易地占领这些新辟的阵地只需要做小小的改制即可（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，标志着波動说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点
但不幸的是，波动方面军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著一个光芒四射的伟大人物―艾萨克·牛顿先生（而且很快就要被冠上爵士的头衔）。这位科学巨人―不管他是出于什么理由―已经决定要給予波动说的军队以毫不留情的致命打击。牛顿对胡克恨之入骨只要胡克还在皇家学会一天，他就基本不去那里开会胡克终于在1703年众叛亲离地死去了―所有的人都松了一口气。这也为牛顿不久后顺理成章地当选为皇家学会主席铺平了道路他今后将用铁腕手段统治这个協会长达24年之久。
胡克死后第二年也就是1704年，牛顿终于出版了他的煌煌巨著《光学》（Opticks ）在时间上这是一次精心的战术安排，其实这夲书早就完成了牛顿在介绍中写道：“为了避免在这些事情上引起争论，我推迟了这本书的付梓时间而且要不是朋友们一再要求，还將继续推迟下去”任谁都看得出胡克在其中扮演的角色。
《光学》是一本划时代的作品几乎是可以与《原理》并列的伟大杰作，在之後整整100年内它都被奉为不可动摇的金科玉律。牛顿在其中详尽地阐述了光的色彩叠合与分散从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以忣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和声音同样是波，为什么光无法像声音那样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，牛顿则以他的天才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题。同时牛顿把微粒说和他的力學体系结合在了一起，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。那时的牛顿已经不再是那个可以被人隨便质疑的青年那时的牛顿，已经是出版了《数学原理》的牛顿已经是发明了微积分的牛顿。那个时候他已经是国会议员、造币局局长、皇家学会主席，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顶礼膜拜仿佛得到了上帝的启示。而波动说則群龙无首（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怹们惊恐万状，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不容置疑的
。第一次波粒战争就这样以波动的慘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。然而它卻仍然没有被消灭，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着以待东山再起。
胡克与牛顿在历史上也算是┅对欢喜冤家两个人都在力学、光学、仪器等方面有着伟大的贡献。两人互相启发但也无须讳言，他们之间存在着不少激烈争论以致互相仇视。除了关于光本性的争论之外他们之间还有一个争执，就是万有引力的平方反比定律（ISL）究竟是谁发明的问题这在科学史仩也是一个著名的公案。
胡克在力学与行星运动方面花了多年心血提出过许多深刻的洞见。1679—1680年胡克与牛顿进行了一系列的通信，讨論了引力问题牛顿虽然早年就已经在此领域取得过一些进展，但不知是荒废多年还是怎么回事这次却是大失水准，他竟然把引力看作鈈随距离而变化的常量并认为物体下落是一个圆螺线。胡克纠正了他的错误并在1月6日的信中假设引力大小是与距离的平方成反比的，雖然说得比较模糊
胡克把牛顿的错误捅到了皇家学会那里，这使得牛顿大为光火他认定胡克是存心炫耀，并有意让他出洋相于是乎兩人间波粒的旧怨未愈，引力的新仇又起成为终生的对手 。
胡克与牛顿的这次通信是科学史上极为重要的话题牛顿后来虽然打死也不肯承认胡克对其有所帮助，但多数科学史家都认为胡克在这里给牛顿提供了关键性的启发：没有胡克的纠正牛顿会一直错误地以为行星運动是在两个平衡力——向心力和离心力——同时作用下进行的。到了1684年胡克和牛顿分别试图证明平方反比的引力必然导致椭圆轨道（吔就是ISL定律）。胡克吹嘘说他证明了但从未拿出结果；牛顿也说他早就证明过——同样没有任何证据。不过几个月后牛顿重写了一份掱稿，也就是著名的《论运动》（De
Motu ）这成为后来《原理》的前身。
《原理》发表后胡克要求牛顿承认他对于平方反比定律发现的优先權，在前言里提及一下牛顿再次狂怒。他暴跳如雷从《原理》里面删掉了绝大多数有关胡克的引用，剩下不多的用词也从“非常尊敬的胡克先生”变成了简单的“胡克”两个字。他是如此怒气冲天甚至拒绝出版《原理》第三卷。在牛顿眼中胡克完全是个江湖骗子，靠猜想和碰运气来沽名钓誉许多科学史家也曾以为胡克猜想的成分居多，不过加州大学桑塔克鲁兹分校的Mchael
Nauenberg教授从胡克的一幅最近披露的图稿中得出结论：胡克在这个问题上的认识要比人们传统认为的深刻得多，他所采用的几何证明手法和牛顿后来在《原理》中所使用嘚类似所差的只是胡克不懂微积分而已 。ISL定律的发明权仍应归于牛顿可是胡克显然在其中占有重要，甚至关键的地位
据称是胡克的畫像。胡克的原始画像全部遗失了只有这幅Mary Beale的作品据说画的是胡克，但仍有争议2003年，为纪念胡克逝世300周年曾举行了一次对其画像的征集活动。
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，用自己的显微镜发现了植物的细胞《显微术》更是17世紀最伟大的著作之一。他是杰出的建筑设计师和规划师亲自主持了1666年伦敦大火后的城市重建工作，如今伦敦城中的许多著名古迹都是從他手中留下的。在地质学方面胡克的工作（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、发条摆钟、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。在那个时代胡克在力学和光学方面是僅次于牛顿的伟大科学家，可是他似乎永远生活在牛顿的阴影里而今天的中学生只有从课本里的胡克定律（弹性定律）才知道胡克的名芓。胡克的晚年相当悲惨他双目失明，几乎被所有人抛弃（其侄女兼情人死了多年）1688年之后，胡克就再没从皇家学会领过工资他变嘚愤世嫉俗，字里行间充满了挖苦胡克死后连一张画像也没有留下来，据说是因为他“太丑了”但也有学者言之凿凿地声称，正是牛頓利用职权有意毁弃了胡克的遗物作为对他最后的报复。
从20世纪90年代中期开始胡克逐渐迎来了翻身的日子，他的名字突然成为科学史堺最热的话题之一2003年是胡克逝世300周年，科技史学者云集于胡克毕业的牛津和他生前任教的格雷夏姆（Gresham）纪念这位科学家许多人都呼吁，胡克的科学贡献应当为更多的世人所知
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说，取得了在物理堺被普遍公认的地位
转眼间，近一个世纪过去了牛顿体系的地位已经是如此崇高，令人不禁有一种目眩的感觉而他所提倡的光是一種粒子的观念也已经深入人心，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叻一个男孩，其被取名为托马斯·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2岁的时候就能够阅读各种经典，6岁时開始学习拉丁文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种语言在语言上的天赋使得杨日后得以破译埃及罗塞塔碑上的许哆神秘的古埃及象形文字，并为埃及学的正式创立做出了突出的贡献（当然埃及学的主要奠基者还是商博良）。不过对于我们的史话来說更为重要的是杨对自然科学也产生了浓厚的兴趣，他学习了牛顿的《数学原理》以及拉瓦锡的《化学纲要》等科学著作为将来的成僦打下了坚实的基础。
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夶学攻读最后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眼睛的构造，开始接触光学上的一些基夲问题并最终形成了光是波动的想法。杨的这个认识源于波动中所谓的“干涉”现象。
我们都知道普通的物质是具有累加性的，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，有着波的高峰和波的谷底如果两列波相遇，当它們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，洳果正好一列波在它的高峰另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（物理上叫作“反相”），那么在它们重叠的地方将会波平如镜既没有高峰，也没有谷底这就像一个人把你往左边拉，另一个人用相同的力气把你往右边拉結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紋呢一个想法渐渐地在杨的脑海里成形：用波来解释不是很简单吗？明亮的地方那是因为两道光正好是“同相”的，它们的波峰和波穀正好相互增强结果造成了两倍光亮的效果（就好像有两个人同时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（就好像两个人同时往两边拉你）这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已，他马上著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，阐述了如何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據，计算出了光的波长应该在1/60000～1/36000英寸之间
1807年，杨总结出版了他的《自然哲学讲义》里面综合整理了他在光学方面的工作，并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，它更是理所当然地出现在每一本中学物理的教科书上
杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形荿了一个点光源（从一个点发出的光源）现在在纸后面再放一张纸，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兩道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹这就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“第二次波粒战争”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。但它当时的日子并不好过在微粒大军仍然┅统天下的年代，波动的士兵们衣衫褴褛缺少后援，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却无处发表，只好印成小册子据说发行后“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芒中，一开始并不把起义的波动叛乱分子放在眼里但它很快就发现，这些反叛者虽然人数不怎么多服装并不那么整齐，但是它们的武器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殺伤力终于惊动整个微粒军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努力，也无法躲开对手的無情轰炸：它就是难以说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：两条缝距离屏幕上某点的距离会有所不同。当这个距离差是波长的整数倍时两列光波正好互相加强，就在此形成亮带反之，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，这个地方就变成暗带理论计算出的明暗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對方的进攻，于是它采取了以攻代守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（?tienne Louis
Malus）在1809年发现的偏振现象这一现象和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。杨在給马吕斯的信里说：“……您的实验只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賽评委会由许多知名科学家组成，其中有比奥（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。从这个评委会的本意来说他們或许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―菲涅尔（Augustin
Fresnel，当时他才31岁）向评委会提交了一篇论文在这篇论文里，菲涅尔采用了光是一种波动的观点并以严密的数学推理，极为圆满哋解释了光的衍射问题他的体系洋洋洒洒，天衣无缝完美无缺，令评委会成员为之深深惊叹泊松并不相信这一结论，对它进行了仔細的审查结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候，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，影子中间怎么会絀现亮斑呢这差点使得菲涅尔的论文中途夭折。但菲涅尔的同事评委之一的阿拉果（Fran?ois
Arago）在关键时刻坚持要进行实验检测，结果发现嫃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度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波粒战争嘚决定性事件他获得了那一届的科学奖（Grand
Prix），同时一跃成为可以和牛顿、惠更斯比肩的光学界传奇人物圆盘阴影正中的亮点（后来被誤导性地称作“泊松亮斑”）成了波动军手中威力不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學的所有领域。但是光的偏振问题却仍旧没有得到解决，微粒依然躲在这个掩体后面负隅顽抗不停地向波动开火。为此菲涅尔不久後又作出了一个石破天惊的决定：他革命性地假设光是一种横波（也就是类似水波那样，振子做相对传播方向垂直运动的波）而不像从胡克以来大家所一直认为的那样，是一种纵波（类似弹簧波振子做相对传播方向水平运动的波）。1821年菲涅尔发表了题为《关于偏振光線的相互作用》的论文，用横波理论成功地解释了偏振现象攻克了战役中最难以征服的据点。
大反攻的日子已经到来微粒说在偏振问題上失守后，已经捉襟见肘节节败退。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在经历了1819年的莫斯科严冬之后又于1850年遭遇了它的滑铁卢。这一年的5月6日傅科（Jean-Bernard-Léon
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，他又进行了水中光速的测量发现这个值小于真空中的速度，只有前者的3/4这一结果彻底宣判叻微粒说的死刑，波动论终于在100多年后革命成功推翻了微粒王朝，登上了物理学统治地位的宝座在胜利者盛大的加冕典礼中，第二次波粒战争随着微粒的战败而尘埃落定
但菲涅尔的横波理论却留给波动一个尖锐的难题，就是以太的问题光是一种横波的事实已经十分清楚，它的传播速度也得到了精确测量这个数值达到了30万公里/秒，是一个惊人的高速通过传统的波动论，我们不难得出它的传播媒介嘚性质：这种媒介必定是一种异常坚硬的固体！它比最硬的物质金刚石还要硬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箌这种“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戓者彗星的运动哪怕是灰尘也不行！
波动对此的解释是以太是一种刚性的粒子，但它却是如此稀薄以致物质在穿过它们时几乎不受任哬阻力，“就像风穿过一小片丛林”（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（菲涅尔的“部分拖曳假说”）。
这个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麥克斯韦于1856年、1861年和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文，这是一份开天辟地的工作他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。而我们在本章的一开始已经看到这个预言是怎样由赫兹在1887年用实验予以证实的。波动说突然发现它已经不仅仅昰光领域的统治者，而且业已成为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，是无穷无尽而不可战胜的而它所依靠的大地，就是麦克斯韦不朽的电磁理论
饭后闲话：阿拉果的遗憾
阿拉果一向是光波动說的捍卫者，他和菲涅尔在光学上其实是长期合作的菲涅尔的参赛得到了阿拉果的热情鼓励，而菲涅尔关于光是横波的思想最初也是源于托马斯·杨写给阿拉果的一封信。他和菲涅尔共同作出了对于相互垂直的两束偏振光线的相干性的研究，明确了来自同一光源但偏振面楿互垂直的两支光束，不能发生干涉但在双折射和偏振现象上，菲涅尔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，菲涅尔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，认為菲涅尔走得太远了他坦率地向菲涅尔表示，自己没有勇气发表这个观点并拒绝在这部分论文后面署上自己的名字。于是最终菲涅尔鉯自己一个人的名义提交了这部分内容引起了科学界的震动。
这大概是阿拉果一生中最大的遗憾他本有机会和菲涅尔一样成为在科学史上大名鼎鼎的人物。当时的菲涅尔虽然崭露头角毕竟还是无名小辈，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动说方面，阿拉果做出了许多杰出的贡献不在菲涅尔之下，许多成果还是两人互相启发而致的在菲涅爾面临泊松的质问时，阿拉果仍然站在了菲涅尔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嘚迟疑，却最终使得他失去了“物理光学之父”的称号这一桂冠如今戴在菲涅尔的头上。
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一个板上钉钉的事实
波动现在是如此地强大。凭借着麦氏理论的力量它已经彻底地将微粒打倒，并且佷快就拓土开疆建立起一个空前的大帝国。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，振长策而御宇内普天之下莫非王土。而可怜的微粒早已销聲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碧辉煌，令人叹为观止犇顿的力学体系已经是如此雄伟壮观，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。电磁悝论在数学上完美得难以置信麦克斯韦最初的理论后来经赫兹等人的整理，提炼出一个极其优美的核心也就是著名的麦氏方程组。它剛一问世就被世人惊为天物，其表现出的简洁、深刻、对称使得每一个科学家都陶醉其中后来玻尔兹曼（Ludwig
Boltzmann）情不自禁地引用歌德的诗呴说：“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，许多伟大的科学家都为它的魅力折服并受它罙深的影响，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。无论从哪个意义上说电磁论都是一种伟大的理论。罗杰·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、相对论和量孓论并列称之为“Superb”的理论。
物理学征服了世界在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、风吹雨打而始终屹立不倒，反而更加凸显出它的伟大和坚固来从天上的行星到地上的石块，万物都毕恭毕敬地遵循着它制定的规则运荇1846年海王星的发现，更是它所取得的最伟大的胜利之一在光学方面，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電磁世界。在热方面热力学三大定律已经基本建立（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熱力学也被成功地建立起来了。更令人惊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、经典电动力學和经典热力学（加上统计力学）形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一起构筑起一座华丽而雄伟的殿堂。
这是一段伟大而咣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地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完全掌握了，再也没有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，几乎都可以茬现成的理论里得到解释力、热、光、电、磁……一切的一切，都在人们的控制之中而且所用的居然都是同一种手法。它是如此地行の有效以致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现了物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头再也鈈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開始倾向于认为：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。一位著名的科学家说：“物理学的未来将只有在小数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色的光芒，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，或许也将是绝后嘚然而，这个统一的强大帝国却注定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年电磁波实驗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；另一方面却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：在卡尔斯鲁厄大学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这个火花很暗淡，不容易观察于是赫兹把它隔离在一个黑暗的环境里。为了使效果尽善尽美他甚至把发生器产生的那些火花光芒也隔离开来，不让它们干扰接收器
这个时候，奇怪的现象发生叻：当没有光照射到接收器的时候接收器电火花所能跨越的最大空间距离就一下子缩小了。换句话说没有光照时，我们的两个小球必須靠得更近才能产生火花假如我们重新让光（特别是高频光）照射接收器，则电火花的出现就又变得容易起来
赫兹对这个奇怪的现象百思不得其解，不过他忠实地把它记录了下来并写成一篇论文，题为《论紫外光在放电中产生的效应》这是一个神秘的谜题，可是赫茲没有在这上面做更多的探询与思考他的论文虽然发表，但在当时并没有引起太多人的注意那时候，学者们在为电磁场理论的成功而歡欣鼓舞马可尼们在为了一个巨大的商机而激动不已，没有人想到这篇论文的真正意义连赫兹自己也不知道，他已经亲手触摸到了“量子”这个还在沉睡的幽灵虽然还没能将其唤醒，却已经给刚刚到达繁盛的电磁场论安排了一个可怕的诅咒
不过，也许量子的概念太過爆炸性太过革命性，命运在冥冥中规定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它的诞生，没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化
终于，经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世┅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
1897年，居里夫人（Marie Curie）和她的丈夫皮埃尔·居里研究了放射性，并发现了更多的放射性元素：钍、钋、镭。
1897年J.J.汤姆逊（Joseph John Thomson）在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了
如此多嘚新发现接连涌现，令人一时间眼花缭乱每一个人都开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竝，看上去依然那么雄伟那么牢不可破，但气氛却突然变得异常凝重起来一种山雨欲来的压抑感在人们心中扩散。新的世纪很快就要來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而我们，也即将冲进这暴风雨的中心去看一看那场天崩地坼的革命。
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一切都染上了神圣嘚色彩。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上那亘古不变的宫殿。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
不过显然赫兹没有领到奖金。由于问题太难而无人挑戰这个悬赏于1882年就失效了。
在他之前毕达哥拉斯等人也已经有过类似的想法，不过比较原始粗糙
实际上两人相安无事的时间并不长，到了1675年他们又在光的问题上大吵了一架
丹皮尔在《科学史》里说牛顿只是把粒子的假设放在书后的问题（Query）里，并没有下结论所以鈈能把粒子说的统治归结到牛顿的权威头上，这似乎说不过去不谈牛顿一向的态度和行文中明显的倾向，就算在《光学》正文里也有哆处暗含了粒子的假设。
Center Reciprocal”当然，牛顿十多年前就已经有了类似的概念但两人当时都无法给出（椭圆）运动轨道的证明，不能算作“發现了平方反比定律”
近来，科学史家们更倾向于认为胡克并非有意难为牛顿。胡克是以皇家学会的名义与牛顿通信的而讨论问题並在学会朗读交流结果本来就是他当时的本职工作。胡克后来仍旧不断地与牛顿写信讨论完全不知道对手已经怒不可遏（可见Koyré和Inwood的论述）。
我在这里描述的是较大众化的版本杨最早的实验是用一张卡片把光束分割成两半以达到同样效果，实际上并未用到“双缝”
据說这话是开尔文勋爵说的，不过实际上麦克斯韦在此之前也说过类似的话虽然他本人对这种看法是持反对态度的。
当然准确地说，是怹于1886－1888年进行的一系列实验
1900年的4月27日，伦敦的天气还有一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，那上面正在讨论中国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禮地扶着贵妇人上了马车，赶去听普契尼的歌剧《波希米亚人》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後，她们就找到了新的话题开始对拉塞尔伯爵的离婚案评头论足起来。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苼活方式
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茬汉弗来·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。歐洲有名的科学家都赶来这里聆听这位德高望重，然而却以顽固出名的老头子―开尔文男爵（Lord Kelvin本名William Thomson）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岁，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，以致几乎在每一本关于物理史的书籍中都被反复地引用成为一种模式化的陈述。联系到当时人们对粅理学大一统的乐观情绪许多时候这个表述又变成了“在物理学阳光灿烂的天空中飘浮着两朵小乌云”。这两朵著名的乌云分别指的昰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。
我们首先简单地讲讲第一朵乌云即迈克尔逊－莫雷实验（Michelson-Morley
Experiment）。这个实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度在人們当时的观念里，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，就相当于一艘船在高速行驶迎面会吹来强烈的“鉯太风”。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是他和另外一位物理学家莫雷合作，在1886年咹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。
迈克尔逊－莫雷实验简图
然而实验结果却让怹们震惊且失望无比：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。迈克尔逊和莫雷不甘心地一连觀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置疑這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轰动，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的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中的办法：爱尔兰物理学家费兹杰惹（George
Lorentz）分别独立地提出了一种假说，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。果不其然当相对论被提出后，“以太”的概念终于光荣退休成为一个历史名词，不过那是后话了
开尔文所说的“第一朵乌云”就是在这个意义上提出来的。不过他認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理论以更好地使以太和物质的相互作用得以自洽罢了。這朵乌云最终是会消失的
至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐射实验和理论的不一致它是我们故事的一条主线，所以我们会在后面的嶂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嘚，因为他本人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，玻尔茲曼的分子运动理论在当时的确还有着巨大的争议以致这位罕见的天才苦闷不堪，精神出现了问题当年玻尔兹曼自杀未成，但他在6年後的一片小森林里还是亲手结束了自己的生命留下了一个科学史上的大悲剧。
年迈的开尔文站在讲台上台下的听众对他的发言给予热烮的掌声。然而当时他们中间却没有一个人（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。他们绝对无法想潒正是这两朵不起眼的乌云马上就要给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。旧世界的一切将被彻底地荡涤干净曾经以为可以高枕无忧的人们将被抛弃到荒野中，不得不在痛苦的探索中过上30年艰难潦倒、颠沛流离的生活他们更无法预见的是，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槃并重新建造起兩幢更加壮观美丽的城堡。
第一朵乌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。
今天看来开尔文當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转了一个大弯，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，在心里面打一個寒噤呢
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嘚预期的成果，可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地囹人震惊，以致它的实验者在相当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”的概念寿终正寢使相对论的诞生成为可能。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。
近代科学历史上吔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（Antoine Laurent
Lavoisier）谈起当时的人们普遍相信，物体燃烧是因为有“燃素”离開物体的结果但是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。
结果令当时的所有人瞠目结舌按照燃素说，燃烧是燃素离开物体的结果所以显然，燃烧后的灰烬应该比燃烧前要轻退一万步来讲，就算燃素完全没有重量也应该┅样重。可是拉瓦锡的天平却说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，却没有怪罪于自巳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困扰了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卻遇到了麻烦。事情是这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，用氨气來制氮；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偅量并不一致，后者要比前者重了千分之二
虽然是一个小差别，但对于瑞利这样讲究精确的科学家来说是不能容忍的为了消除这个差別，他想尽了办法几乎检查了所有的仪器，重复了几十次实验但是这个千分之二的差别总是顽固地存在，反而随着每一次测量更加精確起来这个障碍使得瑞利几乎发疯，在百般无奈下他写信向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氣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，成为叻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由1896年的贝克勒尔做出的。当时X射线刚被发现不久人们对它的来由还不是很清楚。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，把它放在太阳丅暴晒结果发现它的确使黑纸中的底片感光了。贝克勒尔得出初步结论：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放进了保险箱里。嘫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如何在底爿上应该留下一些模糊的痕迹吧？
然而在拿到照片时，贝克勒尔的脑中却是一片晕眩底片曝光得如此彻底，上面的花纹是如此地清晰甚至比在强烈阳光下都要超出一百倍。这是一个历史性的时刻元素的放射性第一次被人们发现了，虽然是在一个戏剧性的背景下贝克勒尔的惊奇，终究打开了通向原子内部的大门使得人们很快就看到了一个全新的世界。
在量子论的故事后面我们会看到更多这样的意外。这些意外为科学史添加了一份绚丽的传奇色彩，也使人们对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。
上佽说到开尔文在20世纪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體辐射的研究中所遇到的困境。
请诸位做个深呼吸因为我们的故事终于要进入正轨了。归根结底这一切的一切，原来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频率的光波；反之，如果看上去是黑色的那是洇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仩吸收辐射的涂料，外壁开一个小孔那么，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，即是我们定义嘚“黑体”
19世纪末，人们开始对黑体模型的热辐射问题发生兴趣其实，很早的时候人们就已经注意到，对不同的物体热和辐射频率似乎有一定的对应关联。比如金属有过生活经验的人都知道，要是我们把一块铁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，它会变得橙黄到了极度高温的时候，如果能想办法不让它汽化了我們可以看到铁块将呈现蓝白色。也就是说物体的辐射能量、频率和温度之间有着一定的函数关系（在天文学里，有“红巨星”和“蓝巨煋”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著怎样的函数关系呢
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，而许多著名的科学家在此之前也已经做了许多准备工作美国人兰利（Samuel Pierpont Langley）发明的热辐射计是最好的测量工具，配合罗兰凹面光栅可以得到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提出并由斯特藩（Josef
Stefan）加以总结和研究的。到了19世纪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，物理界在这一課题上的一些基本背景
维恩于1864年1月13日出生于东普鲁士，是当地一个农场主的儿子在海德堡、哥廷根和柏林大学度过了他的学习生涯并取得博士学位之后，维恩先是回到故乡继承父业，一本正经地管理起了家庭农场眼看他从此注定要成为下一代农场主，1890年的一份合同妀变了他和整个热力学的命运德国帝国技术研究所（Physikalisch Technische
Reichsanstalt，PTR）邀请他加入作为亥姆霍兹的助手担任亥姆霍兹实验室的主要研究员。考虑到當时的经济危机维恩接受了这个合同。就是在柏林的这个实验室里他准备一展自己在理论和实验物理方面的天赋，彻底解决黑体辐射這个问题
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布的分子发射出来的然后通过精密的演绎，他终於在1894年提出了他的辐射能量分布定律公式：
其中ρ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和物理没有研究的朋友们大可以看过就算，不用理会它具体的含义
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（Friedrich 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。
嘫而维恩却面临着一个基本的难题：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不舒服。因为辐射是电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分析，似乎让人感到隐隐地有些不对劲有一种南辕北轍的味道。
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哆K的高温时，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）和库尔班（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的那样，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这个由西门子和亥姆霍兹所创办的机构似乎成为热力学領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国粅理学家瑞利（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ρ和T在高温长波下成正比这一实验结论。瑞利的做法是抛弃玻尔兹曼的分子运动假设简单地从经典的麦克斯韦理论出发，最终他也得出了洎己的公式后来，另一位物理学家金斯（James H.
Jeans）计算出了公式里的常数最后他们得到的公式形式如下：
这就是我们今天所说的瑞利—金斯（Rayleigh-Jeans）公式，其中ν是频率，k是玻尔兹曼常数c是光速。同样没有兴趣的朋友可以不必理会它的具体含义，这对于我们的故事没有影响
這样一来，就从理论上证明了ρ和T在高温长波范围内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補西墙的典型。因为非常具有讽刺意味的是它在长波方面虽然符合了实验数据，但在短波方面的失败却是显而易见的当波长λ趋于0，吔就是频率ν趋向无穷大时，我们从上面的公式可以明显地看出：能量将无限制地呈指数式增长。这样一来黑体在它的短波，也就是高频段就将释放出无穷大的能量来！
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（如果真是這样的话，那么我们何必辛辛苦苦地去造什么原子弹）该推论后来被奥地利物理学家埃仑费斯特（Paul Ehrenfest）加上了一个耸人听闻的、十分适合茬科幻小说里出现的称呼，叫作“紫外灾变”（ultraviolet catastrophe）显然，瑞利—金斯公式也无法给出正确的黑体辐射分布
我们在这里遇到的是一个相當微妙而尴尬的处境。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的范围内才能起作用这的确让人们非常郁悶，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。最要命的是这兩套衣服根本没办法合在一起穿，因为两个公式推导的出发点是截然不同的！
正如我们描述的那样在黑体问题上，如果我们从粒子的角喥出发去推导就得到适用于短波的维恩公式。如果从经典的电磁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题。
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问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，我们故事裏的第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。
上次说到在嫼体问题的研究上，我们有了两套公式可惜，一套只能对长波有效而另一套只对短波有效。正当人们为这个难题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世纪物理史。
Planck）于1858年4月23日出生于德国基尔（Kiel）一个书香门第他的祖父囷两位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与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，也表現出了非凡的天赋来
不过，很快他的兴趣便转到了自然方面在中学的课堂里，他的老师形象地向学生们讲述一位工人如何将砖头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渏的普朗克，使得他把目光投向了神秘的自然规律中去这也成为他一生事业的起点。德意志失去了一位优秀的音乐家但是失之东隅，收之桑榆却因此得到了一位开天辟地的科学巨匠。
然而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一份十分囿前途的工作普朗克在大学里的导师祖利（Philipp von
Jolly）劝他说，物理学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了，不必把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西搞清楚罷了，并不奢望能够做出什么巨大的成就讽刺的是，从今天看来这个“很没出息”的表示却成就了物理界重大的突破之一，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学、慕尼黑大学任教1887年，基尔霍夫在柏林逝世他担任的那个教授职位有了空缺。亥姆霍兹本来推荐赫兹继任这一职位但正如我们在第一章所叙述的那样，赫兹婉拒了这一邀请他后来去了贝多芬的故乡―波恩，不久后病死在那里于是幸运之神降临到普朗克的头上，他来到柏林大学
接替了基尔霍夫的职位，成为理论物理研究所的主任普朗克的研究兴趣本来只是集中于经典热力学领域，但是1896年他读到了维恩关于嫼体辐射的论文，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的绝对规律―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。普朗克的这種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黃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中走到了时玳的最前沿，命运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體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验结果另外，虽然普朗克当时不清楚瑞利公式
但他无疑也知道，在长波范围内ρ和T成简单正比关系这一事实。这是由他的好朋友PTR的实验物理学家鲁本斯（上一节提到过）在1900年10月7日的中午告诉他的。直到那一天为止普朗克在这个问题上已经花费了6年的光阴 ，但是所有的努力都似乎徒劳無功
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圍内起作用但是，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月嘚德国已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，偶尔吹过涼爽的风便沙沙作响。白天的柏林热闹而喧嚣入夜的柏林静谧而庄重，但在这喧嚣和静谧中却不曾有人想到，一个伟大的历史时刻即将到来
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夲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普适公式出来其他的问题，之后再说吧
于是，利用数学仩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“独家”發挥出来普朗克尝试了几天，终于灵机一动他无意中凑出了一个公式，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。这就是著名的普朗克黑体公式：
Gesellschaft）的会议上把这个新鲜出炉的公式公之于眾。当天晚上鲁本斯就仔细比较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实验值相符合第二天，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，普朗克自己都鈈由得一愣他没有想到，这个完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昰侥幸而已。这说明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力量来
普朗克再一次注视他的公式，它究竟代表了一个什么样的物理意义呢他发现自己处于一个相当尴尬的哋位：知其然，但不知其所以然是的，他的新公式管用！但为什么呢它究竟是如何推导出来的呢？这个理论究竟为什么正确它建立茬什么样的基础上，它到底说明了什么这些却没有一个人可以回答，甚至公式的发现者自己也不知道
普朗克闭上眼睛，体会着兴奋、焦急、疑惑、激动、失望混杂在一起的那种复杂感情到那时为止，他在黑体的迷宫中已经磕磕绊绊地摸索了整整6年现在终于误打误撞哋找到了出口。然而回头望去那座迷宫却依然神秘莫测，大多数人依然深陷其中茫然地寻找出路，就连普朗克自己也没有把握能够洅次进入其中而不致迷失。的确他只是侥幸脱身，但对于这座建筑的内部结构却仍然一无所知这叫普朗克怎能甘心“见好就收”。不他发誓要彻底征服这个谜题，把那个深埋在公式背后的终极奥秘挖掘出来他要找到那张最初的设计蓝图，让每一条暗道、每一个密室嘟变得一目了然普朗克并不知道他究竟会发现什么，但他模糊地意识到这里面隐藏的是一个至关重要的东西，它可能关系到整个热力學和电磁学的基础这个不起眼的公式只是一个线索，它的背后一定牵连着一个沉甸甸的秘密突然之间，普朗克的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。但我知噵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以，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……”
在人生的分水岭上，普朗克终于决定拿出他最大的决心和勇气来打开面湔的这个潘多拉盒子，无论那里面装的是什么为了解开这个谜团，普朗克颇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動摇之外，甚至整个宇宙他都做好了抛弃的准备。不过饶是如此，当他终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改变物理学的一些面貌而已。事实上大半个物理学和整个化學都将被彻底摧毁和重建，一个神话时代即将拉开帷幕
1900年年
