上帝擲骰子嗎——量子物理史話（2-1）

版權所有：castor_v_pollux 原作　　　提交時間：2003-05-17 23:46:44

第二章 烏雲

一

1900年的4月27日，倫敦的天氣還是有一些陰冷。馬路邊的咖啡店裡，人們興致勃勃地談論着當時正在巴黎舉辦的萬國博覽會。街上的報童在大聲叫賣報紙，那上面正在討論中國義和團運動最新的局勢進展以及各國在北京使館人員的狀況。一位紳士彬彬有禮地扶着貴婦人上了馬車，趕去聽普契尼的歌劇《波希米亞人》。兩位老太太羨慕地望着馬車遠去，對貴婦帽子的式樣大為讚嘆，但不久後，她們就找到了新的話題，開始對拉塞爾伯爵的離婚案評頭論足起來。看來，即使是新世紀的到來，也不能改變這個城市古老而傳統的生活方式。

相比之下，在阿爾伯馬爾街皇家研究所（Royal Institution, Albemarle Street）舉行的報告會就沒有多少人注意了。倫敦的上流社會好像已經把他們對科學的熱情在漢弗來•戴維爵士（Sir Humphry Davy）那裡傾注得一乾二淨，以致在其後幾十年的時間裡都表現得格外漠然。不過，對科學界來說，這可是一件大事。歐洲有名的科學家都趕來這裡，聆聽那位德高望重，然而卻以頑固出名的老頭子——開爾文男爵（Lord Kelvin）的發言。

開爾文的這篇演講名為《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》。當時已經76歲，白髮蒼蒼的他用那特有的愛爾蘭口音開始了發言，他的第一段話是這麼說的：

“動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽，顯得黯然失色了……”（‘The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.’）

這個“烏雲”的比喻後來變得如此出名，以致於在幾乎每一本關於物理史的書籍中都被反覆地引用，成了一種模式化的陳述。聯繫到當時人們對物理學大一統的樂觀情緒，許多時候這個表述又變成了“在物理學陽光燦爛的天空中漂浮着兩朵小烏雲”。這兩朵著名的烏雲，分別指的是經典物理在光以太和麥克斯韋－玻爾茲曼能量均分學說上遇到的難題。再具體一些，指的就是人們在邁克爾遜－莫雷實驗和黑體輻射研究中的困境。

邁克爾遜－莫雷實驗的用意在於探測光以太對於地球的漂移速度。在人們當時的觀念里，以太代表了一個絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運動，就相當於一艘船在高速行駛，迎面會吹來強烈的“以太風”。邁克爾遜在1881年進行了一個實驗，想測出這個相對速度，但結果並不十分令人滿意。於是他和另外一位物理學家莫雷合作，在1886年安排了第二次實驗。這可能是當時物理史上進行過的最精密的實驗了：他們動用了最新的干涉儀，為了提高系統的靈敏度和穩定性，他們甚至多方籌措弄來了一塊大石板，把它放在一個水銀槽上，這樣就把干擾的因素降到了最低。

然而實驗結果卻讓他們震驚和失望無比：兩束光線根本就沒有表現出任何的時間差。以太似乎對穿越於其中的光線毫無影響。邁克爾遜和莫雷不甘心地一連觀測了四天，本來甚至想連續觀測一年以確定地球繞太陽運行四季對以太風造成的差別，但因為這個否定的結果是如此清晰而不容質疑，這個計劃也被無奈地取消了。

邁克爾遜－莫雷實驗是物理史上最有名的“失敗的實驗”。它當時在物理界引起了轟動，因為以太這個概念作為絕對運動的代表，是經典物理學和經典時空觀的基礎。而這根支撐着經典物理學大廈的梁柱竟然被一個實驗的結果而無情地否定，那馬上就意味着整個物理世界的轟然崩塌。不過，那時候再悲觀的人也不認為，剛剛取得了偉大勝利，到達光輝頂峰的經典物理學會莫名其妙地就這樣倒台，所以人們還是提出了許多折衷的辦法，愛爾蘭物理學家費茲傑惹（George FitzGerald）和荷蘭物理學家洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）分別獨立地提出了一種假說，認為物體在運動的方向上會發生長度的收縮，從而使得以太的相對運動速度無法被測量到。這些假說雖然使得以太的概念得以繼續保留，但業已經對它的意義提出了強烈的質問，因為很難想象，一個只具有理論意義的“假設物理量”究竟有多少存在的必要。開爾文所說的“第一朵烏雲”就是在這個意義上提出來的，不過他認為長度收縮的假設無論如何已經使人們“擺脫了困境”，所要做的只是修改現有理論以更好地使以太和物質的相互作用得以自洽罷了。

至於“第二朵烏雲”，指的是黑體輻射實驗和理論的不一致。它在我們的故事裡將起到十分重要的作用，所以我們會在後面的章節里仔細地探討這個問題。在開爾文發表演講的時候，這個問題仍然沒有任何能夠得到解決的跡象。不過開爾文對此的態度倒也是樂觀的，因為他本人就並不相信玻爾茲曼的能量均分學說，他認為要驅散這朵烏雲，最好的辦法就是否定玻爾茲曼的學說（而且說老實話，玻爾茲曼的分子運動理論在當時的確還是有着巨大的爭議，以致於這位罕見的天才苦悶不堪，精神出現了問題。當年玻爾茲曼就嘗試自殺而未成，但他終於在6年後的一片小森林裡親手結束了自己的生命，留下了一個科學史上的大悲劇）。

年邁的開爾文站在講台上，台下的聽眾對於他的發言給予熱烈的鼓掌。然而當時，他們中間卻沒有一個人（包括開爾文自己）會了解，這兩朵小烏雲對於物理學來說究竟意味着什麼。他們絕對無法想象，正是這兩朵不起眼的烏雲馬上就要給這個世界帶來一場前所未有的狂風暴雨，電閃雷鳴，並引發可怕的大火和洪水，徹底摧毀現在的繁華美麗。他們也無法知道，這兩朵烏雲很快就要把他們從豪華舒適的理論宮殿中驅趕出來，放逐到布滿了荊棘和陷阱的原野里去過上幾十年顛沛流離的生活。他們更無法預見，正是這兩朵烏雲，終究會給物理學帶來偉大的新生，在烈火和暴雨中實現涅磐，並重新建造起兩幢更加壯觀美麗的城堡來。

第一朵烏雲，最終導致了相對論革命的爆發。

第二朵烏雲，最終導致了量子論革命的爆發。

今天看來，開爾文當年的演講簡直像一個神秘的讖言，似乎在冥冥中帶有一種宿命的意味。科學在他的預言下打了一個大彎，不過方向卻是完全出乎開爾文意料的。如果這位老爵士能夠活到今天，讀到物理學在新世紀裡的發展歷史，他是不是會為他當年的一語成讖而深深震驚，在心裏面打一個寒噤呢？

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飯後閒話：偉大的“意外”實驗

我們今天來談談物理史上的那些著名的“意外”實驗。用“意外”這個詞，指的是實驗未能取得預期的成果，可能在某種程度上，也可以稱為“失敗”實驗吧。

我們在上面已經談到了邁克爾遜－莫雷實驗，這個實驗的結果是如此地令人震驚，以致於它的實驗者在相當的一段時期里都不敢相信自己結果的正確性。但正是這個否定的證據，最終使得“光以太”的概念壽終正寢，使得相對論的誕生成為了可能。這個實驗的失敗在物理史上卻應該說是一個偉大的勝利，科學從來都是只相信事實的。

近代科學的歷史上，也曾經有過許多類似的具有重大意義的意外實驗。也許我們可以從拉瓦錫（AL Laroisier）談起。當時的人們普遍相信，物體燃燒是因為有“燃素”離開物體的結果。但是1774年的某一天，拉瓦錫決定測量一下這種“燃素”的具體重量是多少。他用他的天平稱量了一塊錫的重量，隨即點燃它。等金屬完完全全地燒成了灰燼之後，拉瓦錫小心翼翼地把每一粒灰燼都收集起來，再次稱量了它的重量。

結果使得當時的所有人都瞠目結舌。按照燃素說，燃燒後的灰燼應該比燃燒前要輕。退一萬步，就算燃素完全沒有重量，也應該一樣重。可是拉瓦錫的天平卻說：灰燼要比燃燒前的金屬重，測量燃素重量成了一個無稽之談。然而拉瓦錫在吃驚之餘，卻沒有怪罪於自己的天平，而是將懷疑的眼光投向了燃素說這個龐然大物。在他的推動下，近代化學終於在這個體系倒台的轟隆聲中建立了起來。

到了1882年，實驗上的困難同樣開始困擾劍橋大學的化學教授瑞利（J.W.S Rayleigh）。他為了一個課題，需要精確地測量各種氣體的比重。然而在氮的問題上，瑞利卻遇到了麻煩。事情是這樣的：為了保證結果的準確，瑞利採用了兩種不同的方法來分離氣體。一種是通過化學家們熟知的辦法，用氨氣來制氮，另一種是從普通空氣中，儘量地除去氧、氫、水蒸氣等別的氣體，這樣剩下的就應該是純氮氣了。然而瑞利卻苦惱地發現兩者的重量並不一致，後者要比前者重了千分之二。

雖然是一個小差別，但對於瑞利這樣的講究精確的科學家來說是不能容忍的。為了消除這個差別，他想盡了辦法，幾乎檢查了他所有的儀器，重複了幾十次實驗，但是這個千分之二的差別就是頑固地存在在那裡，隨着每一次測量反而更加精確起來。這個障礙使得瑞利幾乎要發瘋，在百般無奈下他寫信給另一位化學家拉姆塞（William Ramsay）求救。後者敏銳地指出，這個重量差可能是由於空氣里混有了一種不易察覺的重氣體而造成的。在兩者的共同努力下，氬氣（Ar）終於被發現了，並最終導致了整個惰性氣體族的發現，成為了元素周期表存在的一個主要證據。

另一個值得一談的實驗是1896年的貝克勒爾（Antoine Herni Becquerel）做出的。當時X射線剛被發現不久，人們對它的來由還不是很清楚。有人提出太陽光照射熒光物質能夠產生X射線，於是貝克勒爾對此展開了研究，他選了一種鈾的氧化物作為熒光物質，把它放在太陽下暴曬，結果發現它的確使黑紙中的底片感光了，於是他得出初步結論：陽光照射熒光物質的確能產生X射線。

但是，正當他要進一步研究時，意外的事情發生了。天氣轉陰，烏雲一連幾天遮蔽了太陽。貝克勒爾只好把他的全套實驗用具，包括底片和鈾鹽全部放進了保險箱裡。然而到了第五天，天氣仍然沒有轉晴的趨勢，貝克勒爾忍不住了，決定把底片沖洗出來再說。鈾鹽曾受了一點微光的照射，不管如何在底片上應該留下一些模糊的痕跡吧？

然而，在拿到照片時，貝克勒爾經歷了每個科學家都夢寐以求的那種又驚又喜的時刻。他的腦中一片暈眩：底片曝光得是如此徹底，上面的花紋是如此地清晰，甚至比強烈陽光下都要超出一百倍。這是一個歷史性的時刻，元素的放射性第一次被人們發現了，雖然是在一個戲劇性的場合下。貝克勒爾的驚奇，終究打開了通向原子內部的大門，使得人們很快就看到了一個全新的世界。

在量子論的故事後面，我們會看見更多這樣的意外。這些意外，為科學史添加了一份絢麗的傳奇色彩，也使人們對神秘的自然更加興致勃勃。那也是科學給我們帶來的快樂之一啊。