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版權所有：castor_v_pollux 原作　提交時間：23:50:59 05月23日

第二章 烏雲

三

上次說到，在黑體問題的研究上，我們有了兩套公式。可惜，一套只能對長波範圍內有效，而另一套只對短波有效。正當人們為這個Dilemma頭痛不已的時候，馬克斯•普朗克登上了歷史舞台。命中注定，這個名字將要光照整個20世紀的物理史。

普朗克（Max Carl Ernst Ludwig Planck）於1858年出生於德國基爾（Kiel）的一個書香門第。他的祖父和曾祖父都是神學教授，他的父親則是一位著名的法學教授，曾經參予過普魯士民法的起草工作。1867年，普朗克一家移居到慕尼黑，小普朗克便在那裡上了中學和大學。在俾斯麥的帝國蒸蒸日上的時候，普朗克卻保留着古典時期的優良風格，對文學和音樂非常感興趣，也表現出了非凡的天才來。

不過，很快他的興趣便轉到了自然方面。在中學的課堂里，他的老師形象地給學生們講述一位工人如何將磚頭搬上房頂，而工人花的力氣儲存在高處的勢能里，一旦磚頭掉落下來，能量便又隨之釋放出來……。能量這種神奇的轉換與守恆極大地吸引了好奇的普朗克，使得他把目光投向了神秘的自然規律中去，這也成為了他一生事業的起點。德意志失去了一位音樂家，但是失之東隅收之桑榆，她卻因此得到了一位開天闢地的科學巨匠。

不過，正如我們在前一章裡面所說過的那樣，當時的理論物理看起來可不是一個十分有前途的工作。普朗克在大學裡的導師祖利（Philipp von Jolly）勸他說，物理的體系已經建立得非常成熟和完整了，沒有什麼大的發現可以做出了，不必再花時間浪費在這個沒有多大意義的工作上面。普朗克委婉地表示，他研究物理是出於對自然和理性的興趣，只是想把現有的東西搞搞清楚罷了，並不奢望能夠做出什麼巨大的成就。諷刺地是，由今天看來，這個“很沒出息”的表示卻成就了物理界最大的突破之一，成就了普朗克一生的名望。我們實在應該為這一決定感到幸運。

1879年，普朗克拿到了慕尼黑大學的博士學位，隨後他便先後在基爾大學、慕尼黑大學和柏林大學任教，並接替了基爾霍夫的職位。普朗克的研究興趣本來只是集中於經典熱力學的領域，但是1896年，他讀到了維恩關於黑體輻射的論文，並對此表現出了極大的興趣。在普朗克看來，維恩公式體現出來的這種物體的內在規律——和物體本身性質無關的絕對規律——代表了某種客觀的永恆不變的東西。它獨立於人和物質世界而存在，不受外部世界的影響，是科學追求的最崇高的目標。普朗克的這種偏愛正是經典物理學的一種傳統和風格，對絕對嚴格規律的一種崇尚。這種古典而保守的思想經過了牛頓、拉普拉斯和麥克斯韋，帶着黃金時代的全部貴族氣息，深深滲透在普朗克的骨子裡面。然而，這位可敬的老派科學家卻沒有意識到，自己已經在不知不覺中走到了時代的最前沿，命運已經在冥冥之中，給他安排了一個離經叛道的角色。

讓我們言歸正傳。在那個風雲變換的世紀之交，普朗克決定徹底解決黑體輻射這個困擾人們多時的問題。他的手上已經有了維恩公式，可惜這個公式只有在短波的範圍內才能正確地預言實驗結果。另一方面，雖然普朗克自己聲稱，他當時不清楚瑞利公式，但他無疑也知道，在長波範圍內，u和T成簡單正比關係這一事實。這是由他的一個好朋友，實驗物理學家魯本斯（Heinrich Rubens，上一章提到過）在1900年的10月7號的中午告訴他的。到那一天為止，普朗克在這個問題上已經花費了6年的時光（1894年，在他還沒有了解到維恩的工作的時候，他就已經對這一領域開始了考察），但是所有的努力都似乎徒勞無功。

現在，請大家肅靜，讓我們的普朗克先生好好地思考問題。擺在他面前的全部事實，就是我們有兩個公式，分別只在一個有限的範圍內起作用。但是，如果從根本上去追究那兩個公式的推導，卻無法發現任何問題。而我們的目的，在於找出一個普遍適用的公式來。

10月的德國已經進入仲秋。天氣越來越陰沉，厚厚的雲彩堆積在天空中，黑夜一天比一天來得漫長。落葉繽紛，鋪滿了街道和田野，偶爾吹過涼爽的風，便沙沙作響起來。白天的柏林熱鬧而喧囂，入夜的柏林靜謐而莊重，但在這靜謐和喧囂中，卻不曾有人想到，一個偉大的歷史時刻即將到來。

在柏林大學那間堆滿了草稿的辦公室里，普朗克為了那兩個無法調和的公式而苦思冥想。終於有一天，他決定，不再去做那些根本上的假定和推導，不管怎麼樣，我們先嘗試着湊出一個可以滿足所有波段的公式出來。其他的問題，之後再說吧。

於是，利用數學上的內插法，普朗克開始玩弄起他手上的兩個公式來。要做的事情，是讓維恩公式的影響在長波的範圍里儘量消失，而在短波里“獨家”發揮出來。普朗克嘗試了幾天，終於遇上了一個Bingo Moment，他湊出了一個公式，看上去似乎正符合要求。在長波的時候，它表現得就像正比關係一樣。而在短波的時候，它則退化為維恩公式的原始形式。

10月19號，普朗克在柏林德國物理學會（Deutschen Physikalischen Gesellschaft）的會議上，把這個新鮮出爐的公式公諸於眾。當天晚上，魯本斯就仔細比較了這個公式與實驗的結果。結果，讓他又驚又喜的是，普朗克的公式大獲全勝，在每一個波段里，這個公式給出的數據都十分精確地與實驗值相符合。第二天，魯本斯便把這個結果通知了普朗克本人，在這個徹底的成功面前，普朗克自己都不由得一愣。他沒有想到，這個完全是僥倖拼湊出來的經驗公式居然有着這樣強大的威力。

當然，他也想到，這說明公式的成功絕不僅僅是僥倖而已。這說明了，在那個神秘的公式背後，必定隱藏着一些不為人們所知的秘密。必定有某種普適的原則假定支持着這個公式，這才使得它展現出無比強大的力量來。

普朗克再一次地注視他的公式，它究竟代表了一個什麼樣的物理意義呢？他發現自己處在一個相當尷尬的地位，知其然，但不知其所以然。普朗克就像一個倒霉的考生，事先瞥了一眼參考書，但是答辯的時候卻發現自己只記得那個結論，而完全不知道如何去證明和闡述它。實驗的結果是確鑿的，它毫不含糊地證明了理論的正確性，但是這個理論究竟為什么正確，它建立在什麼樣的基礎上，它究竟說明了什麼？卻沒有一個人可以回答。

然而，普朗克卻知道，這裡面隱藏的是一個至關重要的東西，它關繫到整個熱力學和電磁學的基礎。普朗克已經模糊地意識到，似乎有一場風暴即將襲來，對於這個不起眼的公式的剖析，將改變物理學的一些面貌。一絲第六感告訴他，他生命中最重要的一段時期已經到來了。

多年以後，普朗克在給人的信中說：

“當時，我已經為輻射和物質的問題而奮鬥了6年，但一無所獲。但我知道，這個問題對於整個物理學至關重要，我也已經找到了確定能量分布的那個公式。所以，不論付出什麼代價，我必須找到它在理論上的解釋。而我非常清楚，經典物理學是無法解決這個問題的……”
（Letter to R. W. Wood, 1931）

在人生的分水嶺上，普朗克終於決定拿出他最大的決心和勇氣，來打開面前的這個潘多拉盒子，無論那裡面裝的是什麼。為了解開這個謎團，普朗克頗有一種破釜沉舟的氣概。除了熱力學的兩個定律他認為不可動搖之外，甚至整個宇宙，他都做好了拋棄的準備。不過，饒是如此，當他終於理解了公式背後所包含的意義之後，他還是驚訝到不敢相信和接受所發現的一切。普朗克當時做夢也沒有想到，他的工作絕不僅僅是改變物理學的一些面貌而已。事實上，整個物理學和化學都將被徹底摧毀和重建，一個新的時代即將到來。

1900年的最後幾個月，黑體這朵飄在物理天空中的烏雲，內部開始翻滾動盪起來。

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飯後閒話：世界科學中心

在我們的史話里，我們已經看見了許許多多的科學偉人，從中我們也可以清晰地看見世界性科學中心的不斷遷移。

現代科學創立之初，也就是17，18世紀的時候，英國是毫無爭議的世界科學中心（以前是意大利）。牛頓作為一代科學家的代表自不用說，波義耳、胡克、一直到後來的戴維、卡文迪許、道爾頓、法拉第、托馬斯楊，都是世界首屈一指的大科學家。但是很快，這一中心轉到了法國。法國的崛起由伯努利（Daniel Bernoulli）、達朗貝爾（J.R.d'Alembert）、拉瓦錫、拉馬克等開始，到了安培（Andre Marie Ampere）、菲涅爾、卡諾（Nicolas Carnot)、拉普拉斯、傅科、泊松、拉格朗日的時代，已經在歐洲獨領風騷。不過進入19世紀的後半，德國開始迎頭趕上，湧現出了一大批天才，高斯、歐姆、洪堡、沃勒（Friedrich Wohler)、赫爾姆霍茲、克勞修斯、玻爾茲曼、赫茲……雖然英國連出了法拉第、麥克斯韋、達爾文這樣的偉人，也不足以搶回它當初的地位。到了20世紀初，德國在科學方面的成就到達了最高峰，成為了世界各地科學家心目中的聖地，柏林、慕尼黑和哥廷根成為了當時自然科學當之無愧的世界性中心。我們在以後的史話里，將會看到越來越多德國人的名字。不幸的是，納粹上台之後，德國的科技地位一落千丈，大批科學家出逃外國，直接造成了美國的崛起，直到今日。

只不知，下一個霸主又會是誰呢？