Sunday, December 4, 2011

宇宙的精灵 #1.4



普朗克真有那么伟大吗?e=hv真有那么伟大吗?

我们不能把普朗克想像成荆柯那样胡子拉茬满面横肉的壮士,他并没有成心去谋刺牛顿。相反,我们的普朗克现在还是个老帅哥,温文尔雅,举止有度,血管里流淌着勃拉姆斯(普朗克最喜爱的音乐家之一)《春》那样波澜不惊的旋律。对以牛顿命名的经典物理学体系,他有着深厚的感情和坚定的信仰。

反叛?似乎跟普朗克拉扯不上。论动口的,叛逆传统的理论干将,当属那两个奥地利物理学家,马赫和奥斯特瓦尔德,指名道姓的批判牛顿的绝对时空,颠覆传统物理的唯物主义。论动手的,实验上,X射线的发现,发射性元素的发现,当然还有“两朵乌云”——“以太风”观察实验的失败和黑体辐射的“紫外灾难”,都让经典物理十分难堪。

为什么偏偏是普朗克和e=hv呢?

普朗克的德国老乡和柏林大学的校友马克思说过:批判的武器不能代替武器的批判,物质的东西只能用物质的力量去摧毁。在科学史上,这句话要倒过来说:武器的批判不能代替批判的武器,理论的东西只能用理论的力量去摧毁。科学哲学的历史主义学派从全部科学史中悟出了一个道理:科学实验固然是科学发展不可或缺的工具,但它们本身的力量是远不够强大的。实验不能证实一个理论,甚至不能证伪一个理论。当新的科学理论体系未建立起来之时,旧的理论是不会寿终正寝的。

而普朗克的e=hv,正是一个全新的物理学理论体系的坚实的逻辑起点,第一块奠基石。只是整个科学界包括普朗克本人当时都没有意识到这一点。

普朗克的黑体辐射的公式很快被人们所接受,被广泛运用于科学实验室和蓬勃发展的工业。但普朗克的公式也并非唯一。在高温测量仪上,人们甚至更喜欢维恩的公式,因为它比普朗克的更简单,而且按实际需要,也足够精确啦。为奖励这项科学成果,1911年瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖发给了维恩而不是普朗克。

人们功利地使用着这个公式,却对公式的推导,更甭说量子假说,非连续性思想,兴趣阙然。1902年,普朗克的辐射公式就出现在一个权威读本《分光镜教程》中,但对量子假设的本性只字不提。1904年赫沃尔曼主编的《实验物理学教程》写进了普朗克公式,也提到了h这个常数,但决口不谈它的理论意义。到1908年达姆施特德主编的《自然科学和技术史手册》第二版,详尽地列举了1900年全世界的120项发现和发明,普朗克的伟大发现居然榜上无名!

相形之下,瑞利—金斯那个不成功的公式,由于它连续性的经典模样,更讨科学家们的喜爱,哪怕它是个不能成事的阿斗。它不断地被修正和完善。最后伟大的荷兰物理学家和数学家洛伦兹(HALorentz)也加入了瑞利兵团,1903年又用自己的方法把这个公式再一次推导了出来。但无论怎么折腾,高频端的背离始终噩梦般地挥之不去。1911年,荷兰物理学家埃伦菲斯特,给瑞利公式的这种困境幸灾乐祸地起了一个艺名——“紫外灾难”(对不起,我已经提前用了这个概念)。

最要命的是量子的“生母”普朗克。由于量子的非经典性格,打一出生普朗克就不喜欢这孩子。他一再声明这是一个“迫不得已的假设”,仅仅是一个“权宜之计”。为防止这孩子祸害科学界,普朗克给它贴上一个大大的画成骷髅危险标志。直到1910年他还告诫同仁们:“将作用量子h引入理论时,应当尽量保守从事,就是说,除非表明绝对必要,否则不要改变现有的理论”。

这里说的“现有的理论”,就是经典物理学体系。不管怎么说,孩子已经生下来了,总不能把它再塞回娘胎吧?抱着这可怜的孩子,普朗克进行了长达十几年的“寻父之旅”——在经典物理体系中为量子假说找到一席之地。1911年,他又提出了一个新的辐射假说,认为只有振子发射电磁波才被看作是量子化过程,而吸收则是连续的。普朗克觉着,从辐射场中整份整份地吸收能量还是怪怪的。如果设想振子是一个馒头机,它只能生产整个的馒头,但输入的面粉还该是连续不断的呀。他试图以这种方式,把他的量子假说纳入到经典电动力学体系。显然,这是逻辑不自洽的。1914,普朗克再次倒退,提出第三个辐射假说,认为不仅吸收是连续的,连发射也是连续的。量子化并不发生在振子和辐射之间,只发生在振子与自由粒子的能量交换过程。

总而言之,量子这个捣蛋鬼虽然解决了热辐射问题,但惹下的间断性麻烦比它解决掉的麻烦还要大。就像白云说黑土:“别人唱歌是要钱,你唱歌是要命啊!”量子现在就成了这个蹩脚的歌手,歌唱得好不好能否解决问题倒是事儿小,要了经典物理的命这事儿可闹大啦!

静下来想一想,牛顿世界的白云蓝天多么令人眷恋啊!在这个王国,时间和空间都是连续的,因此在这个时空中物体的一切运动变化也是连续的。普朗克说过他在中学时一位数学老师讲的泥瓦匠的故事令他印象非常深刻。老师说泥瓦匠把把沉重的砖头背上高楼所付出的动能一点都不会浪费,它们会转化为等量的势能存放在高墙上,一旦松动跌落下来,它又会转化为等量的动能把地面的倒霉鬼砸死。这块砌在高处的的砖头的能量跟它的质量和被提升的高度相关,而质量和高度这二个量都是连续变化的,所以这个能量也可以是任何一个数,可以有零有整,在小数点后面写上多少个数我们都不能反对。总不能去跟那个泥瓦匠商量:麻烦你把这块砖头做大一点或小一点,把它砌高一点或低一点,以便把势能溱成一个整数,否则它就无法释放,就是松动了也不会跌下来砸死人。

普朗克现在是误闯微观世界,不经意间瞥见一篇造反宣言。他不愿意这是真的,忙用手把它捂住,可是指缝间却漏出了两个字——“革命”!

从二千多年前古希腊哲学家泰勒斯说出“水是始基”开始,人类就开始了追求世界的同质性和统一性的征程。牛顿不是一个人在战斗,前他承继了人类二千多年的智慧,后启动了二百多年科学家们的共同努力。眼瞅着这统一大业就要完成,难道就为一个小小的量子功败垂成?牛顿这个大筐子装得下日月星晨,山川大地,风雨雷电,咋就装不下一个小小的量子?正如法国伟大的数学家和物理学家庞加勒提出的质疑:按照量子的本质,是否还允许我们用任何一类微分方程来表述自然规律?全部现代科学的信念就是靠“自然这本大书是上帝用数学写成的”这句话支撑,而现代数学的基础正是以莱布尼兹和牛顿发明以连续性为前提的微积分。现在怎么发现,他老人家不玩数学改玩胡说八道啦?

特洛伊国王的妻子梦见特洛伊城毁于一场熊熊大火,次日分娩下王子帕里斯。母亲感觉到这孩子是个不祥之兆,便嘱人扔到山上去喂狼。没承想孩子命硬,先被一母熊用熊乳喂活,后被一牧羊人收养,终长成一孔武有力的帅小伙儿,并机遇巧合地被国王认出,又重回王宫。回宫后,这花花公子竟在美神的帮助下,把全希腊最美的女人海伦诱拐到了特洛伊,从而触发了旷日持久的特洛伊战争。特洛伊城最终宿命难逃,被从木马钻出来的英雄们的一把大火焚为灰烬。

我们的量子小精灵现在虽说爹不亲娘不爱,在荒野里漂泊流浪,但它惹事生非的顽性必将招来一场熊熊烈火,而科学将宿命般地在这场烈火中涅槃,从灰烬中重生!

一个幽灵,在欧洲徘徊……





帕里斯诱拐海伦

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