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普朗克进退失据

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:难怪普朗克把自己的这一行为称为“孤注一掷的行动”。1900年12月14日,普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题,正式提出了他的量子理论,古老的“自然界无跳跃”的观念受到一次猛烈的冲击。但是更令人不安的是普朗克自己,他自己对量子论也没有十分的把握。这以后,在1910年和1914年,普朗克在量子理论上又做过两次大的后退。直到1915年,玻尔提出的原子模型被人们接受以后,普朗克才放弃了自己徒劳无益的后退行为。

为什么说这是一个令人“震撼”和几乎让人“噤若寒蝉”的理论呢?这有一段悠久的历史,不了解这段历史你就无法理解其中的革命性的意义。

在古希腊原子论者的眼中,自然界的某些特性中具有分立的特性,如他们猜测物质有最小的部分(原子)的存在,它使物体具有分立的、不连续的特性。但到了亚里士多德Aristotle,公元前384322)以后,连续性思想逐渐占据了统治地位。亚里士多德定义说:

 

两事物之外限相共处以至于合一者,我称为“延续”(conti-nuous),所以诸事物由于相贴切而成为一个整体者,才可见其为“延续”。

 

这儿的“延续”即连续。他还举例说,线、运动、时间和空间,都是连续的东西。在《物理学》里亚里士多德进一步说:

 

如果事物的外限是一个,它们就是连续的……不可能有任何连续事物是由不可分的事物合成的,例如线不能由点合成,线是连续的,而点是不可分的。

 

亚里士多德的连续性思想在两千多年以后,对于西方思想有巨大的影响,它们几乎一脉相承,绵延不绝,直到20世纪(见资料链接)。

由此可以想见,普朗克需要有多么大的勇气、多么明智的判断,才敢于打破两千年来根深蒂固的传统观念,提出不连续的量子的概念!难怪普朗克把自己的这一行为称为“孤注一掷的行动”。在一次回忆中,他还非常生动地描述了他当时激烈的思想斗争:

 

我生性喜欢和平,不愿进行任何吉凶未卜的冒险。然而到那时为止,我已经为辐射和物质之间的平衡的问题徒劳地奋斗了6年(从1894年算起)。我知道这个问题对于物理学是至关紧要的;我也知道能量在正常光谱中的分布的那个表达式。因此,一个理论上的解释必须以任何代价非把它找出不可,不管这代价有多高。我非常清楚,经典物理学是不能解决这个问题的。……摆在我面前的是维持热力学的两条定律。我认为,这两条定律必须在任何情况下都保持成立。至于别的一些,我就准备牺牲我以前对物理定律所抱的任何一个信念。

 

1900年12月14日,普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题,正式提出了他的量子理论,古老的“自然界无跳跃”的观念受到一次猛烈的冲击。后来这一天就被视为量子论诞生之日。

普朗克(左)和儿子埃尔文一起爬山。埃尔文正在确定他们所处的方位。

人们迎来了物理学的又一个新时代——量子时代。这一年普朗克42岁,对一般人来说,这个年龄不算大,但是对于物理学家来说这个年龄明显偏大。牛顿、爱因斯坦、玻尔、海森伯以及狄拉克等伟大的物理学家,他们在做出最初伟大发现的时候都只有20多岁,也许正是普朗克年龄偏大,使得他在这一伟大的物理学革命中显得非常保守。

在普朗克的量子理论发表后近十年内,人们一直只热衷于应用他的辐射公式,因为很管用,而对他的量子论则很少注意,也不怎么相信。这是不难理解的。越是革命性强的学说,越是难以被人们接受。但是更令人不安的是普朗克自己,他自己对量子论也没有十分的把握。海森伯(Werner Karl Heisenberg19011976,1932年获得诺贝尔物理学奖)在一篇文章中曾经说:

 

后来,据说普朗克的儿子埃尔文曾说过,当他还是一个儿童的时候,有一次同他父亲一起穿过格吕内瓦尔德做长途散步,途中父亲谈到了他的新观念。普朗克对他儿子解释道:我现在所发现的那个新观念,要么荒诞无稽,要么也许是牛顿以来物理学最伟大的发现之一。

 

人们对待量子论的态度也许让普朗克更增加一些犹豫。虽说他“不惜任何代价”地提出了在当时最具思想革命的量子理论,但他本人是一个“勉强革命的角色”。科学自传中承认,开始他根本没有清楚地认识到自己的理论有多么了不起的意义,甚至认为自己的理论“纯粹是一个形式上的假设”,他也没有“对它想得很多,而只是想到要不惜任何代价得出一个积极的成果来”。可是后来进一步的研究使他犹豫、畏缩了。1909年,他曾告诫自己和别人,“在将作用量子h引入理论时,应当尽可能保守从事,这就是说,除非业已表明绝对必要,否则不要改变现有理论。”

关于普朗克这种进退失据的窘态,伽莫夫在他的《震撼物理学的三十年》一书里写道:

 

将量子的精灵放出了瓶子,普朗克自己被吓得要死,他宁愿相信能量包不是来自光波本身的性质,而是来自原子内部的性质——原子仅能以一定的离散能量吸收和发出辐射。

 

这以后,在1910年和1914年,普朗克在量子理论上又过两次大的后退。直到1915年,玻尔提出的原子模型被人们接受以后,普朗克才放弃了自己徒劳无益的后退行为。对于自己的后退行为,普朗克曾经过自我评价,他说:

 

图使基本作用量子与经典物理理论调和起来的这种徒劳无益的打算,我持续了很多年(直到1915年),它使我付出了巨大的精力。我的许多同事们认为这近乎是一个悲剧,但是我对此有不同的看法。因为我由此而获得的透彻的启示是更有价值的。我现在知道了这个基本作用量子在物理学中的地位远比我最初所想象的重要得多,并且,承认这一点使我清楚地看到,在处理原子问题时引入一套全新的分析方法和推理方法的必要性。

 

普朗克的学生弗兰克(James Frank,18821964,1925年获得诺贝尔物理学奖)曾经回忆当时的情景:“普朗克无望地努力回避量子理论。他是一位跟自己意愿做斗争的革命家。最后他得出了这样的结论:‘这种努力没有用,我们只得接受量子理论。信不信由你,它的影响会不断扩大。’”

1918年,当量子理论在实际应用中获得成功之后,普朗克终于“因为发现基本作用量子(量子理论),从而对物理学的发展做出了巨大的贡献”,获得了诺贝尔物理学奖。

资料链接:自然界的连续性

17世纪,德国伟大的数学家、哲学家莱布尼兹(G. W. Leibnitz,16461716)宣称:“任何事物都不是一下完成的,这是一条基本准则,而且是一条得到了证实的准则:自然决不做飞跃。……这条规律,称为连续律(1aw of continuity);这条规律在物理学上的用处是很大的。

“连续律宣布自然不让它所遵循的秩序之中留有空隙。

“这符合壮丽的宇宙的和谐……”

“在自然界中一切都是逐步地渐进而丝毫不做飞跃的,而关于变化的这一规则是我的连续律的一部分。”

莱布尼兹认为,连续性定律(或原则)贯穿着全部哲学,宇宙中万事万物均要恪守无误。他还对此做过进一步的解释:“当前始终孕育着未来,任何现存的状态只能由直接先于该状态之状态来进行自然的解释。如果人们否认这一点,那么世界就会有空缺,这些空缺将会推翻这一具有充足理由的伟大原理,将迫使我们为解释现象而乞怜于奇迹或者纯粹偶然性。

牛顿(Issac Newton,16431727)与莱布尼兹的想法相同,认为宇宙中的一切只能连续地变化,不可能实现跳跃。他提到了时间、空间、运动、液体……他认为这些量都只能连续地改变。

还有英国的洛克(John Locke,16321704)和德国的康德(Immanuel Kant,17241804)等人都一脉相承,将连续性原理作为宇宙中至高无上、不言而喻的原理,谁也没有对它怀疑过,或提出过挑战。到19世纪末,麦克斯韦电磁理论取得的光辉成就,更有力地支持了连续性原理。被誉为“英国经济学之父”的马歇尔(Alfred Marshall,18421924)在他的被誉为“经济学里的《圣经》”的《经济学原理》中,也同样把“自然界无跳跃”作为他“研究经济学的基础”。

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