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第1章 容光焕发（第2页）

笛卡尔的思想无疑是超前的，但直到有了实验证明他的思想才被接受。这是个有力的暗示，让你不要把笛卡尔放在马前面。我差一点要为那个笑话感到抱歉。（2）差一点。

世纪灾难

到20世纪初，再也没有人质疑光的构成了。托马斯·杨已经彻底解决了这个问题。然而，还有一些事情被忽略了，最值得注意的是光与热物体相互作用时发生了什么。要理解其中的奥秘，我们就不得不谈到软管。

想象一根软管，它的喷嘴连接在一个盒子的底部，当软管接通水的时候，盒子就会逐渐充满水。现在，假设我们在盖子上戳三个孔：一个小孔、一个中孔、一个大孔。同样，我们接通水，水还是会充满盒子，然后从顶部的孔里流出。很明显，最大的孔水流最多，而最小的孔只有很细的水流。这个装置没什么意义，只不过操作起来很简单。我们从盒子底部泵水，水从顶部的孔里流出。

物体变热时为什么会发光？上述实验是个很好的类比。物体变热时会吸收热能，吸满热能后，热能就以光的形式释放出来。

在这个类比中，软管中的水代表施加在物体上的热，而孔代表发射出来的不同类型的光：小孔代表红外线（能量太低，所以看不见），中孔代表可见光（从红色到紫色），大孔代表紫外线（能量太高，所以看不见）。

深色物体在这种热光转换中效率最高，因为它们吸收所有的热量。用物理学术语表示，理论上完美的吸热体被称为“黑体”（尽管它并不是字面上的黑色物体）。

整个过程可以用简单的瑞利-金斯定律来恰当地描述，这是个很好的近似解，尤其是在低温到中温范围。但当物体被加热到高温时，就会出现一些非常奇怪的事情。

从逻辑上讲，热物体发出的大部分光应该是紫外线，因为紫外线是能量最高的光（相当于盖子上最大的孔）。但实际上，物体发出的几乎所有光都是中等波长的。

热物体发出的光有一点点红外线和一点点紫外线，大部分是黄光或橙光，这可解释不通。就好比盒子里充满水，然后水几乎全从中孔喷出来，而不是从大孔喷出来。

事实上，相较于我们的三孔类比，真实情况甚至更令人困惑，因为真实的光并非只有三种类型，而是可以有它喜欢的任何能量。更准确的画面可能是这样的：想象一下，沿着盒子顶部切割出一条狭缝，却发现水只从狭缝中部涌出，而没有从边缘渗出。

物理学家保罗·埃伦费斯特把这个难题称为“紫外线的灾难”[6]，它后来成为物理学书籍中臭名昭著的“紫外灾难”。

此时我们面对的是理论和实验的不匹配，在科学中，我们必须改变理论。你无法决定一个实验应该产生什么结果，所以如果某种理论无法预测你实际得到的数据，那你就需要与这一理论一拍两散。

紫外灾难之所以发生，显然是因为我们对光能的运行机制有一些错误的认识。没有人会想到，稍微整理下思绪，我们就会走上量子革命的道路。尽管想出答案的那个人并没有尝试如此激进的事情，因为他只是想要一个廉价的灯泡。

直到普朗克出现

马克斯·普朗克是家里六个孩子中最小的一个。1875年他高中毕业，比他的同学早一年。普朗克申请去慕尼黑大学学习物理，但审核他申请的菲利普·冯·约利教授试图劝阻他，因为他认为物理学几乎已经走到尽头了，这会浪费普朗克的才智。[7]

约利教授很郑重地劝阻，但普朗克没有退缩，坚持自己想要学习的课程。他不在乎能否发现新大陆，因为他不关心遗留问题，他只想知道世界是怎样运转的，而且决不罢休。普朗克没有屈服。

约利教授对普朗克的固执态度印象深刻，最终决定接受他。很快，普朗克就成为欧洲物理学界最受尊敬的人物之一。据说，普朗克的讲座非常受欢迎，听他演讲的人摩肩接踵；有报道说，有的听众因为太热而晕倒，其他人却无动于衷，就为了听普朗克把话说完。

普朗克名声大噪，引起了德国标准局的注意，该局正在致力解决德国的电力路灯问题，问他是否愿意协助。电力在其他国家已经很流行了，但价格昂贵，德国想要找出最高效的方法。普朗克欣然接受了邀请，着手分析热灯泡的热与光之间的关系。[8]

这种灯泡的灯丝实际上是一个“黑体”，随着内部温度升高，表面吸收了所有能量，并以光的形式重新激发出来，大部分是可见光。然而，当灯丝继续变热时，它并没有产生瑞利-金斯定律所预测的那种光，所以普朗克决定创造一种新定律，在这个定律中，他把光能想象成一种气体。

假设气体中有一群随机飞行的粒子，当它们碰撞时，粒子的温度被重新分配，很有可能一些粒子能量较低，另一些粒子能量较高，但大多数粒子的能量集中在一个平均值—这就是我们所说的“温度”。

普朗克意识到，这种能量分布与他在灯泡实验中看到的情形相符。当我们加热一个物体时，它激发出的光集中在一个能量中值，而少量光束出现高能量和低能量。因此，普朗克提出，光束配分能量的方式，与气体粒子配分热量的方式相同。

唯一的问题是，气体热现象能够发生，是因为气体能被拆分成粒子。如果普朗克的想法可行，那么光也必须由粒子构成。

他把这些微小的光粒子称为“量子”（quanta），源自拉丁文中的“quantitas”，意思是“数量”（quantity）。普朗克不动声色地继续工作着。

需要明确的是，普朗克并没有真的宣称光由粒子构成—那太荒谬了。他只是在玩一个幼稚的数学游戏，主要是出于绝望，好让自己的结果变得更合理。由于托马斯·杨的实验，大家都知道光是一种通过以太的波，而且我们早就抛弃了牛顿的微粒学说。

在普朗克看来，光量子是一个不成熟的答案，不值得认真对待，所以很自然，当他收到一份证明光量子真实存在的研究论文时，他惊呆了，呆若木鸡。

（1）　原文是“wavefhttheory”，既可以解释为“光波理论”，也可解释为“挥手告别光理论”。之所以说刻意，是因为“光波理论”的英文通常写作“wavetheht”。—译注

（2）　英语中有句谚语：“don'tputthecartbeforethehorse”，意思是“不要把马车放在马前面”，即不要本末倒置。这里用“Descartes”（笛卡尔）代替了“thecart”。这里的“笑话”是指英语中一个关于马的笑话。一匹马走进酒吧，酒保问：“你是酒鬼吗？”马回答：“我想我不是（Idon'tthinkIam）。”然后“砰”的一声马消失了。这里暗讽笛卡尔的名言“我思，故我在（Ithink，therefore，Iam）”。要解释这个笑话的笑点，就必须把笛卡尔放在马前面（putDescartesbeforethehorse）。—译注