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主题:【原创翻译】《量子》----第一部·量子 -- 奔波儿

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家园 【原创】《量子》----第一章·勉为其难的革命者(9)

格伦沃尔德(Grunewald)是位于西柏林郊区的一个富人区,这儿的住户大多是银行家、律师和一些教授,普朗克也是其中一员,他在一个带有大花园的大房子里住了五十年。十月七日,星期天,鲁本斯和妻子来普朗克家吃午饭。两位老朋友间的谈话不由自主就转到了物理学和黑体问题。鲁本斯解释了自己的最新观测结果,认为维恩定律不成立已经成为不容置疑的事实,因为维恩定律在长波长和高温条件下是失效的。普朗克得知观测结果显示在长波长范围,黑体辐射的强度与温度成正比。

那天晚上,普朗克决定着手构建一个能预测黑体辐射能谱的公式。现在,他有三方面的关键信息来帮助自己完成这项任务。首先,维恩定律被证实在短波长区域是有效的;其次,该定律在鲁本斯和库勒鲍姆所观测的红外区域是失败的,在此区域,辐射强度与温度成正比;第三,维恩定律中所观测到的“位移”现象是正确的。普朗克必须要把这三块黑体研究的拼图块儿组合在一起,建立一个新的公式。多年的科学研究,使普朗克很快就把自己的想法和经验判断转化成草稿纸上面的各种数学公式和符号。

经过几次不成功的尝试,在灵光乍现的科学猜想和第六感觉相助之下,普朗克得到了他的公式。这是一个激动人心的时刻!难道它就是那个基尔霍夫孜孜以求的公式吗?在所有能谱范围内的给定温度下,它是否成立?普朗克迅速地写了一张便条给鲁本斯,然后大半夜就出门把便条邮寄出去。几天以后,鲁本斯带着答案来拜访普朗克了,他证实普朗克的公式与所有观测数据完全吻合!

10月19日,星期五,在德国物理协会的会议上,鲁本斯和普朗克坐在听众席上,库勒鲍姆首先做了发言,他郑重宣布维恩定律只有在短波长区域是有效的,在红外区域这样的长波长范围,则是不成立的。库勒鲍姆刚落座,普朗克就库勒鲍姆的发言做了一个简短的“评论”--“维恩频谱公式的改进(An improvement of Wien's Equation of Spectrum)”。他首先承认自己过去曾经认为“维恩定律肯定是正确的”,而且自己在以前的回忆上曾经反复强调这一点。但接下来,普朗克所说的就并非什么简单的“改进”或者是对维恩公式的微调,而完全是一个新的属于普朗克自己的定律。

在进行了不到十分钟的论述之后,普朗克在黑板上写下了自己的公式。他转过身来,面对着同事们一张张熟悉的面孔,宣布该公式“就目前来说,它与所有观测数据完全吻合,现在正式问世了”。当他坐下的时候,普朗克看见大家只是礼貌性地点点头,但却默不作声。这也可以理解,毕竟普朗克刚才提出的公式不过是一个用来解释实验结果的临时性数学公式,而其他人也曾经提出自己的公式,来解释维恩定律在长波长区域的误差。

第二天,鲁本斯来看望并安慰普朗克。“他告诉我说,会议结束后的那天晚上,他用我的公式与他的实验结果进行了认真比对,”普朗克之后回忆说,“结果发现所有的数据点都匹配准确。”过了还不到一周,鲁本斯和库勒鲍姆宣布他们将自己的观测数据与五个公式的理论预测值进行了对比,发现普朗克的公式比其它任何一个都更加准确,帕邢也证实普朗克的公式与他的数据完全吻合。尽管实验物理学家们用自己的观测结果证实了普朗克的公式的准确性,但普朗克却遇到了麻烦。

他是有了自己的公式,可这个公式意味着什么呢?在它背后隐藏着什么物理涵义?如果不能给出一个答案,普朗克明白他的公式不过是对维恩公式的一个“改进”,“仅仅是由于灵光乍现获得了一个定律的地位”,“也就是一般意义而已”。“因此,从我发现这个公式的第一天起,”普朗克后来说,“我开始全身心地投入到寻找这一公式的真正物理意义的研究中去”。要想做到这一点,他只能从基本的物理定理开始一步步进行推导。普朗克已经知道了推导的结果,但他得找到一条通向终点的道路。虽然他已经有了一个无价之宝,也就是公式本身,但是他为了这个征程要付出什么样的代价呢?

接下来的六周,普朗克后来回忆说,“是我一生中最勤奋的时候”,在那之后,“黑暗过去了,一个出乎意料的天地出现了。”11月13日,他在写给维恩的信中说:“我的新公式还是很令人满意的;现在,我已经为它找到了一个崭新的理论。四周之后,我将于此地(即,柏林)在物理协会上向大家公布。”但普朗克对维恩只字未提自己是如何经过艰苦的脑力劳动创造出新的理论,也没有谈到理论本身的内容。在这些日子中,他一直锲而不舍地妄图将他的公式与十九世纪的两大物理理论(即,热力学和电磁学)联系起来。可是,他失败了。

“因此,要想发现一个新的理论必须要不惜任何代价,”他接受了失败的命运,“无论代价有多高”。他“已经做好准备,不惜推翻自己以前所信奉的每一条物理定律”。只要他能够“带来正面的结果”,他不再考虑自己要付出何种代价。普朗克是一个感情内敛的人,只有在弹奏钢琴时他才会尽情渲泄自己的感情,但这一次他却说出感情如此强烈的话语来。为了透彻理解自己的新公式,普朗克将自己的脑力发挥到极致,他不得不做出“置之死地而后生的行动”,并导致了他发现了量子。

通宝推:一觉到天亮,史文恭,

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