《文盲正侃时间史》 part1 part2 part3 part4 From1 ref2

第一章 广义相对论(上) 山重水复

1.一个矛盾与一个BUG

2.等效原理

3.重新认识一下质量

4.光线弯曲

5.空间弯曲

6.爱因斯坦圆盘

第二章 广义相对论(中)柳暗花明

1.超级武器

2.测地线

3.张量

4.爱因斯坦场方程

第三章 广义相对论(下)铁证如山

1.光线偏折

2.水星进动

3.引力红移

4.精益求精

第四章 量子论前传(上) 雾锁迷云

1.世界是什么

2.元素周期表

3.原子之谜

4.初露端倪

第五章 量子论前传(中) 乌云来袭

1.辐射家族

2.黑体传说

3.紫外灾变

第六章 量子论前传(下) 不诉离殇

1.量子幽灵

2.波粒再战

3.原子迷图

第七章 量子论 一 风云际会

1.雾里昙花

2.爱玻相会

3.二象世界

4.不相容

第八章 量子论 二 谁主沉浮

1.天降神童

2.男孩物理

3.纠结的自旋

4.波动疑云

5.波粒又战

第九章 量子论 三 世纪论战

1.上帝的骰子

2.不确定

3.互补原理

4.尘埃未定

5.论剑峰巅(爱氏光盒、薛猫等)

第十章 量子论 四 何去何从

1.第六根手指

2.恐惧与挣扎

3.平行宇宙

4.退相干

5.第三者

6.前途漫漫

后记。

第七章 量子论前传(下) 不诉离殇

量子幽灵

维恩公式、瑞利-金斯公式出生没多久,就直接被实验证伪,那么,它们到底算不算科学理论?

当然算!这都是正正经经、如假包换的科学理论,即使被证伪以后,它也是科学理论!想辨别科学和伪科学吗?请认准科学标签:可证伪性!

什么是“可证伪性”?

是指从一个理论推导出来的结论、解释、预言等,必须要有被证明是错误的可能。

这是卡尔·波普尔(Karl Raimund Popper)在《猜想与反驳》中提出的概念。波普尔是著名的科学哲学家,他原籍奥地利,犹太人,二战期间被迫移民英国。他的研究,涉及科学方法论、科学哲学、社会哲学、逻辑学等等,是当代西方最具影响力的哲学家之一。

波普尔认为,判断一个理论、一个命题是否科学,其标准就是,它是否具有“可证伪性”。他有一句名言:“科学经常是错的,而伪科学倒有时是对的”。这话乍听起来,很难让人接受,但稍加分析,我们就会发现,这才是分辨科学与伪科学的必杀技!

我们在上部“所谓科学理论”里提到过:任何物理理论都只是假设,在这个意义上,它只能是暂时的,你永远不能证明它。

为什么?因为科学理论的表述,永远是最清晰、最确定、最具体的。这样的表述,验证起来,也永远是最明确、最直接、最老实的。而这种验证方法,谁也不能保证,永远不会出例外。

比如,咱俩发现一个科学理论:人,都是胎生动物。

这个表述,任何人拿来就能用——这正是科学理论的显著特征。我随便指一个人,你用这个理论,都能推断出TA是胎生的。而且你也能预测,今后出生的人,也是胎生。

为啥使用效果这么好?因为它的表述足够清晰、明确、具体,这种表述,是最诚恳、最可靠的,因而是最有用的。

那么,我们怎么去验证这个理论呢?非常简单:观测。

不停地观测。

只要观测范围内的每个人都是胎生的,我们就相信这个理论。如果有一天,发现有人是卵生的,只要一例,这个理论就立即被证伪,我们就必须修正它,或者放弃它。

规则极其公平、简单、清晰、有效。

那么,我们能不能一劳永逸,证明这个理论“永远”正确,或者“绝对”正确呢?

不能。

因为谁也不能保证以下几点:

在我们的观测范围之外,绝对不存在非胎生的人。

以后永远也不可能出现非胎生的人。

从前绝对没有过非胎生的人。

那么,最清晰、最确定、最具体的表述,并且它的预言有被证伪的可能,就是科学吗?当然不。科学理论,要符合已有的观测。

比方说,我提出一个理论:所有人都不是胎生的。这个够清晰,够确定,也够具体,但是,很显然,这不是科学学说,而是信口胡说。因为它在提出时,就已经明显不符合观测了。

好吧,“科学经常是错的”,这句话我弄明白了。可是,不可能被证伪的理论,怎么就不是科学理论了?

因为不可能被证伪的理论是抖机灵,它的结论就是没有结论,也就是废话。

比方说:有的人是胎生的。

这句话你怎么挑,都没毛病,绝对正确,简直就是传说中的真理!

可是,当你使用这个理论时,就悲哀了。我随便拽来一个人,你用这个理论来推论一下,TA倒底是不是胎生的?“有的人”里面包括TA不?凭什么包括?又凭什么不包括?具体问题具体分析?恐怕越分析越乱,最后只好领导说了算。

悲哀的是,我们却总是沉溺于这种“永远正确”的伪真理中,不能自拔。陶醉于滴水不漏、两头堵、弯弯绕的废话技巧之中。

我们长于纠结“对错”,却不善分辨“真伪”。

尤其是,对一些模棱两可、一言多解、晦涩艰深的所谓至理谶言,我们有一种似乎是与生俱来的尊崇。其实,揭开它故作神秘的面纱,这些所谓的高深理论,就是浅薄的抖机灵,没什么实际意义。

比方说,你有事去请教高人,高人给你吟一首:

子有三般不自由,门庭萧索冷如秋。

若逢牛鼠交承日,万事回春不用忧。

你问这是啥意思,高人捋须微笑:此乃天机,时机一到,你自然会顿悟滴~!

于是——

你失恋了,你顿悟:萧索、冷如秋,可不是咋滴!看后两句,还有希望?你膜拜:高人呐!

你恋爱了,你顿悟:若逢牛鼠“交承”日,万事“回春”不用忧。你慨叹:高人呐!

你罢官了,你顿悟:门庭萧索冷如秋。你拜服:高人呐!

你升官了,你顿悟:万事回春不用忧。你崇拜:高人呐!

……

看看,伪科学有时是对的。

如果有人还是不服气,那么,这里可以提供一个预测战争的全能谶言——咱俩倒背如流的《登鹳雀楼》。

白日依山尽,黄河入海流;

欲穷千里目,更上一层楼。

好诗啊!但你没看出它的“深刻内涵”来:

无论哪场战争,无论发生在何时何地,无论是赢是输,这首诗都早已预测到了:

在白天,有“白日”嘛;在夜晚,“白日”已经“依山尽”了嘛;在山上,有山啊;在水里或水边,有河有海;在城里?有楼哦;赢了,更上一层楼嘛;输了,白日依山尽,日落西山象征啥就不用解释了;逃了,入海流嘛,蛟龙入海得自由;没逃掉,入海流嘛,再逃也逃不出大海;一仗打发财了,水生财嘛,又是河又是海的;一仗打穷了,里面那么大个穷字明摆着嘛……你就“悟”吧,越悟越多,越悟越深,就会把这首诗当作天下第一博大精深的神作。

如果你尊崇某人或某理论,那么,千万不要神话化之。因为对于粉丝团以外的人来讲,神化和妖魔化没什么本质的分别,所谓粉到极处自然黑,就是这个道理。

当你对某个高人迷信不疑,就天然地以为,他的每句话里都暗藏玄机。所以,不论这个高人说句什么话,也不管他本来是什么意思,人们都能从中“悟”出许多道理来。同样一句话,能得出多种解释,并且,有的解释完全相反,你却都能“悟”出它的合理性来。这种荒谬的自欺怪圈,让许多人沉迷其中而不自知,陶醉在一次又一次的“顿悟”之中,以为自己越悟越深,其实是越陷越深,一旦有人试图叫醒他们,他们往往勃然大怒:浅薄!无知!高人的理论岂是你们这些寻常之辈能够参透的?!

比方说孔子的一句话:民可使由之不可使知之。

你可以这样解释:民可使由之,不可使知之。意思是,对老百姓,只需使其照我们的意志去做,不能使他们懂得为啥要这样做。

你按照这个理论,实施了愚民政策后,发现这是巩固你的独裁统治的有效手段,不由得由衷赞叹:孔圣人就是高啊!

但是你也可以这样解释:民可,使由之;不可,使知之。意思是,老百姓认可,就让他们照着去做;不认可,就要使他们明白(这样做的)道理。

你按照这个理论,与百姓加强沟通,发现这样可以有效调动他们的积极性,于是不由得五体投地:孔夫子实在是高啊!

看,同一句话,两种完全相反的认识,却都在说它“高”。

如果这句话是一个无名小卒说的,就会遭人鄙视,至少也会被无视:这都什么乱七八糟的!

不服气?孔圣人的这句话,俺还能给出第三种解释:民可使,由之;不可使,知之。意思是,老百姓可以驾驭(驱使)时,就顺其自然;不可以驾驭时,就得去了解他们。是不是也很有“道理”?

我们玩文字游戏,或者写诗填词,可以用模糊、委婉的表述来增添趣味和美感。但是,用作哲学交流,或者思想沟通,必须表述精确,语义明晰。

语言作为一种交流、沟通工具,它表达的意思不够清晰,不够准确,让不同的人听出不同的意思,让同一个人在不同时期“悟”出不同的意思,这是交流、沟通的失败。也许在当时,古人的表述是明确的,但是后来,随着文字、语境、文化等方面的变迁和缺失,我们在理解上不是那么准确,不是那么肯定,这都很正常,不正常的是,把这种多歧义的理解,作为 “博大精深” 的一种证据来看待,就太搞笑了。

有人说,难道老子的学说不够优美吗?当然不是这样。老子的学说的确够优美,但是,它是哲学,很美很朴素的古代哲学,影响颇大,可惜它不是科学。作为哲学,它的逻辑体系还不够完整、不够严谨,大多是定性的表述,缺乏定量的证明。非要比“博大精深”,老子的学说不如墨子。我们可以用它来修身养性,体悟人生,也可以用它树立三观,甚至可以用它指导处世为人,都没问题。但是,用它来附会科学理论,去弘扬中华文化,就不止是坑爹了,还坑祖宗、坑老子、坑子孙、坑文化。

真正的科学理论,无论谁来说,无论谁来用,它都一样,不会因提出者的地位不同而改变,也不会因使用者的身份不同而偏离。

那么,我们怎么识别伪科学呢?

首先是检验。

科学,可以通过严格的科学方式进行检验,在其有效范围内,具有普遍性,没有发现反例,并且具有可重复性。

伪科学,其例证都不能通过科学实验的验证,甚至阻挠严格的检验。就算举例,也只能举那些“特例”,不具有可重复性和普遍性。

其次是预言。

科学可以做出明确的,能够检验的预言。比方说,我根据牛顿定律,预言某月某日的某一天,在某地会发生月食。你只要在那天,去那个地方看一眼,就很容易检验这个预言是否正确。

伪科学的预言躲躲闪闪,语焉不详,大玩文字游戏,在语言上永远立于不败之地,但它无法做出明确的预言。你以为他不想?不屑?他是不敢!因为他的预言一旦明确,立即会被发现不准确。但是无论发生什么,事后,它都能解释一切!典型的“事前糊涂账,事后诸葛亮”。

再次是实用。

科学理论就算被证伪了,也可以在它的有效范围内应用。比方说牛顿定律,在低速运动范围,十分好用,直到现在,包括航天在内的很多领域都在应用。

伪科学就算没被证伪,也没什么用处。比方说灵符治病,你信则灵,不信则不灵。你用它治病,不灵了,就是你不信的结果,灵了,就是灵符治疗的“正常功效”。

有些伪科学很难分辨,所以,辨伪成为一个专门的学术研究,国际上叫做“辨伪学”。伪科学有诸多“必杀技”,十分了得,归纳起来,就是“各种看”。我们来大致了解下:

两面看:凡事必须找出正反两面,一分为二,拉平差距,模糊优劣,能证明“脸上有只痦子”和“脸上只有痦子”是一样的,因为你有我有全都有,五十步不能笑一百步。你科学也有治不好的病,我贴了灵符也有病愈的先例。

全面看:你不能只盯着灵符治病不科学这一点,它至少有心理安慰、心理暗示的作用,对一定人群能发挥一定的作用,这不也是科学的么?既然选择了灵符治病,就说明灵符治病适合他们。别有用心地推销你们那一套,你以为我们会上当?我们就是要贴自己的符,治自己的病!

历史看:现在不阔原先阔。现在这些没治好,是因为积重难返,但原先,在那遥远的地方有个好姑娘就被我治好了。

发展看:现在不行以后行。凡事要经得起时间的检验,现在不行,只要我们豁出去几代人,坚持贴灵符去治,将来就不会有病了!到那时,我们的精神也会好很多!

具体看:同一事件,多重标准,具体使用哪个标准,那得看立论者的需要,再具体问题具体分析。

他们极其聪明地躲在一个巨大的愚蠢中,跟你兜圈子,任你怎么叫,他也不出来。

几个圈子兜下来,你再看那驴粪蛋,圆润的表皮上都泛着神圣的真理之光。

所以,你不能跟着他去各种“看”,你只看两点:

1. 分析他的理论有没有可能证伪,没有证伪的可能,那就不要信他。

2. 如果有可能证伪,就朝他要明确预言,观测现有结果。观测与理论不符,那就不要信他。

一个科学家拿着他的论文,请泡利给个意见。以毒舌著称的泡利说:“你的论文连可证伪性都不具有。”这是对一个理论最彻底的否定,意思是,这篇论文还不如一个错误。这个评论,成为科学史上的经典,没有哪位科学家希望得到这样的评论。

所以,如果一个人对你讲的话无论如何也无法证伪,那他八成是在忽悠你。

这个广告有点长。我们回到黑体迷局上。

1900年10月7日,星期天。柏林西部的富人区,格吕纳瓦尔德郊区,一座花园别墅。普朗克的家。

鲁本斯来这里与普朗克共进午餐。他带来的不仅有妻子,还有他的实验结果,证实维恩分布定律失效。在红外区域,能量密度(这里指辐射强度)与温度成正比。

这个结果让普朗克忧心忡忡。

问题出在哪?信息杂乱,毫无头绪。找不到问题的根源,就无从下手。但是也找不到下家,把问题抛给他。地位是责任,能力亦然。

是夜,无眠。

普朗克理了理思路:

A.维恩位移定律没问题。

B.问题出在分布定律的红外区域。

C.实验表明,正是在这个区域,辐射强度与温度成正比。

虽然找不到问题的根源,但手上有这些资料,可以试试Diy公式,先把数学问题解决了再说!

此刻,多年积累的广博知识,以及深厚的数学、物理功底显露出强悍的力量。灵感共直觉怒放,推理与猜想激荡。

拼拼凑凑,拆拆补补。以算为主,以蒙为辅,蒙算结合,一定及格。几经周折,终于,在算符嘈杂的稿纸堆里,一个看上去很美的公式,悍然出现在普朗克笔下。

难道是她?!基尔霍夫的梦中情人?那个传说中的公式:可以描述任何一个温度下,黑体发射出的单色辐射的分布情况?

谨慎的普朗克按捺住小小的激动,利用手中的数据算了算。红外区符合,可见区符合,紫外区也符合!灾变消失了!

普朗克的心简直要跳出来了,他赶紧把这个公式写在一个字条上:

ρ=(c1λ^-5)/[e^(c2/λT)-1]

写完,以沉稳著称的普朗克迫不及待地把字条装进信封,乘月黑风高,把信寄给了鲁本斯。然后,惴惴不安地等待测试结果。似乎邮差也像他一样,不休不眠。他太急于验证这个公式了!

几天之后,鲁本斯带着答案,出现在饱受相思之苦的普朗克面前。是个好消息:公式预言与实验数据完美相符,没有死角!

普朗克又长舒一口气。但随即,他刚刚落下的心又悬了起来,公式是对的,但它倒底啥意思,还没搞清楚。

10月19日,星期五。两周一次的德国物理学会的例会上。在库尔玻姆正式宣布维恩定律在红外区域失效后,普朗克发布了这款公式。

该公式为黑体辐射度身定制,手工精湛,功效卓著,红外区、可见区、紫外区,全方位涵盖无死角,c1、c2两个常数高低呼应,又兼一对波长λ上下其间,更具平衡美感,指数函数exp暗含其中,隐隐皇家气韵,绝对温度的T线混搭,彰显不羁风情,频率v的悄然褪却,深藏功与名,将淡淡的忧伤,留给无尽的遐想。

与会人员彬彬有礼地点头表示期许。太有绅士范儿了!

大家心里都很清楚:公式的意义太不清楚!况且,自从维恩分布公式失效的小道消息传出以来,同志们纷纷Diy出了不少公式,准备取代维恩公式,填补国内外空白。

普朗克回到家,久久地盯着这个大获成功的公式,目光里充满忧郁。

第二天,鲁本斯到访。昨晚,他又对公式进行了严格的测试,它又过关了!显然,鲁本斯是来给普朗克打气的。

一个星期内,鲁本斯和库尔玻姆拿到5个看起来比较有前途的公式,进行了疯狂的测试PK,结果,普朗克公式胜出。

普朗克压力更大了。这个公式经过严格测试,证明好用。那么,再在PK中胜出,其意义已经不是那么重要了。就好比一个武状元,再打败几个高手,他还是武状元。目前更重要的是,找到它的物理意义。如果不找到,那它只是一条靠经验和直觉,加上运气而发现的一个数学公式,形迹可疑,连真正的定律都算不上。

他把探寻的目光,落在热力学和电磁学上。两个优雅而美妙的理论,挂靠其一,这个公式传承了尊贵的血统,有了令人信服的来历。

但是,无论怎么撮合,它就是与这两个王者格格不入,仿佛天生就是来造反的,要么就是来踢馆的!

热力学定律、麦克斯韦方程组,是那样的优雅、坚实和温暖,在各自的领地,君临天下,仗律执章。变幻莫测的能量生息,神秘奇异的力场演化,莫不宾服臣顺,令行禁止。

直到基尔霍夫的黑体降临人间。

黑体辐射,很明显,这既是热力学的问题,也是电磁学的问题。正常来讲,普朗克手里的黑体公式,应该自然地皈依到二者门下才对。

热力学、电磁学,二者的力量、美感,已经深深融入普朗克的血液,成为生命的信念,为了二者更完善,更坚实,他愿意添砖加瓦,扫地拂尘,就算为之守候一生,操劳一世,也在所不辞。

而眼前,传承热力学血脉的公式,搞不掂长波;延续电磁学血统的公式,搞不定短波。现在,自己diy出来的这个公式,终于征服了所有波,可是它,却乜斜着庄严的热力学、神圣的电磁学,梗着个脖子,死也不肯臣服,甚至连拉个手搞共同开发的意思都没有!

这意味着什么?

一股寒意倏然袭来。

不!不不!普朗克被刚才一闪而过的念头吓了一跳。

我是一个保守派,我愿意做个保守派。我的老师早就告诉过我,物理学已经完成了。我来学习物理的,是要汲取和传播这些知识的,而不是改变这些美妙的知识。这不是我要做的!要知道,我是一个谨慎的人。是的,我做事一向相当严谨。以前是,现在是,将来也是!

一个严谨的人遇到这种矛盾,应当怎么做?对,尊重事实!用事实拷问知识!

现在,事实是:这个公式很成功,它搞定了热力学和电磁学都搞不定的黑体!那么,热力学、电磁学……天哪!难道,这两座巍峨的大厦,只是这个公式站起来的代价?!情感和理智的交锋,真理和忠诚的纷争,把普朗克逼向绝路。

绝处逢生,需要的不仅仅是智慧,更需要的是勇气。可怜的普朗克,你是要克服多大的障碍,才能拾起这偌大的勇气啊!

好吧,好吧!除了热力学第一、第二定律,其余的,我都可以放弃!这就相当于岳飞说:除了汴梁,其余的,我都可以弃守!

“可以牺牲我过去对物理法则所持的每一个信念。”

“要不惜任何代价,为这个公式找得到一个理论解释,不管代价有多高。”

普朗克为自己打气。

当人们喊出“不惜一切代价”的时候,通常,他并不是真的打算付出一切,而是要放手一搏,避免失去一切。否则,“一切代价”就没有任何意义。

正因为谨慎,他才更注重事实。正因为坚守,他才更敏锐地察觉到旧的缺憾、新的曙光。

他用了老套的一招,也是沉稳的一招:建立一个模型,来再现公式所描述的黑

体辐射。

黑体辐射,是各种频率辐射的大杂烩,随温度的变化,各种频率的强度此消彼长。

根据这个特点,可以想象无数个“振荡器”,排列于黑体内壁。所谓震荡,说白了就是往复运动。每个振荡器负责发射一种单频。所有振荡器一起,就能发射出所有频率。

给黑体加热,就是给振荡器提供了能量。有了能量,它们就开始震荡,向空腔中发出辐射。同时也吸收能量。如果温度保持恒定,慢慢地,这一收一发,就达到平衡。

现在,各种频率的辐射都有了。我们知道,它们的强度是不同的,也就是量不一样,有多也有少。而根据这个模型,某个频率强度高,是因为该频率的振荡器数量多。

现在问题来了,各种频率的强度,怎么分摊给振荡器呢?

普朗克不放过任何一种可能,苦苦探寻联系经典王国的蛛丝马迹。

可是,热力学、电磁学的金科玉律,在黑体这里行不通。必须另走他路!

这是普朗克学术生涯中最黑暗的时光。不是因为失败,而是在成功的路上,他真的付出了惨痛的代价——他最珍视的、已融入生命的信念。

现在,这些信念,由他亲手从生命中割离,血淋淋地抛弃。身后,一片狼藉。

走投无路之际,普朗克悲怆地看着面前的铜墙铁壁,突然,眼中余光一闪,一个不起眼的角落进入眼帘。

气体动力学。

上部说过,麦克斯韦在研究土星光环时,遇到过与气体力学有关的难题。电磁学建立后,麦爷抽了点时间,出手收拾了它。他把气体动力现象,看成气体分子间乱碰乱撞的结果。微小颗粒的碰撞,如果能测出它们的速度、质量、位置等,利用牛顿力学,就能计算。但是,气体分子小到看不见,多到数不清,咱人类没有能力全测量出来。于是,数学功底强悍的麦爷想到了统计学和概率论,用这两个对付模糊事物的工具,算出了气体分子们“最可能的速度和分布规律”,为气体力学奠定了一块厚重的基石。

玻尔兹曼沿着麦爷开辟的道路,把“熵”和无序状态联系起来,给出了热力学第二定律的统计学解释。

所谓熵,通俗来讲,就是衡量事物混乱程度的一种概率单位,越无序,熵值越高,越有序,熵值越低。

热力学第二定律表明,大自然总是倾向于熵值增高,也就是越来越无序。所以,此定律又称“熵增定律”。我们前面说过,自然状态下,热量无法从较冷的物体传给较热的物体,只能是高温体传给低温体,总体趋向平均、无序。你堆起一堆沙子,自然界会让它消散,这些四散而去的沙粒,永远都不会自动再聚成那个沙堆。这就是“熵增”。有关细节以后再说。

现在的问题是:普朗克始终相信,熵值“绝对、永远”只增不减。而玻尔兹曼的统计学解释是:熵值“几乎”只增不减,换句话说,它存在减的可能。

玻尔兹曼的解释可以用扑克牌来理解:我们买一副新的扑克牌,新牌都是按照顺序排列的,熵值很低。我们洗这副新牌,越洗就越无序,熵值越来越高。这是一般现象。但是,根据概率论,存在这样一种可能,一副本来很无序的牌,你洗来洗去,可能碰巧有那么一次,会变得比以前有序一点,也就是熵值减小了。虽然概率极低,但不是零。

所以,普朗克对概率论的气体动力学一直很不感冒。但是现在,普朗克为了解释这个公式,他不得不求助于它。这就相当于,少林方证大师被迫用九阴白骨爪解决问题。

一个封闭的系统,任其自然发展,它的熵值会越来越大,最终达到最大,也就是达到最无序的状态。

一个黑体也是这样,最无序的状态就是热平衡。热平衡状态,就是普朗克用模型找出辐射分布规律的最佳状态。

在模型里,每个振荡器,振动频率都是不变的。那么:

A.当振荡器吸收、释放的能量大小有变化时,它所能改变的,就只有振动幅度——“振幅”。换句话说,振荡器的振幅,决定了它所释放、吸收的能量大小。

B.某个频率的振荡器数量,决定这个频率的辐射强度——也就是量的大小。

关键:振荡器数量、振幅变化,对应辐射强度、能量变化。这些复杂而微妙的东西,只能用概率、统计的方法来应付。

而且,把能量分摊到相应的振荡器上,更需要这种手段。

根据这些基本条件,利用玻尔兹曼对付气体动力学的概率论技巧,普朗克开始了推导。推来导去,他惊奇地发现,振荡器必须一股一股地吸收和发射能量,才能推导出黑体辐射公式!

就是说,必须把能量分成若干相等的小段,变成“一份一份”的能量单元,才能得到那个强悍的黑体辐射公式。普朗克管这些能量单元叫做“量份”。

这个“量份”有多大呢?普朗克从这个公式出发,勾结振荡器的频率,去瓜分能量,发现了一个简洁的公式:

E=hv

能量E唤醒了我们尘封的记忆,而频率v的高调复出,震荡着激情的涟漪。那个神秘而又高贵的身影,一袭长裙,从容侧立,h,你从哪里来?

普朗克发现,要调和E和v的关系,必须有一个常数坐镇。于是,他创造了h,普朗克常数。有了她,科学史上最著名的方程式之一,才得以成立。

至此,物理学中最重要的常数前三甲,已经全部出现在我们眼前,另外两个分别是引力常数G、光速c,它俩分别在另外几个同样著名的方程里巍然屹立:牛顿的万有引力公式,爱因斯坦的质能方程,当然,广、狭义相对论方程里也有c。

回到这个简洁优美的方程。它的意义很明显,某个频率v乘以常数h,所得到的,就是在这个频率上,一份能量的值。一个“量份”就是这么大。

普朗克还没意识到,自己完成了一个伟大的发现。他以为自己只是给黑体辐射方程找到了一个来路,而且是用了自己不满意的概率论。还没来得及小小地激动一下,普朗克就又被自己吓到了。

他的公式显示:能量的传递不是连续的,而是一份一份的!

介入黑体问题以来,虽然已经不是第一次被自己吓到,但这次,真不是普朗克胆小,换成任何一个物理学家,他们都会被公式显示的信息吓到!

不就“能量是一份一份的”这码事吗?有什么大不了?

相当了不得。这是一个天大的篓子,被普朗克捅了出来。

虽然刚刚说过,但我们还是要马上复习一下这个公式:

E=hv。

h的值是6.626×10^-27尔格?秒,也就是用十万亿个一亿除6.626,它等于6.626×10^-34焦耳?秒。这个值十分微小。

每一份能量,都是这个常数乘以频率。这意味着,无论你怎么分,一份能量只能分到1hv为止,不能再小了。

那么,无论哪个振荡器,它所具有的能量,只能是0hv、1hv、2hv、3hv……nhv。看见没?n必须是个整数——再强调下:这是因为1hv最小,不能再分了,所以不存在0.5hv、3.1415926hv……之类的小数。

但是,自然界的能量的传递是一份一份的——这个提法,绝对颠覆了我们对世界的认知!

生活中,我们烧水,就是用火向水壶里的水传递能量,使水温升高。那么,在我们看来,火向水传递的能量是“连续的”,水温从20℃升到100℃的过程,当然也是“连续的”,水温一定经历了20.5℃、25.0250250250250℃、38.383838℃、52.0520520℃……总之,水的温度值一定经历了在20——100之间的任何一个数字,它的温度上升线是连续的、平滑的,不可能从21.5555℃直接跳到21.5557℃,而不经过21.5556℃。是吧?

一个物体从A运动到B,它都必须经过其路径上的无数个点,因为我们的世界是“连续的”。 无论AB距离有多短,它也不可能从A点“直接”穿越到B点,凌波微步也不行。还记得上部开篇里的芝诺悖论吗?他的大前提就是,“任何距离都可以分成无穷个小间隔”。所以,从一点到达另一点,必须“路过”无穷个小间隔。他由此推断“有限的时间内,不可能经过无穷个间隔”,从而得出了“运动不存在”的结论。

虽然我们不想同意这个恼人的结论,但是,对于他的大前提,我们是没有任何异议的,因为“世界是连续的”。我们对世界的全部认识,都是建立在这个基础之上的。对于运动距离、能量传递之类的东西,我们可以无比精细地进行分割,分割到极致,量度为零,分割效应消失,继而恢复整体。这是最完美的分割,是微积分的核心技巧。消除分割,让它所描述的对象连续、平滑起来,这是微积分的最高境界。

微积分是用分割法描述连续世界的无敌利器。它是我们对世界认识的数学化表达。

而现在,普朗克的黑体辐射公式,以绝对强者的姿态,钢铁一般地戳在我们面前,面无表情地挑衅道:有种你就推翻我,不然,你就必须承认,能量不是无限连续的,它必须有个最小单位,分成有限的份数进行传递!

这就像我们去菜市场买东西,无论怎么讨价还价,无论买的东西有多少,你最少得付1分钱,你不可能付0.5分钱,因为没有这个面值。所以,你可以不付钱,实施抢劫或乞讨,但,只要你是付钱的,你所付的总钱数,无论多少,一定是1分钱的整倍数。

我们坐飞机,登机时可以上1个人,也可以上2、3、50……个人,只要装得下,随便哪个整数都行,但绝不能上0.25个人,无论你怎么清点人数,飞机上都是1个人的整倍数,不可出现380. 747个人之类的情况。(不要提残疾啊肢体啊之类残酷的脑筋急转弯式的情况,肢体、尸体都不是真正意义上的人,真正意义上的人,肢体再残缺,他也是“一个”人)。

但是,如果能量的传递也是这样的,分成有限的一份一份,那么,水温“从21.5555℃直接跳到21.5557℃,而不经过21.5556℃”就成为可能。我们把水的量减少到极致,就好理解了:大家知道,所谓温度,在微观上看,就是分子/原子运动的激烈程度:

你“加热”一个水分子,给它一份能量,它就会从一般的运动状态“直接跳到”激烈的运动状态,而不路过这两个状态之间的任何一个状态。要知道,在经典物理里,路过,不仅是美德,还是宪法。

普朗克快被折磨疯了。

在维恩公式出世以前,他已经为黑体问题进行了6年的探索,维恩公式出生以后,他立即将它归入热力学血统,以为世界从此和平了。可是,实验很快就击碎了这个美梦,证明维恩公式在红外区无效。

他千辛万苦凑出一个公式,搞定了黑体辐射,却发现,公式与自己膜拜的电磁学、热力学水火不容。

他为寻找公式背后的物理意义而绞尽脑汁,百撕不得骑姐。

为了把这个公式融入经典,他在信念上做出巨大让步,向自己原本抵触的概率、统计手段求援。

终于找到了“整个计算中最带根本性的一点”,却发现,这一点是如此可怖!它一直在公式背后深藏不露,甫一现身,还没来得及看清面目,就见它剑指整个物理大厦的根基!

这是什么怪物?!

仅仅是因为你站起身来,就要搞得整个物理学土崩瓦解?不!

你没有这个资格,谁也没有这个资格!你只是一个假设,只是我用来解决公式出身问题的一个手法,并不是物理真实!普朗克这样安慰自己,他那颗揪紧的心,慢慢放松起来,但仍有一根无形的绳索悬着它,荡荡悠悠,无法踏实。

1900年12月14日。星期五下午。柏林大学物理学院。钟声刚刚响过五次。

普朗克在德国物理学会的例会上,报告了他的新发现。

他宣称,只有假设黑体模型里的振荡器吸收、发射能量是一份一份的,才能导出那个公式、准确描述黑体辐射分布规律。

他把一份能量叫做“能量子”。这个名称随后就被他改为“量子”。

一个震撼了整个20世纪,到现在也余震未消的庞然大物就这样悄然诞生了。

会后,物理学会的会员们纷纷向普朗克表示祝贺,祝贺他找到一个强悍的公式,成功地解决了困扰人们多年的黑体问题,圆了基尔霍夫的梦。但这一切,似乎与量子无关。因为它只是普朗克解决问题的一个技巧而已。物理学家们的这种技巧,就像知心大姐提供的驯夫小窍门,一抓一大把。

量子,就是这样低调。它混迹于天地万物,事了拂衣去,深藏身与名。直到1900年,一个谨慎公务员形象的男人,在走投无路之际,随手把它拽出来,晾在众目睽睽之下。

但,人们只把他当作黑体辐射公式的垫脚石,无人关注。只有它的发现者,为它的存在而隐隐不安,那根无形的悬心绳,时时颤动,成为一个飘渺而又顽固的痛。

在此后的日子里,普朗克一直试图回避量子,但量子如影随形,它低调沉着,却强悍坚硬;它不动声色,却无处不在。撼不动、绕不开、改不了、认不清,额亲娘啊!还有比这更可怕的吗?!

它倒底是什么?

就在普朗克跟自己内斗纠结之际,一个年轻人慧眼识珠,第一个接受了量子。而普朗克,虽然不肯接受量子,却慧眼识珠地接受了这个年轻人。

波粒再战

转眼间,到了光辉灿烂的1905年。

3月17日。又是星期五。瑞士伯尔尼,26岁的爱因斯坦投寄了一封信后,匆匆赶去上班。饱暖思宇宙,饥寒问稻粱。专利局三级技术员这份很有前途的工作,解决了爱因斯坦的温饱问题,使他有时间去窥探宇宙的秘密。

那封信是寄给《物理年鉴》的,里面装着他本年的第一篇论文。论文解释了“光电效应”,题目是《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。

普朗克看了,不仅没有受到启发,反而更纠结了。因为爱因斯坦肯定了普朗克的量子概念,还用它来解释“光电效应”。

普朗克本来就对量子避之不及,现在爱因斯坦不仅欣然接受了它,并且更进一步,让量子与光子联姻,生出“光量子”,把量子生米煮成熟饭,变成物理真实。普朗克认为,这个步子迈大了,很扯蛋,所以极度反对这门亲事。

不过,爱因斯坦的观点虽然反叛、出格、颠覆,但他的解释却逻辑严谨,事实清楚,非常完美。所以,普朗克很负责任地允许这篇论文发表。

于是,继普朗克发现量子之后,科学史又翻开了崭新的一页。

说了半天,“光电效应”是什么?也是“浑身是宝皮可制革筋可入药味道鲜美肉可以吃”吗?说起来,话又长了。

还记得当年的波粒大战吗?

菲涅耳单枪挑落粒军大旗,波动理论一统光学河山。但是,江山并不稳固。菲涅耳的光波理论固然锐利无比,却依然是就光论光,就波论波,解决的是表层问题。

虽然如此,粒军也暂时无力抵抗,只能徘徊观望。

1873年,麦克斯韦的《电磁学通论》横空出世,把光学收归电磁学门下,麦爷宣布:光是电磁波的一种。

从此,波军阵营由麦爷坐镇,城堡是尊贵神圣、厚重坚实、庄严优雅的电磁论,那可是上帝的诗歌!

粒军的希望,随硝烟散尽。

然而,谁也没想到的是,赫兹在给电磁学大厦封顶加固时,顺手开了一扇窗,一缕微光射向粒军匍匐的角落。

还记得赫兹验证电磁波的那个实验吗?1887年,赫兹让振荡器发出电信号,然后,在共振器的两个小金属球之间,看见了电火花,这说明,共振器收到了振荡器发出的电磁波,才得以如此。

赫兹当时看得很痴迷,很仔细。所以,他不仅看见了微弱的电火花,还发现,微弱的电火花,居然有更微弱的亮度变化。

当紫外线照射那两个小金属球时,发生电火花会变得容易一点,而电火花也会变得更亮一点。

对这个“全新的,而且令人十分费解的现象”,赫兹记录了下来,却没来得及给出解释。但他写道:“也许正因为它不易解决,所以有望在它解决之时,其他一些新现象也得到了解释。”这话现在看来,也算是一语成谶了。

1899年,J.J.汤姆逊通过实验,证实那两个小金属球之间的光电流,与阴极射线一样,都是电子流。于是,人们慢慢意识到,这是由于光的照射,使金属内的电子逃逸的现象。也就是说,那些电子流,是光“打”出来的。

1902年,赫兹曾经的助手、德国物理学家勒纳德对这个现象进行了研究。勒纳德是个狭隘的种族主义者,希特勒的脑残粉,纳粹党徒,纳粹德国的疯狂拥趸,或许叫鹰犬也不为过,“勒纳德”这个译名还是相当科学的。他宣扬希特勒的理论,参与和领导了对爱因斯坦等犹太血统的科学家的攻击和迫害。二战后,美国考虑到他年事已高,免除了对他的去纳粹化措施。不过人品归人品,勒纳德的确是一个优秀的实验物理学家。好吧,我们回到实验。

勒纳德给这个现象起了个名:光电效应。

勒纳德的实验装置:一个真空玻璃管,里面有两个金属片,金属片上有导线,导线连接到玻璃管外的仪器上。

勒纳德发现,在真空里,光电效应也会发生。用紫外线照射其中一块金属片,就会有电流产生。他解释道,这是由于紫外光和电子的频率一致,发生共振,所以紫外光能够“触发”电子从金属表面逸出。

但时隔不久,“触发说”被勒纳德自己的实验否定。因为他不能解释接下来发现的两个诡异现象。

他把照射金属的光做了两个调整,想看看不同的光,“打”出的电子有何不同。

一是调整光的强度,也就是“亮度”。按照常理,光的强度增加了,也就是能量增加了,它打出的电子,能量也应该增加才对。可是,实验的结果刚好相反:电子增加的不是能量,而是数量!

那么,金属发射电子的能量归谁控制呢?答案很快就出来了。

二是调整光的频率,也就是“颜色”。按照常理,提高频率,就是振动得更频繁,应该打出更多数量的电子才对。可是,实验给出的结果又是刚好相反:电子增加的不是数量,而是能量!

勒纳德懵了。

各实验室的相关结果陆续发布,结果更加扑朔迷离:

首先,不是每种光都能打出电子,比方说,黄、红之类的低频光,一个电子也打不出来,无论它的强度有多大,电子也是一毛不拔。而紫外线这样的高频光,再微弱,也能打出电子来!典型的歧视啊歧视!

这就是说,想要在金属上打出电子,光的频率最低有个下限,也就是你至少要达到这个频率,才能打出电子来。嗯,原来,做人,没有下限,可以升官、发财、吃牢饭;做光,没有下限,就什么也得不到!

其次,不同的金属,要求的频率下限也不同。我们举几个例子。频率数字太长,所以这里用波长来表示,单位是“埃”,1埃是0.1纳米,一亿分之一厘米。只要记住“波长数值越大,频率越低”就成,光速÷波长=频率。不同金属要求的频率下限:

铯→6520 钠→5400 锌→3720 银→2600 铂→1960

再次,每一种频率的光,打出的电子能量有个上限。也就是说,不管你怎么照射金属,就算你照射一万年,只要频率不变,你所打出的每个电子,其能量也不会超过那个上限。

最后,光射到金属上,电子要么马上蹦出来,要么死也不出来,它绝不会等会儿再出来!

是不是很乱?我们来做个总结,也算是复习,顺便理清思路:

1.不同的金属付出电子,对光的频率下限要求不同。不同频率的光,打出的电子上限也不同。

2.电子能量大小,由光的频率说了算,频率越高,打出的电子能量越高。

3.电子数量多少,由光的强度说了算,强度越高,打出的电子数量越多。

4.光打出电子,是瞬间作用,没有积累过程。

好吧,条理是清晰了,逻辑也没问题,问题是规则太乱了!

所有物理学家都凌乱了。因为这个规则不仅违反了常理,不符合牛爷以来的物理认识,还严重违反了麦爷的电磁学规则!虽然《电磁学通论》只诞生了不到30年,但是,从那以后,所有与电磁相关的问题,都可以在那里找到答案,完美的麦克斯韦方程组,她不仅能解决、描述所有电磁学问题,还能做出准确的预言,以至于自负的玻尔兹曼一见到这套方程,立即被她的美妙所征服,引用歌德的话顶礼膜拜:“书此符号者,舍上帝其谁?!”

按照麦爷的理论,世界该有多美好啊:

电磁波的强度越大,其能量也越大,它所打出的电子能量也应该越大。

电磁波持续给电子输入能量,电子攒够一定能量后,就脱颖而出。那么,它不应该瞬时射出,也不应该千呼万唤不出来,更不应该以频率论英雄。

这既符合逻辑,又很讲道理,是吧?但是,实验给我们的答案完全相反。

咱俩都玩过水枪是吧?假如,咱俩组织一场比赛,大家用水枪去射乒乓球。现在,水枪加满足够的水,压力恒定,扳机就是开关,扣动扳机,水就被释放射出。比什么呢?看谁射飞的球更多、更快、更强。结果,我们发现:

你必须连续扣动扳机,达到一定频率后,比方说每秒扣动5次,才能射飞乒乓球。球速是1米/秒。

如果达不到每秒5次,即使是100个人每人手持双枪,都无法射飞一个乒乓球!

如果扣动扳机的频率高,达到10次/秒,球速就会随之提高,最快可以达到2米/秒。想让球速更快,必须提高扣动扳机的频率。

你提高扣动扳机的频率,只能提高球速,提不高球数;增加水枪的数量,只能提高球数,提不高球速。

不科学啊!虽然上帝跟我们开的玩笑已经够多的了,但是,还没有一个玩笑如此搞恶。

一个小小的光电效应,将物理从帝国美梦中唤醒。陶然其间的物理学家一觉醒来,发现那个富丽堂皇、舒适温暖的安乐窝已荣华不再,柱裂基倾,在宇宙蛮荒中风雨飘摇。普朗克黑体辐射公式,试图拨散紫外灾变带来的乌云,却搅来了量子迷雾。雾霾未消,那暗弱的电光,便裹挟着赫兹的谶言,化作雷霆万钧,撕裂了整个天空。

颤栗吧,人类!为自己的智慧哭吧,人类!

一双明亮的眼睛略带嘲讽地看着这一切,藏在浓密小胡子下的嘴角,透出一丝不易察觉的微笑。爱因斯坦注视着光电效应:就是你了!

小爱同志早就相信,世界是由物质微粒构成的。这些微粒,不管你叫它原子还是血滴子,都无所谓。关键在于,它们都是一粒一粒的,你是你,我是我,可以拥抱,但不连体——不是连续的。每个微粒都有自己的能量,这些能量的综合作用,表现在宏观事物上,就是我们日常所见的能量形态。

但是,一到了光这儿,情况就变了,好像所有现象都在证明光是波,或者说,波动说能解释所有光现象。到了麦克斯韦,波动说获得了神级后盾,阻断了所有挑战的念头。

小爱相信,从根本上讲,世界的规矩只有一个。我们眼里纷繁复杂的大千世界,只不过是同一规律所衍生的不同表象而已。

所以,光的特立独行,让特立独行的小爱不太舒服。他的目光,又一次落在粒子上。但是,牛爷领衔的粒军早已宣告败北。麦爷的强悍登基,又赐予凌厉的波军以广阔的天空,粒军雪上加霜、落井受石,已被逼到墓地,盖上了棺材板,就差钉几颗钉子、发几句讣告了。

光电现象挟裹的万钧雷霆,让经典物理大厦将倾。但在小爱看来,这是新世界的曙光。

小爱的目光扫过普朗克的黑体辐射无敌公式。

这个公式是Diy出来的。尽管事后,普朗克给它找了一个娘家,但爱因斯坦还是有点不太满意。因为,普朗克知道自己想要一个什么公式,从而做出了能得到这个公式的推导。这里,有深厚的物理功底为基础,有强悍的数学技巧为手段,更有敏锐的科学直觉为指引……好吧,我们不这么委婉,用大白话说:老普,你够牛,但还是有点打哪指哪的意思!

但是,普朗克给公式找娘家时,买一送一,搞出的一个“副产品”,小爱还是蛮喜欢的——“能量是一份一份传递的”。每一份是一个量子。这个靠谱!

尽管这个量子已经把普朗克吓得够呛,但小爱仍嫌不给力,你起步够炫,在下佩服啊佩服,但你落脚太近太谨慎,不够High。辜负了老衲期待的眼神。

为了让光这家伙合群,跟其他物质一起,共建和谐美好新生活,小爱决定,重打鼓、另开张,我再推导一遍!

他也搞出一个假想模型,但是,跟普朗克版的模型不一样:黑体空腔里充满了粒子,这些粒子包括气体和电子。构成黑体内壁的原子们,也含有电子。

咦?好像有点不对,这这这哪是什么假想模型,一个现实版的黑体不就是这样?!

是的,现实版的黑体模型就能用,干嘛要搞成别的样子?

好吧。现在现实版的黑体模型被加热了,充满了春的气息。于是空腔里的粒子们很兴奋,开始震荡。麦爷告诉我们,这些家伙一震荡,就放电磁波。当然,别处的电磁波送上门,它们也照收不误。这个过程像极了咱国过年走亲赠礼,折腾一段时间后,大家一吸一射两相悦,收支平衡。

注意,关键来了:

热力学第一定律说什么来着?能量是守恒的!

现在,黑体模型达到了热平衡状态,也就是处于“熵”最大的状态。

而空腔的体积,以及其中的能量、温度都是可知的。

条件这么好,数据这么充分,分析一下熵与黑体空腔体积的关系,就不难了吧?

于是,小爱从这个基础出发,开始了他的推导。然后,导出了光的量子。因为出发点不一样,所以,此量子已非彼量子。

还记得不?普朗克是假设振荡器发射和吸收能量必须一股一股地来,每一股能量称为“量子”。 也就是把吸收和发射的“过程”量子化了。

而小爱描述空腔里的粒子交换光,空腔里的熵与体积的关系,推导出来的结果是,它们所交换的光本身,其表现就是量子化的。小爱叫它“光量子”,后来改叫“光子”。他把光本身量子化了。

看出区别没?

普朗克:你必须一股一股地交换。就好比咱俩水枪大战,规则是:不许长射水流,必须勤扣扳机,一股一股喷射对方。

爱因斯坦:你交换的东西本身就是一股一股的。就好比咱俩改成塑弹枪大战(这个很危险万勿模仿)——不管你是点射还是连射,也不管你是堵枪还是躺枪,塑料弹本来就是一粒一粒的。你只能一粒粒发,一粒粒收。

既然有区别,小爱的公式也就和普朗克略有不同,但是,在“E=hv”上没得说,意义一样,都是“一份能量以hv为单位存在”。所以,小爱对普朗克的量子,是非常拥护的。

要知道,那时候,原子存不存在还是个谜,以玻尔兹曼为首的“拥原派”和以马赫为首的“倒原派”正斗得不可开交,你小爱却在这个节骨眼上,以粒子假设为基础,鼓捣出个“光量子”来,不是嫌热闹不够,就是嫌挨拍不够!

所以,得找个什么不好解释的东西,用光量子解释一下,或许就OK了。哈,光电效应,你简直就是为证明光量子而生的!

如果光是量子化的,光电效应立马就失去了全部的神秘感,它再也不是云雾中的蒙面少女,而是那位穿着“新装”在街上迈方步的皇帝。

光的频率越高,光量子的能量越大。一个光量子的能量,只能一次性地传给一个电子。于是:

如果单个光量子的能量不够,它就没法把电子打出来。这就是为什么低频光无法打出电子。

不同的金属付出电子,对光的频率下限要求不同,那是因为,它们对电子抓得有紧有松,抓得紧的,电子当然需要更大能量才能逃脱。

提高光的频率,就是增加了光量子的能量。电子获得更大能量,当然跑得更快,所以高频光打出的电子能量更大。

增加光的强度,就是增加了光量子的数量。数量更多的光量子,当然能打出更多的电子。

是不是很简单?所谓光电效应,其实就是粒子世界的“富豪相亲大会”。每一种金属,都是一个相亲会,入场资格的起点不同;电子就是拜金女,它的能量就是综合得分;光量子就是富豪,不论年龄体貌和物种,它的能量就是资产。

这是相当纯粹、相当公平的钱色交易。

首先,不同的相亲会(金属)档次不同。既然叫“富豪相亲会”,那么,不论什么档次,对富豪的资产都有个最低的要求。比方说,铯富豪相亲会,资产最低1亿才有相亲资格,银富豪相亲会,资产最低2亿才有相亲资格。你参加铯富豪相亲会,但是,你的资产只有9000万,没资格相亲,就算你找来100位资产9千万的人一起来,也没有相亲资格,一个美女也带不走,但是你能付起入场费,可以入场当苦逼观众,喷血围观、舞人浪、热场子(引起分子共振导致热效应)。这就是为什么再多的低频光也打不出电子。

第二,拜金女的相貌、三围、气质、文化、性格等都进行了准确的评分,明码标价,你想带走高分美女,必须拥有更高的资产才行。比方说,50分的,只配1亿资产以上的富豪;70分的,少于2亿资产休想带走;80分的,只跟4亿资产以上的富豪走。这就是高频光为什么能打出高能量的电子。反过来说,你如果只有2亿资产,那么,你最多只能带走70分的美女。这就是每种频率的光,打出的电子能量都有个上限的原因。

第三,这是相亲大会,不是菜市场买肉,所以,你有再多资产,也只能带走一位美女。你资产多,只能带走更高分的美女,而不能带走更多的美女。这就是为什么增加频率只能提高电子的能量,却无法增加数量。

第四,拜金女资源足够多,有多少美女被带走,关键要看来了多少具备资格的富豪。但是,根据第二条,来了再多富豪,如果都是不超过2亿资产的,也只能带走70分以下的那些美女,高于这个分数的,一个也带不走。你也不能哥俩好凑钱带走一个高分的,这些美女虽然拜金,但并不变态。这就是为什么增加光的强度,只能增加电子的数量,而不能提高能量。

是不是很美妙?爱因斯坦的公式更美妙,他只用几个简单的字符,就囊括了上面一大堆条条款款。

(1/2)mv^2=hv-p

END。

完了?

嗯,over了。

(1/2)mv^2,就是打出电子能量的上限,也就是大富豪你所能带出的美女的最高分值。

hv,大家都很熟,一个量子的能量。也就是你持有的总资产。

p,取得资格的资产底线。小爱鼓捣了一个“功函数”,用来计算不同金属所要求的频率下限。

让无数物理学家如坠云雾的光电效应,被这个简洁的公式一把扯去了底裤。诡异莫测的黑体辐射疑案,真相就此大白天下。

按理说,喜欢窥视大自然隐私的物理学家们,应该为之雀跃才对,然而,事情恰好相反,物理学家们对它唯恐避之不及!

因为,已经入殓的粒军,在公式里露出了诡异的微笑。这个公式太叛逆了,明白无误地剑指电磁学大厦的根基,直接挑战麦爷经典体系!即使这样,小爱还嫌不够直白,他在论文开头写道:“一个有重物体的能量不可能无限分割,而按照光的麦克斯韦理论,从一个点光源发射出来的光束的能量,则是在一个不断增大的体积中连续地分布的。”这是在说:麦爷让光与众不同,我很不爽。

小爱承认,“光的波动说是十分卓越的,别的理论似乎很难取而代之”。但是——小爱在“但是”后面,提出了一个比粒子更具颠覆性的看法:“不应当忘记,光学观测都同‘时间平均值’有关,而不是同‘瞬时值’有关。”

他的看法是:我们之所以认为光是波,那是因为,我们以前所观测的,都是光在一段时间内的平均状态,“波动”是平均结果。而观测光的瞬时情况,它应该是粒子态的。小爱还给这个不招人待见的看法起了个名:“一元二体认识”。这就是“光亦波亦粒”的源起。虽然它离“波粒二象性”还有一段距离,但在当时,这已经足够石破天惊的了。

叛逆得如此夸张决绝的,不是神人,就是神经病人。把光变回粒,就够所有人喝一壶的了。你还把它弄个雌雄同体,那就不止是调戏整个物理界了,简直就是在挑逗上帝!

因此,小爱同志的观点,得到当时物理学家的一致反对,就在情理之中了。

在反对者的人堆里,普朗克显得格外醒目。他最早看到小爱的论文,第一个站出来反对,他认为,小爱这是“在思辨中迷失了方向”。不要说接受小爱的“一元二体认识”,就算是自己鼓捣出来的量子,他还一个劲地加以条件限制,极力把它推进经典物理的地盘。到了1914年,他成功地把自己送回到经典物理的起点,远远地看着自己的量子越飞越高。公平地说,普朗克绝不是一个反对革命的人,最有力的证据是,他第一个接受了极具颠覆性的相对论——这个见识,可是超越了庞加莱和洛伦兹的。他之所以对量子拒之千里,对“一元二体”更是痛心疾首,是因为它们的颠覆性,已经超出了普朗克观念更新的承受极限。所以,虽然小爱的论文是普氏量子得到的第一个有力支持,但老普根本不领情,就算是在推荐小爱当普鲁士科学院院士时,他还站在为小爱开脱的角度指出:“小爱在现代物理所涉及的重要问题中,几乎都做出了‘令人瞩目的’贡献,当然,他也可能会出错,比方说光量子假说。但是,我们不能对他求全责备……”不过,反对归反对,普朗克有着博大的胸怀,作为一个真的学者,他敢于面对淋漓的公式,敢于在事实面前认栽。所以,他允许这篇离经叛道的论文发表面世。

醒目的反对者,当然远远不止普朗克,密立根就是其中另类的一个。

罗伯特·安德鲁·密立根((R.A.Millikan)),美国实验物理学家。他反对的方式是:实验。我们知道,科学不是耍嘴皮子,你哲思再无敌、辩才再出众,把对手批得再惨,人家只要符合观测,最后灰头土脸的也是你自己——除非没脸。没脸没皮的人会罔顾观测,沉浸在嘴皮子的快感中洋洋自得。所以,实验,虽然很笨拙,但这是最实在、最有力、最负责的反对手段。密立根用了10年时间,完成了一个大名鼎鼎的实验:“油滴实验”。他想通过精确的实验数据,证明爱因斯坦的错误。

然而,事情的发展却让他大跌眼镜。数据显示,小爱的公式好像是对的。

难道是,因为误差太大?那就提高实验精度!

精度提高了,可是得到的数据离公式预测更近了。

难道,我费了这么大劲,设计了这么巧妙的实验,只是为了证明我反对的东西是对的?!不,我要再提高实验精度,找出公式预言的偏差!

于是,精度不断提高。

可是,精度越高,实验结果与公式吻合得越好。苍天呐!

郁闷之下,密立根不得不喷血认栽:“爱因斯坦公式取得了明显的、完全的成功”,“结果完全出乎我的预料”。不过,公式代表的理论解释,打死他也不信:“但是这个公式背后的物理理论基础,却是相当不靠谱,我相信爱因斯坦本人也不会再坚持了。”不管密立根信还是不信,他的这个实验为他带来了1923年的诺贝尔物理学奖。

对小爱的光量子,物理学家们的反对,当然不是毫无道理的。相反,他们的反对,理由相当充分,理论基础相当雄厚。我们在波粒大战中,已经跟随波粒双方神一般的将领和统帅,充分体验了波动王国开疆扩土的雄浑背景,那一点一滴验证的翔实数据,一砖一石积累的雄厚基础,一步一个脚印走出的这条溜光大道,无不昭示着波动说取得最终胜利的必然性。麦爷电磁理论的建立,更是让人类对光的认识,提升到了从未有过的高度,本以为从此尘埃落定、宇宙澄清,谁知道,一个不修边幅的小小技术员,让波粒大战风云再起,搅得周天寒彻、一地鸡毛。

实际上,粒军的复活,早有萌动之象,只不过斯时,坐定江山、根基雄厚、威仪日盛的波军未以为意。而已。即使粒军幽灵驾着光电效应的超级战车重装归来,波军的城堡仍然巍峨地秀着壮丽的帝国Style。波动,就是这样自信。

你以为驯服了光电效应,光学王国就归你了?别忘了,你还得叫它“电磁波”!不服?不服就用你的宝贝粒儿解释解释这些:牛顿环、肥皂泡、冰洲石、双缝实验、塞曼效应……泊松亮斑?有种你就喊一嗓子:“麦爷的‘磁生电、电生磁’生出来的不是波,是粒!”记得喊完不要忘了躲砖头鸡蛋西红柿哦。还“一元二体认识”,切,你以为娘一点就雌雄通吃了?

总之,对于小爱的光量子,以及“一元二体”,全世界人民就是各种不信。

但是,小爱何许人也?他是天生的万人敌!他早就知道,自己光量子和“一元二体”,对经典物理来说,意味着什么;他也早就料到,物理界对这个理论,最可能的态度只有两个:围剿,或者放逐。绝不会收留,更不会拥戴。所以,他提出这个理论之后不久,在给朋友哈比希特的信中提到,自己搞出了一个“极具革命性”的理论。这个理论,不是指颠覆了物理三观(时间观、空间观、质能观)的相对论,而是光量子。可见,他十分清楚光量子这个小妖精将给旧世界带来怎样的冲击力。但他并不在乎别人怎么看——这个“别人”,包括他自己以外的所有人——他只管讲出自己的想法。1909年9月,小爱在德意志自然科学协会的一次会议上,告诉一大堆物理学精英,“物理学的新阶段,将给我们带来光的新理论,可以把它想象成‘光的波动说’和‘光的释放说’的某种融合。”不失时机地推销他的光量子和“光亦粒亦波”理论。

小爱不光善于“广告”,他更善于提高“疗效”。在大力弘扬量子说的同时,他不忘利用量子利剑解决物理谜题。固体比热问题,就是继光电效应之后的又一场漂亮仗。

什么是“比热”?说来话又长了。家里有老人的,可以回去问问。那是在18世纪,苏格兰有个物理学家兼化学家,叫做布莱克(J.Black)。他玩烧烤时发现,相同质量的不同物质,上升到相同温度,所需的热量不同,于是,提出了“比热容量”的概念。

所谓“比热”,就是“比热容量”的昵称,很简单的概念,但是定义念起来挺绕口:“单位质量的某种物质升高单位温度所需的热量。”说白了,就是1千克物质,升高1℃,需要多少焦耳热量。这个值,就是那个物质的比热。每种物质都有自己的比热。各种固体,当然也都有自己的“比热”了。

1819年,法国化学家杜隆(P.L.Dulong)和物理学家帕蒂(A.T.Petit)一起玩烧烤,给各种固体加热,测量和研究它们的比热关系。由于玩得兴致勃勃,津津有味,所以得到了大量的数据,在数据堆里,他俩发现一个规律:物质的原子量×比热,积是个常数!

这说明什么?说明所有简单物体的原子,都具有相同的比热!

这意味这什么?意味着只要你测出物质的比热,就知道了它的原子量!

我们知道,原子量很不好测,但是比热很好测哦亲。

虽然又是个经验定律。但这是个很好用的经验定律。那些痛恨测原子量的家伙用得很开心。1864年,化学家柯普(H.F.M.Kopp)把这个定律推广到化合物——不是幼稚园小班那样单纯的原子了,解释了分子的热现象。搞得大家都很Happy。

不过,用着用着,就不好用了。磨损了?不,条件变了。

比方说,铍、碳、硅、硼这几个较轻的家伙,原子热就比其他物质小一点点。

1872年,苏黎世联邦工业大学的韦伯(H.F.Weber)教授,对,就是那个韦伯,小爱的老师,小爱老爱旷他的课。韦伯教授一顿实验,发现,物质降温到一定程度,比热也会降低。现象,很简单,但是,规律,不太好找。这是怎么回事?韦伯老师顺便把这个问题带到课堂上。

讲这节课那天,小爱恰好没什么事干,于是没旷课。1906年,也就是他完成5篇震古烁今论文的第二年的某天,他恰好又没什么事干,于是想起这码事:固体比热。

小爱假设:固体中所有原子,都以单一频率v振动,每个原子有3个自由度,然后,求原子的平均能量。在公式里,他引进了我们熟悉的hv。量子在公式里笑得很灿烂。

小爱把韦伯的数据拿来,跟公式预言比对了一下,理论与实验差不多。于是推测:只要温度够低,所有固体的比热,将随温度的下降而显著下降。他同时声明,之所以在公式里搞“单一频率”,是为了简化,这样的话,在某些地方,就难免造成理论与实验有点出入。

爱因斯坦对固体比热的解释,虽然不比对光电效应的解释更有意义,但是,这个解释却为他拉来了一个同盟。

瓦尔特·赫尔曼·能斯特。1864年6月25日生于西普鲁士的布里森。德国卓越的物理学家、物理化学家和化学史家。热力学第三定律的提出者。等等。

【图7.4】能斯特

能斯特认为,当系统温度趋近于绝对零度时,熵的变化也就趋近于零了。简而言之,绝对零度不可达到。这是热力学第三定律的主要内容。

能斯特为了检验第三定律有多靠谱,开始了一个艰苦的工作:低温比热实验。

第三定律如此浅白,你我当不难看出,这实验自然是极难的。旁的不论,单是这液氢的温度,已是极难掌控了。-252.9℃的极寒,却是液氢的沸点。往日测得的低温比热,算来都是平均值。若细细论起,却是当不得真的。幸而能斯特带着徒儿,拼了三四年光景,革旧出新,精工善器,好歹算是得了善果。便是如此,那能斯特却也慎之又慎,把那呕心沥血得来的数据比了又比,理了又理,真真儿的没有再准的了。这不,1910年2月间,这才许那宝贝实验结果见了光。

说来也是奇了,能斯特拿了这数据,本是要验第三定律的,却不料,无心插柳柳成荫,这实验,成了双雕之箭,连带着把爱因斯坦的比热理论也验了。

论起来,这爱因斯坦和能斯特,也算有些缘分的。1910年间,能斯特的徒儿林德曼,闻知爱因斯坦的比热说,甚感于心有戚戚焉,仔细斟酌,竟越觉欢喜,便将爱氏学说引为己用,以物质的熔点温度、密度、分子量,来算原子的振动频率,拿来与实验结果一验,符合得竟是极好的!

那能斯特也是极妥当之人,见了这个结果,岂有不喜之理?便急急地去了苏黎世,与爱因斯坦纵论量子,却是未虚此行,获益匪浅。

能斯特用大白话说:“我相信,没有任何一个人,经过长期实践,获得了对理论的可靠验证后,当他再来解释这些结果时,会不被量子论的强大逻辑力量所折服,因为它一下子就澄清了所有基本问题。”

能斯特给量子的支持,当然不止是相信和拥护,还有发展。1911年,能斯特发现,温度接近绝对零度时,比热下降的速度,比小爱公式要求的慢点。于是,能斯特和林德曼完善了小爱的公式。这个瑕疵,正是小爱前面说的,为了简化,用“单一频率”所导致的。小爱表示这对师生的工作很给力。

量子抬头了。

实际上,能斯特不仅自己动手发展量子论,还捕捉时机,运筹帷幄,把量子推到物理最前沿,引起了全球物理界的关注。

话说1910年,春光正好,能斯特来到欧洲比较大的城市、比利时最大的城市布鲁塞尔,拜访他的合作伙伴哥德斯密特。歌德斯密特给能斯特介绍了一位朋友,工业化学家、社会改革家欧内斯特?索尔维 (Ernest Solvay)。

索尔维从小就梦想当科学家,在校学习的时候,就勇敢地把自己的宿舍改装成了实验室。21岁时,他听舅舅的话,进工厂工作。其实也不全是为了听舅舅的,因为做这份工作,他有机会玩自己最喜欢的游戏:化学实验。

实验真不白做,他研究出了生产纯碱的化学方法和工业流程。1861年取得相关专利。技术成熟后,索尔维建了个厂,1865年投产运营。索老板既懂技术,又懂经营,工厂发展势头强劲,财源广进。一不留神变成了老板的索尔维,从未忘记自己的梦想——当科学家。

行动力极强的索尔维不仅自己搞科研,还喜欢跟科学家交朋友,支持他们搞科研。

见到能斯特,索尔维聊起了自己的科学著作,《论万有引力和物质的基本原理》,他希望能够引起科学家们的兴趣,同时,他也表示,自己对相对论、量子论的异军突起很感兴趣。能斯特一听,心里合计:自己早就想找个机会,召集一些物理大牛,来探讨物质分子运动、量子论等问题。眼前的索老板既热爱科学,又不差钱,这不就是召开高水平国际科学会议的机会吗?于是他说出了这个打算。土豪我们做朋友吧!索尔维甚是欢喜。

在能斯特的大力张罗下,1911年10月,第一次索尔维会议胜利召开,地点就在布鲁塞尔。这个会议规格相当高,它邀请的都是当时最富盛名的物理学家。

庞加莱、洛伦兹、普朗克、爱因斯坦、卢瑟福等重量级的人物都积极支持。洛伦兹当选索尔维会议主席,他德高望重,学识渊博,口才讨喜,还会几门外语,深受拥戴。会议认真讨论了包括量子在内的既定议题。虽然没有直接解决量子困惑,但科学家们再也无法回避量子了,你信,或者不信,量子就在那里,它已经站在了科学的最前沿。

这次会议,虽然没有给量子论一个明确的结果,但冥冥之中,它对后来事件的影响,是深远的、巨大的。

这次会议的成功,让与会科学家和东道主都很欣慰。1912年5月1日,在洛伦兹的帮助下,索尔维创建了一个有效期为30年的基金会,名曰“国际物理学协会”。1913年春,索尔维又建立了“国际化学协会”。此外,索尔维还在比利时设立了“索尔维科学奖”。

我们的后文中,物理学的重大事件,将时不时地跟索尔维会议扯上关系。

小爱的朋友贝索在写给小爱的信中戏称,这是一场“巫师盛会”。巫师盛会祭起的量子魔咒,在会后仍然扰动着命运之线。会议配角不经意的生活轨迹,却导入了量子物理的神级人物。

虽然卢瑟福那时已经大名鼎鼎,虽然他的个人魅力十足,但在这次会议上,谁也没提到过他刚刚搞定的α粒子散射实验,以及带核原子模型。因为中心议题不是这个。所以卢瑟福只是个醒目的男N号。回到曼彻斯特大学后,他的同事,曼彻斯特大学的生理学教授洛伦?史密斯((L.Smith))向他介绍了一位年轻人:尼尔斯?玻尔。平易近人的卢瑟福与这位年轻人一见如故,发挥他的口才,实况转播了索尔维会议的各项议题,把个正在彷徨中的玻尔听得如醉如痴,带着对卢瑟福的无限景仰和对量子世界的无限神往,梦幻般地离开了曼彻斯特。他的生命轨迹在此划出一道优美有力的弧线,转向那片广阔而神秘的彼岸,然后,璀璨的光芒照亮了整个夜空。

为了保证议程顺利进行,大会配备了两名书记员,其中一个是身世显赫的莫里斯?徳布罗意(Maurice de Broglie)公爵。在这种国际物理大腕的会议上,书记员,无疑是配角中的配角,简称龙套。或者说,没有角色,只是场务。饶是如此,大会组委会还是看在他在X射线实验方面所做出的贡献上,才发出了这个邀请,公爵一看,可以聆听物理巨人们的讨论,机会难得,就立即答应了。重点是,莫里斯公爵有一个19岁的、正在彷徨的弟弟,路易?徳布罗意(Louis Victor de Broglie)。莫里斯把路易带到布鲁塞尔,每天散会后,莫里斯就把量子的故事讲给路易听。大会闭幕后,莫里斯把会议记录带回家,路易读后,扔掉了他选修的历史书,都换成了物理书。然后,他为量子论带来了第一缕阳光。

粒军幽灵凭借量子驯服的光电效应和低温比热两驾战车,乘着索尔维会议的东风,向波军皇城根发起了冲击。这对波军,虽说完全是个“意外突发事件”,但波动堡垒毕竟实力雄厚,牛顿环、肥皂泡、冰洲石、双缝实验、塞曼效应……乃至泊松亮斑,各个领地都是固若金汤,它们幻化着缤纷的色彩,宣示着对波动王国的无限忠诚。

波动王国的所有人都相信,只要略作修补,搞好统战工作,把光电效应和低温比热收归麾下,那是早晚的事。所以,相当一部分科学家决定固守皇城。

粒军的战车虽然既炫且猛,令波军忌惮不已,却也一时奈何不了波军。正待安营相持,却不料,波军城堡旁,斜刺里杀出一员大将,直奔粒军大营!

冯?劳厄(M.v.Laue),德国物理学家,曾任普朗克助手。劳厄是个有骨气、正直的学者,希特勒执政期间,他始终反对民族主义和法西斯主义,曾在精神上、道义上给予爱因斯坦以巨大支持。这次,他挥舞着通过晶体的X射线,隆重登场。

自1895年伦琴发现X射线以来,科学家们对X射线究竟是什么一直搞不清,有说是电磁波的——就像紫外线红外线那样,有说是微粒的——就像α射线β射线那样,各执一词,谁也拿不出证据来。后来,有人想利用光栅,让X射线发生衍射,来证明它是波,但由于X射线波长太短,以光栅这种人造工具的精细度,无力让它发生衍射,反而差点成了粒方的证据,所以只好作罢。

1912年,劳厄想到,让X射线通过晶体,兴许能发生衍射。我们在前面说过,所谓晶体,是“原子啊、分子啊呈平移周期性规律排列的固体”,也就是说,晶体是由原子、分子规则排列而成,那么它的这个“规则排列”,精细度就达到原子、分子级了,可能正好适合让短波长的X射线表演衍射。实验证明:劳厄说的对啊!

犀利的X射线遭遇细腻的晶体,顿时妖冶地衍射起来,尽展波氏柔情。从此,X射线也可以叫X光了。电磁波嘛。

粒军有点不淡定了:那么多失地还没收复,现在波方又多了支生力军——X射线。这个后起之秀,刚被伦琴挖出来,就举世瞩目,成了超级明星。

现在,这个明星为劳厄所用,成了波军的又一利器。麦爷电磁论的魅力果然是不同凡响!劳厄凭借晶体的X射线衍射,轻松斩获1914年的诺贝尔物理学奖。

波粒双方的战况又尴尬起来:被波军打入墓地的粒军原地满血复活,活蹦乱跳地来挑战。在光电效应主攻、低温比热的助攻下,波军堡垒震撼不已。但是,瘦死的骆驼比马大,何况波军不仅没瘦死,而且根基依然深厚,领地依然广阔。晶体X射线衍射的助阵,拓宽了波动的疆域,加固了波军的城防,增强了波动王国的信心。可是,波动王国眼睁睁看着纵横驰骋的光电效应、低温比热两驾无敌战车,束手无策。战车进攻的隆隆炮火,仍然震得波军堡垒蓬荜掉灰。

这个尴尬的场景,一直持续到10年后。大家都很疲惫。粒军将领刚刚写了一本书,《谈持久战》,准备用来鼓舞士气,还没来得及发帖呢,一个美国人半路杀出,改变了战局。

康普顿(Arthur Holly Compton),美国物理学家。他的兵器,也是X光。1922年,康普顿用石墨作介质,研究X光的散射现象。所谓散射,就是光射入某种介质,部分光线改变前进方向,四散乱射的现象。

康普顿发现,散射出来的波长,比入射波长要长,也就是说,频率降低了。频率降低意味着什么?意味它的能量降低了。

看着你无辜的眼神,我得提醒一下:这是一件大事。

有多大呢?比方说,老婆送了你一顶蓝帽子,你兴高采烈地戴着它去照镜子,却惊奇地发现,镜子里的你戴的是一顶绿帽子!你会不会怒发冲冠?

这时,镜子见多识广地劝你:“淡定,淡定,只不过是帽子上的光经过我折射,光波变长了而已,不要大惊小怪嘛!”

你一想,“大师兄说的对啊,蓝光波变长,的确是绿光波!可是,光只是经过你一下,你凭什么改变光的波长啊?!”

看着你抓狂的样子,康普顿知道,你已经和他一样,意识到事态的严重性了。

热力学第一定律告诉咱俩,能量,是守恒的,它不在这儿,就在那儿,绝不会凭空消失。

现在,散射光降低的那部分能量哪去了?

康普顿搬来经典电磁论,想借用麦爷的智慧,来侦破这起离奇的失踪案。但是,麦爷的电磁波理论,在这里居然完全失效了,波遇到物质里的粒子,即使变了方向,也没理由改波长啊!

情急之下,康普顿的目光

落在爱因斯坦的光量子身上。稍加思索,一切豁然开朗了!

假如光和电子、质子一样,都是颗粒,那就圆满了:作为颗粒,光量子就不仅有能量,还有动量(小爱1916年提出),它射入介质,遇到电子、质子之类的基本颗粒,碰撞后,改变了前进方向。这就发生了散射。碰撞时,一部分动量分给了它碰撞的粒子,于是能量减弱,表现为频率降低,波长增加。耶~!

根据这个假设,康普顿进行了数学分析,显示的结果惊人地符合光量子假设:散射的角度,决定了丢失的能量!

什么意思呢?见过打台球吧?用母球去撞目标球,撞得越“薄”,母球偏折角度越小,动量损失也越小;撞得越“厚”,母球偏折角度就越大,动量损失也越大。

光的散射角度越大,光的波长越大,也就是能量损失越大。这只能说明,光量子跟台球一样,是微粒。

康普顿还预言,伴随着X射线的散射,应该有电子被弹出。于是开始各种查找被散射光踢飞的电子,居然真给找着了!

所谓的光,就是光量子。是颗粒!

被散射的X光波长变长的现象,被叫做康普顿效应。

值得一提的是,这个名字,是中国科学家吴有训起的。吴有训于1922年初开始,在芝加哥大学跟随康普顿搞X射线散射实验。康普顿最初发表的论文,只涉及到石墨一种散射物质,大家认为证据不足。于是,康普顿指导吴有训做了7种物质的X光散射实验,取得了大量、翔实的数据。有力证明了康普顿效应。吴有训的工作,把康普顿效应理论推进了一步。前苏联学者为了体现吴有训做出的贡献,曾将这个效应改称为“康普顿-吴有训效应”,被吴有训拒绝了。康普顿曾说,吴有训是他一生最得意的学生。

在长达10年的波粒对峙中,双方阵营中还发生了无数插曲。接下来要说的事儿,无疑是这些插曲中比较高亢的一曲。

看着在麦爷城下张扬挑衅的无敌战车,无数牛人只恨不能一砖将其拍扁,令其永世不能得瑟。一位年轻人决定做这个终结者。

尼尔斯·玻尔。

在上部的中微子章节中,我们接触过这位神人。虽然只占短短的篇幅,但他却做了两件令人印象深刻的事:

向能量、动量、角动量守恒定律操刀;出手捍卫了击败自己的泡利。从这两件事中,我们不难看出,此人胆大包天,目无“定”律,同时勇于认错,敢于担当,非大智大勇不能为之。一看就不是凡品。

有人说,勇敢算什么?我也能什么都不在乎,我也想什么都推翻,我也不守规矩,还敢闯红灯呢,那我是不是也非凡品啊?

实践告诉我们:勇敢和鲁莽的区别在于,前者永远有与之配套的实力。

你有多大实力,才可以有多勇敢。

当然,二者相辅相成,缺少一颗勇敢的心,猫可能被耗子追得满屋躲。反过来,如果耗子真的以为可以干掉猫……

在玻尔的一生里,从来就没有什么权威,也没有什么金科玉律,他相信的,只有事实和自己的判断。当然,当事实与自己的判断发生冲突时,他会立即选择相信事实。

这不,爱因斯坦弄出个光量子。玻尔看着光量子荒谬欠扁的样子,打死也不肯相信,它会真的存在于世。

波粒对峙这10年,正是老爱各种理论被各种验证、名望各种飙升的10年。到1920年代,老爱已经名满天下,是当代活牛顿了,名望大跃进的势头却依然不减,再这样下去,就赶牛超麦,取代上帝了!

可玻尔管你是谁?!就是不信光是什么量子!能量有丢失,就一定是粒子互撞动能转换吗?我看不一定!

玻尔把X光能量失踪案、能量守恒定律、动量守恒定律摆在一起。

干嘛?他在权衡。

A.能量守恒、动量守恒成立,则光量子成立。

B.能量守恒、动量守恒不成立,则能量丢失案立即结案,光量子可以不成立。

A or B?

玻尔的答案是:B。

这个外表憨厚的家伙,向能量守恒、动量守恒两大定律举起了屠刀。

为了波动说的完美,也为了打掉光量子这个怪胎,玻尔不惜把经天纬地的两大定律拉下马,认为这对难兄难弟只是观测、统计的平均结果。

上帝惊得从床上跳了起来:住手!玻尔,就算是天神,也不能动我的卧室啊!你可以拆、可以建,但是不能强拆。大家讲道理嘛!

玻尔迎风挺剑:我的道理就是,只认事实,不认事主。

上帝抱着床单弱弱地道:Look,康普顿效应。并且,小康同志找到了被踢飞的电子。

一粒大汗从玻尔脑门滑落:对不起,上帝蜀黍,拆错了,你自己找村东李瓦匠补补吧。

之后不久,当发生了上部提到的β衰变能量失窃案时,玻尔又一次举起了屠刀,这次要砍的,是能量守恒、动量守恒、角动量守恒三大定律。前有所述,这里不再赘及。

实际上,要收拾守恒定律的,不止是玻尔。面对辐射现象不符合麦爷理论的困惑,爱因斯坦、薛定谔、索末菲、达尔文都曾对能量守恒产生过动摇,考虑过放弃能量守恒定律的“严格确定性”。爱因斯坦斟酌再三,发现还是坚持守恒定律比较好,于是孕育了光量子这个怪物。

话说康普顿效应被证实后,波军高贵的矜持与从容瞬间消失,厚重的城墙开始坍塌,阵脚大乱。麦爷的城堡真成了麦城?!

他们惊恐地发现,前来助阵的强悍援军X光,原来是前来潜伏的卧底!悲哀啊!朕拿你当左右手,你竟然跟朕玩无间!坑爹啊!

时光流转,造化弄人。当年波军大战粒军时,冰洲石、牛顿环临阵易帜的剧情,今天又激情上演。不同的是,双方对换了位置。

科学这码事,只认谁符合观测,它可不管谁的眼泪在飞。

波军搞不定光电效应、低温比热,而量子轻松优雅地驯服了它们。不过,不管怎么说,这只是粒方的间接证明。所以,面对这两驾战车,波方虽然无奈又无语,但牙打掉了好歹还可以往肚子里咽,勉强维持名义上的统治地位。

现在,康普顿效应对光量子作出了直接证明,波军再也没法装聋作哑了,只能硬着头皮面对。

符合观测,是科学理论的第一杀器。科学理论,无论是粗糙离谱,或是精妙有理,也无论是高深玄妙,或是平白质朴,这些,都是浮云。只要是在科学的战场上,无论何时何地进行PK,符合观测的,永远秒杀不符合观测的。

如今,康普顿效应确定了光的粒子性,让我们几乎已经看见了光量子,这件事,成为20世纪物理学的转折点。那么,波军是不是就可以立即缴械了?

不!

粒军虽然从兵临城下发展到破门逼宫,但决胜并不容易。且不论麦爷的根基尚深,他美妙的理论仍在不断做出准确的预言,只说波军的王牌,便已是粒军无法撼动的——托马斯·杨的双缝干涉实验。粒军无法征服这奇异美丽的干涉条纹!而波军可以。凡是干涉、衍射这些任波军自由驰骋的领地,粒军皆举步维艰。

波搞得定的,粒搞不定;粒搞得定的,波搞不定。是不是有一股熟悉的气息扑面而来?

咳咳。要不,凯撒的归凯撒,上帝的归上帝?

不行。大家都知道,这只是托辞。因为后来上帝还是收了凯撒。

那么,现在的问题是,谁是上帝?

这次波粒大战,双方已经不是当年开战初期的阿Q和小D了,他们是武装到牙齿的正规军,这边有牛顿,那边有麦克斯韦。都知道牛爷惹不得,你以为麦爷就惹得么?

普朗克:惹还是不惹?

小爱说:让我来惹。

于是事情闹大了。

让小爱始料未及的是,曾经不惜抛弃守恒定律、拼死维护麦爷的玻尔,自从接受了量子后,和一群年轻人把事情闹得更大,让普朗克退避三舍,让小爱悲欣交集,让世人目瞪口呆。

【原子迷图】

哥本哈根,丹麦王国的首都。1885年10月7日,尼尔斯?亨利克?大卫?玻尔降生于此。28年后,玻尔原子模型和小美人鱼雕像的落成,令这座历史名城的文化气息更加浓郁。

尼尔斯有一个幸福得像花一样的家庭。他有个大他两岁姐姐詹妮,还有个小他18个月的弟弟哈罗德(Harald Bohr)。仨孩子在又有钱、又有文化的环境中茁壮成长。他们的爷爷、老爸都是教授,老爸克里斯蒂安?玻尔(Christian Bohr)更是哥本哈根大学生物学方面的权威,曾获过诺奖提名。尼尔斯的整个童年,就在他出生的这座豪宅里度过。这是他的银行家姥爷的宅邸。

一座有理想、有文化、环境优雅、主人好客的豪宅,自然是文化名流的好去处。在一个作家、艺术家、科学家络绎不绝的环境里,想不沾上点文化气息都难。何况,克里斯蒂安?玻尔教子有方,允许小哥俩旁听这些学者神侃。

小哥俩幼小纯洁的心灵,怎么经受得住科学文化的洗礼,以及各种思想的撞击?他俩迅速中招,整个人生都染上了科学文化的魔力。老玻尔成功了,两个小玻尔后来分别成了物理学、数学领域的国际名人,一个去了数学江湖的圣殿哥廷根,一个亲手缔造了名震物理江湖的哥本哈根学派。

两兄弟自小就十分要好,终生保持着知己+兄弟的情义。早期,哈罗德表现更出色,他才思敏捷,机智幽默。

哥俩始终保持者高度的幽默感,但尼尔斯开玩笑显然不是哈罗德的对手。一次,哈罗德提出与尼尔斯玩开玩笑游戏,哈罗德开始不久,尼尔斯就告饶了。哈罗德哪肯罢休,他正告尼尔斯:“现在到你了。”尼尔斯搜肠刮肚,最后徒劳地用尽量邪恶的口气说:“你衣服上粘了个小斑点!”搞得哈罗德汗滴禾下土。

哥俩还喜欢踢足球。哈罗德天赋过人,作为中卫,他参加的丹麦国家队获得了1908年奥运会的足球亚军。这事儿要是在中国队发生一次,估计连替补队员都要塑金身,球场的保洁阿姨都得上《感动中国》。而尼尔斯只能当上AB队的替补守门员。哈罗德这样夸他哥哥:“尼尔斯相当不错了,但他起步太慢。”

不过尼尔斯自有尼尔斯的长处。他的同学隆德曾写信告诉朋友,尼尔斯?玻尔是他认识的一位“真正的天才。”

尼尔斯很小时,就显露出理解事物基本关系的能力。一次,老玻尔带着3岁的小尼尔斯溜达到一颗树旁,向小尼尔斯介绍树的优美生长规律:树干分出枝桠、枝桠分出树枝、树枝又长出树叶……小尼尔斯答道:“当然。要不是这样,就一树无成了!”

尼尔斯做事特别耐心、细心。他木工、金工都不错,对机械兴趣也不小。他家自行车链轮出了毛病,尼尔斯在成人的反对下,坚持拆了它,一顿神分析,又组装起来,居然没毛病了!动手能力相当强(据说打架时也是)。当时在旁围观的一个7岁小邻居后来回忆,尼尔斯给了所有围观者一个这样的感觉:自行车的康复,是大家集体智慧的结晶。我们以后会知道,这种品质,对于哥本哈根学派的崛起,是有多重要。

尼尔斯是个好学生,成绩始终不错。除了丹麦语作文。他不能理解,好好的一篇作文,为啥非要前有引言、后有结语,这事儿太折磨人了。所以,他在一篇讨论金属的论文最后写道:至于结论,我想说的是铀。

知道自己作文很烂,做事又极其认真,是一件很辛苦的事。尼尔斯写东西总是改了又改,给弟弟写信也是。不过一旦改到自己认为可以了,他就轻易不愿再改。

作文烂得触目惊心,但物理和数学却相当出色。学生时代,他就能指出,教科书中有些东西不对。一个同学担心道:“要是考试时,出的题正好是那些不正确的,该咋办?”尼尔斯的回答很拉风:“当然要告诉他们,真正的物理是怎么回事!”

1907年,22岁的尼尔斯在一篇文章里,讨论了水的表面张力。这篇文章获得了丹麦皇家科学院的金质奖章。1885年,老玻尔也获得过皇家科学院的奖章,不过那是银质的。所以,这成了老玻尔的骄傲:“我是银质的,尼尔斯那块,可是金质的!”

当然,哈罗德也不甘示弱,他23岁就通过了论文答辩,先于哥哥尼尔斯取得博士学位。

1911年5月,也就是哈罗德取得数学博士学位的第二年,尼尔斯一身白色礼服,开始对他的博士论文《金属电子理论的研究》进行答辩。根据当时报纸的一篇报道,这场答辩会吸引了很多人,3号小礼堂被挤得满满的,连室外走廊都站满了人。但是,大家很失望,因为答辩会的主角显然是被抢镜了。教授们分别点评了他的论文,大部分是在表扬。一个半小时后,尼尔斯还没来得及答辩,答辩就结束了。26岁的尼尔斯?玻尔博士轻松离场。这位丹麦金童创造了答辩时间最短的记录。

一个有远大理想的丹麦人,通常会去德国深造。玻尔家当然不例外。所以,老玻尔去了莱比锡,数学家哈罗德当然去哥廷根。他们回头张望,却见玻尔去了英国——他选择了剑桥。作为一个天才物理学家,玻尔的选择再正常不过了,开尔文、卡文迪许、卢瑟福都出自剑桥,如果你眼高,嫌他们分量不够,那么,麦克斯韦、牛顿够震古烁今的了吧?物理以外的达尔文、培根、罗素……这个名单列出来,那就是连发的晴空霹雳,个个响亮得震耳欲聋。剑桥,世界顶尖大学的地位,那是靠实力捍卫的。

尼尔斯?玻尔的目标很明确:伟大导师J.J.汤姆逊爵士。

终于有了对话的机会。

汤姆逊稀发游离,胡须随和,教授范十足。他面前站着青春激射的玻尔。

玻尔手里拿着两样东西:自己的博士论文;汤老师的书。

这场交谈,对双方都是个考验。玻尔的母语都没太学好,现在,他不得不用学得更烂的英语。言者和听者都很不容易。看得出来,汤老师相当热情。因为他们谈了很长时间。

交谈中,玻尔打开汤老师的书,指着其中一个公式,说:“这是错误的。”汤老师表示听懂了。这大概是玻尔当时说得最流利的一句英语了。

然后,玻尔把自己翻译成英文的博士论文呈给汤老师。汤老师很客气地收下了。书桌上的文件堆积如山。玻尔的论文,被汤老师放在山尖上。

这场亲切友好的会晤后,玻尔高高兴兴回去等消息。

然而,玻尔每天等来的都是同一个消息:没有消息。

时间一天一天过去了,玻尔的心也越来越焦躁了。因为,汤姆逊那边依旧杳无音讯,那篇论文、以及那场交谈,就像从来没存在过一样。这种冷寂,和那场会晤的热忱,使玻尔领略了冰火两重天的境界。如果早知道,汤老师忽视学生论文的名声,和他在物理上的名声一样响亮,玻尔就不会如此抑郁了。

既然等不来汤老师的消息,那就出去散散心吧。玻尔想,老爹原来有个学生,叫洛伦?史密斯,现在是曼彻斯特大学的生理学教授,关系不错,去看看他吧。

于是,就发生了前面提到的那场著名的邂逅。玻尔遭遇卢瑟福,恰似麦克斯韦遭遇法拉第。卢瑟福无与伦比的个人魅力,以及“巫师盛会”激荡的量子风云,都令玻尔痴迷不已。

回到剑桥。玻尔的汤老师,是冷的。玻尔的论文,是冷的。玻尔的心,也是冷的。丹麦金童迎来了人生的冰川时代。

转眼间,到了12月初。百无聊赖的玻尔参加了卡文迪许研究生年度夜宴。一个熟悉的身影,像一阵春风,唤醒了玻尔冰封的希望。

卢瑟福。他到哪儿都是焦点,除了索尔维会议。玻尔的心就像铁钉遇见磁石,立即被吸引了过去。

卢瑟福走后,当月,玻尔就跟到曼彻斯特,找卢瑟福探讨这件事:不好做你的师弟,就做你的徒弟吧。会谈很顺利。缘分呐!

征得汤老师同意,1912年3月,玻尔在新学期结束时,离开了他寄以厚望的剑桥,投入曼彻斯特大学卢瑟福门下。

卢瑟福本来不太看好理论物理学家,他认为,理论物理学家们都在玩符号游戏,实验物理学家才拿得出来“大自然真正过硬的事实”。他甚至在一个讲座上说:“理论物理学家们都把尾巴翘上了天,现在是时候轮到我们实验物理学家把它们拽下来了!”但卢老师对玻尔却情有独钟。谈到理由,他振振有词:“玻尔不同,他是个足球运动员!”哈!你觉得有关系吗?反正喜欢就是了。

卢瑟福无所不聊。他的同事、化学家、后来的以色列开国总统魏茨曼这样描述卢瑟福:“阳光之下的所有话题,他张口就聊,海阔天空,并且常常是在对那事一无所知的情况下。”他不仅自己侃,还善于倾听任何人的看法,无论这个人资历多浅,看法有多幼稚,他都毫不在乎。于是,在他周围,大家有一说一,思想和嘴皮子一样活跃。但是,卢瑟福鄙视吹牛。所以,大家尽情海侃,但绝不胡吹。这种开放、轻松得在传统观念看来有点不太着调的氛围,加上卢瑟福的个人魅力、实力和眼力,形成了独特的卢瑟福文化。这,应该就是孕育诺贝尔奖的神奇土壤了。

卢瑟福的眼光,那真不是盖的。既不善说,又不善写的玻尔,连伟大导师汤姆逊都看走了眼,卢瑟福却相当看好。而玻尔,也用自己的超强实力和独特魅力,在卢老师的巨牛桃李榜上,镶嵌了最璀璨夺目的一朵。

玻尔的魅力,不在花言巧语上,而在实力和人格上。很快,他就和师兄弟们打成一片。赫维西,匈牙利人,英语也不怎么样,可以想象,他与玻尔聊天,是一种什么景象。就是这俩语言交流都费劲的家伙,却毫不费劲地结成了终生挚友。神奇吧?

神奇的事还在后面。

玻尔到曼彻斯特,本来是打算研究放射性问题的。但是,在和赫维西喝茶闲聊中,他迷上了原子。

赫维西告诉玻尔,就在这两三年,人们发现了越来越多的放射性元素,多到元素周期表房源紧张,不堪重负,怎么调控也不够住。幸好索迪想出了合租的办法,把那些原子重量不同,而化学性质完全相同的元素叫做同位素,同位素住同一个房间……

看不见、摸不着的原子世界,勾起了玻尔强烈的好奇心。

虽然原子的大名已经流传了几千年,但是,原子的研究刚刚起步,汤姆逊打开了大门,卢瑟福一脚迈了进去,下一步怎么走?没人知道,于是上帝让玻尔降临。

随着对原子研究现状的了解,玻尔发现,有太多的问题需要解决。比方说,门捷列夫给元素们盖的公寓,虽然把一盘散沙的流浪汉变成了有组织的团队,但是,公寓入住规则浮于表面化,导致一些根本性的问题模糊不清。

玻尔分析:门捷列夫按照原子量,给元素排队、分房,从大局上来看,还是相当和谐的。但是,涉及到某些细节问题,就有闹别扭的了。比方说,同位素的原子量不一样,化学性质却毫无分别,必须住同一间房。这就让“按原子量排队”的政策执行起来有点尴尬了。

这个现象说明,元素的化学性质,跟原子量有很大关系,但不是本质的、决定性的关系,它只是有很强相关性的表面关系。这就好比,单位有个年轻人甲,提拔得比坐火箭还快,经过观测,你发现,甲提得快,是因为单位一把手特别看好他。你的观测没错,但是,“一把手看好甲”这个观测结果,只是跟“提拔甲”这件事儿十分有关系的表面现象。你知道一把手为何如此看好甲吗?因为一把手的某位领导,是甲之爹,而这个爹,可以决定一把手的前途。这才是本质关系。你知道了“提得快”、“看好甲”背后的这个本质,才能更好地解释和预测相关的一切现象,比方说,比甲优秀但毫无背景的乙,为何就很难得到提拔;甲之爹只要还在位,甲就还会得到提拔,无论你单位一把手是谁。

玻尔现在要干一件大事:找到“原子量VS化学性质”关系背后的本质,制定更好的元素公寓分配政策,建设有公信、没特色、放诸四海而皆准的普适公寓——元素周期表2.0。

那么,该从哪儿下手呢?当然是从原子本身入手!

看不见、摸不着的原子是啥摸样呢?综合评判,还是卢老师设计的“行星系统”原子模型最靠谱。因为,它是根据大量的、确凿的实验数据,精确计算后,推导出来的。

核外绕来绕去的电子,是带负电荷的。所以,原子核就一定是带正电荷的。因为,整个原子呈中性嘛。

根据这个推论,玻尔给咱俩出了一道题:

一个电中性的原子,如果拥有1个电子,那么,它的核,该带几个正电荷呢?

1个。恭喜你答对了!

这道题可以引申为:

一个电中性的原子,如果拥有N个电子,那么,它的核,该带几个正电荷呢?

答案是N个。恭喜你抢答正确!

这就是说,一个貌端体健的正常原子,拥有多少个电子,要看原子核带多少正电荷。

我们知道,氢原子核,是最小的原子核,它只带1个正电荷,也就只带1个电子;那么,氦原子核,就是两个正电荷,带两个电子……

看见没?电荷数、电子数,会随着原子量的增加而增加。但是,它们却没有严格的正比关系(我们后来才知道,这是因为,原子核里的中子数量,只影响原子量,却不影响电荷量)。

据此,我们完全有理由这样推断:

原来我们以为,决定化学性质的,是原子量。之所以有这个认识,那是因为,原子量的增减,有时会直接影响电荷的增减。

综上,玻尔认为:我们完全可以推测,是原子的电荷数,也就是电子数,决定了原子的化学性质。

这样一来,就很好地解释了:为啥同位素的原子量不同,但是化学性质却完全相同。因为它们的电荷量相同!

天才啊!

不同的物质,有着不同的化学性质。这个,从我们刚刚成为人类时起,便体会日深。

后来,为了更好地体会神秘的化学性质,我们有了化学家,他们苦苦探索、勤奋归纳,发现了浩如烟海的化合物质,总结了纷繁复杂的化学特性……终于,在门捷列夫手中,这些东西的脉络,开始变得清晰起来。

但是,物质的化学性质,是谁说了算?对这个问题,化学家们始终是雾里看花。原子量决定化学性质的假设,被丰富多彩、无处不在的同位素击得粉碎。我们可以通过物理性质——比方说重量,来区分同位素,但永远也无法用化学性质来区分之。

化学家们搞不清楚,这到底是为什么,很尴尬。以至于卢瑟福的原子模型出来后,大家都不是很在意。搞得卢瑟福也很尴尬。

而新手玻尔,在和他的哥们儿、化学家赫维西的闲聊中,顺便迈进原子研究的门槛,看了卢瑟福模型一眼,就以独特的视角,窥见了那个困惑无数化学家的、决定物质化学性质的秘密。这种能力的取得,除了勤奋以外,难道没有更重要的东西吗?

按照玻尔的这个新观点,赫维西明白了,自己为啥怎么也分不清铅和镭-D,因为它俩的原子核所带的电荷——“核电荷”都是82,电子数当然也都是82,因此,它俩的化学性质,那是一样一样一样的啊!我们就只能通过物理手段区分之,用核质量:铅是207,镭-D是210。如今,只从核电荷数、或者电子数就看得出,它俩是同位素,所以,镭-D终于找到了血亲,改名叫铅210。

根据这个理论,玻尔判断,所谓的放射性,其实就是一种核现象——原子核变化所产生的现象。元素在发生α、β、γ辐射时,就是它的原子核发生了变化,原子核一变,这个元素也就迷失了原来的自己,变成另一种元素了。原子核的变化,经常会改变核电荷数,也就是改变了它的化学性质。这就是神奇的嬗变的秘密!

这真是一个美妙的发现!玻尔兴冲冲地讲给卢瑟福听,但这次,卢瑟福的表现却保守起来,他认为玻尔的想法不错,但是证据不足,还提醒玻尔要谨慎,“防止过度推测”。可怜的玻尔试了五次,也没改变卢瑟福的想法。于是,这个发现就这样放下了。

可是,有两个人从两个侧面,证明了玻尔的想法。

先是前面提到的,索迪定义了同位素,解决了元素的住宿问题,并发现了元素蜕变“位移规则”。

不久,1911年7月,一位荷兰律师布洛克看到卢瑟福原子模型,突然想到,元素在周期表里应该住哪个房间,不是原子重量说了算,应该是原子序数说了算。他的这个结论还是不错的。不过,依据却不怎么样,那是一些没有什么根据、浮于表面的假设,比如:一个元素的核电荷,是它的原子重量的一半。等等。卢瑟福看了布律师的文章,很生气:这纯属猜测嘛!既没有实验依据,也没有理论依据。

到了1913年底,布洛克看到了盖革和马斯登关于α粒子散射方面的数据分析,意识到“核电荷=1/2原子重量”的假设是错的。不过,索迪却从“元素的位置由原子序数说了算”受到启发:原子序数=核电荷数!这不就是说,元素的位置,由核电荷数说了算吗?多美妙啊!

卢瑟福这次支持了这个提法,还写信表示称赞。他似乎忘了,玻尔曾经5次试图告诉他:元素的化学性质,是由元素的核电荷数、电子数说了算!

有了这个理论,元素排队分房的规矩,就一下子变得简单明了、易于操作了。就是按照核电荷数,或者电子数排队。这就相当于,原来分宿舍,是按体重。这个规矩,也能大致把男女分开,但总有一些女的因为过重,被分到男宿舍,或者有男的过轻,被分到女宿舍。现在,重新定了规矩,直接按照性别分宿舍。这两种分法,单看最终的结果,虽然不会相差太多,但是,二者却有着质的区别。

由于卢瑟福的保守,在“电子数决定化学性质”理论的优先权上,玻尔吃了亏。但是,如果只在化学性质这棵树上吊死,那就没有玻尔了。在玻尔眼里,还有大片的森林。比方说,别人的研究成果。

对别人的研究成果,通常有两种态度,一是学而习之,为我所用;一是剽而窃之,为我所用。比方说那些混待遇的无耻之徒。

玻尔当然不走寻常路,他属于第三种:从别人的研究中,敏锐地发现错误,然后对这个错误进行穷究,找出正确的路,得到正确的成果。

玻尔这次注意到的,当然是眼前人的研究:卢瑟福、达尔文。

前面说过,卢瑟福用精心采集来的实验数据,计算、推导出了“行星系统”原子模型,但是,对于电子是如何做到绕来绕去、坚持不坠的问题,却采取了鸵鸟政策,避而不谈。

而玻尔的同事,卢瑟福手下的工作人员达尔文(我们大家都很熟的那个达尔文,是他爷爷),专门研究了电子的问题。他关心的是,在α粒子散射实验里,α粒子穿越金箔,即使没被散射的那一部分,也会丢掉一部分能量,这些能量哪儿去了?达尔文的答案是,α粒子玩穿越时,跟电子撞上了。

这就涉及到一个严重的问题:α粒子是在哪儿撞上电子的?换句话说,在原子里,电子的位置在哪儿?它们是怎么排布的?随便占位?按大小个儿排队?花钱请老师排座?总得有个规矩吧。

达尔文搞不清楚,只能根据α粒子总是撞上电子这个现象,猜测道:电子在原子的整个体积中都可以存在,或者,它只均匀分布在原子的表面。根据这两个猜测,α粒子撞电子的数据,就应该跟原子的半径息息相关了。达尔文自己算了下,发现不对。但又想不出是哪不对。

玻尔一眼就看出来了,达尔文只顾考虑电子的位置,却忘了电子和原子核属于同一个系统,它们互相作用,共同组成了完整的原子。那么,电子的位置,必然是要受制于原子核的。

所以,搞清楚电子的位置,实际上就是要搞清楚原子的结构。

对,这就是我的下一项工作。玻尔对自己说。

然后,他又对卢瑟福这样说。

卢瑟福听了,虎躯一震,这又是一件大事儿!这次,他同意了玻尔的想法,还鼓励他好好干,允许他不去实验室,专攻原子结构。

玻尔自己很心急,因为除了原子,他心里还装着另一件事:玛格丽特?诺兰德(Margrethe N rlund)。他的爱。

他们相识已经10余年了,她是哈罗德的同学的妹妹。那时,他只有16岁,而她,不到16岁……多么美好!

更美好的是,玛格丽特优雅端庄,品质高尚,知识面广,忠贞贤良,是玻尔太太的上佳人选!从他们婚后50多年的生活来看,玻尔这小子算是捡到宝了。当然,玛格丽特也是。

我们都知道,玻尔写东西特费劲,写论文更费劲,手里的笔总是跟不上思路。并且那一手玻氏书法,比文章还烂,写出来鬼都不认识。天晓得他上学时的一路考试是怎么过来的。他的博士论文,也是由他口授,母亲执笔。父亲对此很无语。

说起玻尔的书法,那绝对是个神迹。一次,玻尔在黑板上随手甩出一根后现代抽象派的曲线,据他自己介绍,这是一个单词。讲了一会儿,他需要写另一个单词,无论是词意,还是字形,跟前一个单词都毫无瓜葛。我们伟大的玻尔审视了一下那道上帝般的曲线,抬手加了个点,因为这个单词里有i。点毕说,OK。围观群众拜倒。玻尔写任何单词,只需调整这个点即可。后来,这家伙有了助手,就常把手稿甩给助手抄写,虽然助手认命,甘愿接受上帝借玻氏书法来惩罚自己,但是,这个技术难度太高,总是完成不好,于是,玻尔干脆手稿也不写了,一律改口授。助手顿感阳光灿烂起来。虽然玻尔的口齿也不是那么清晰。据说,海森堡来到哥本哈根之后,一手本来还过得去的字,生生被玻尔传染,满纸废铁丝,一把辛酸泪!

玻尔觉得,在思考的同时,还要写东西,那就是一种折磨。但是,他在形成某种想法的时候,需要把思维过程说出来。于是在涉及科学问题时,玻尔特能聊。薛定谔同志体会最深,他第一次见玻尔,就被玻尔直接用话聊撂倒。不仅需要聊,而且聊的时候,最好在运动中,比方说散步、围着桌子转圈什么的。于是,在他思考时,就需要一位听说读写能力比较强的助手,随时记下他说的话。你懂的,玻尔作文很烂,需要反复修改。于是,助手深受锤炼。但是,助手毕竟只是助手,怎么可能随时随地在身边呢?

自从有了玛格丽特,玻尔不仅有了妻子,有了朝夕相伴的朋友,还有了贴身助手。写作的问题迎刃而解。这样说有点不厚道,玻尔娶玛格丽特,当然是因为爱她,而不是为了找个贴身秘书。但是,事实上,玛格丽特很称职地担任了这个角色,五十多年如一日。贤内助啊贤内助!当然,这都是后话。

现在,我们的玻尔还没结婚,他需要把原子结构的问题梳理一下,然后去迎娶心爱的玛格丽特。

玻尔已经预感到,自己即将揭示出来的这个家伙,个头不小,但他绝没料到,这家伙不仅庞大到超出了所有人的想象,而且,还是个不可思议的怪物!

玻尔来不及完成论文了。他匆匆离开曼彻斯特,回到丹麦。1912年8月1日,在妙曼小城斯劳厄尔瑟的市政厅,警察局长主持了玻尔和玛格丽特的婚礼。婚礼没在教堂举行的原因是,玻尔在婚前几个月已退出了教会。退会理由:“我无法理解,这些怎么能哄得了我……它对我毫无意义”。

婚前没写成论文,只好在蜜月写。又要旅行,又要拜访朋友,又要蜜月,又要写论文,你知道,这日日夜夜的,够小两口忙乎的。

不过,有了玛格丽特,论文写起来顺畅多了。一篇关于“带电粒子穿越物质时速度减小”的理论论文诞生了。

曼彻斯特。卢瑟福对玛格丽特相当满意,就像眼前这篇字迹娟秀的甜蜜论文。他答应玻尔,进行相关的实验验证后,就为这篇论文写上寄语,投给《哲学杂志》。这篇文章在1913年如约发表。论文交给卢瑟福后,玻尔就携妻回到丹麦,接受了罗瑞安斯塔特技术学院的邀请,当了一名助教。

后来,这篇文章被科学史学家称为“卢瑟福备忘录”。当然,也有人叫它“曼彻斯特备忘录”。

玻尔分析了卢瑟福的原子模型:电子们不可能围着原子核形成一个环,因为电子都带负电,互相排斥;电子不可能固定不动,因为它hold不住;牛爷和麦爷一致认为,电子不可能绕核公转,因为它会失掉动量而坠毁。但是,很显然,电子们都好好的,并没有坠毁。

为什么?

不是电子错了,就是牛爷和麦爷错了。

玻尔,你倒底要闹哪样?牛爷和麦爷都错了,还有物理吗?

有的。玻尔的目光落在他曾经拼命想摧毁,现在不得不接受的量子身上。不过现在,他需要足够的勇气。

还是让电子绕核公转吧。先假装它公转时不耗散能量。

怎么才能让它既公转,又不耗散能量呢?这就像要求人既要干活,又不吃饭一样难。

先解决稳定的问题。

电子绕核公转,轨道可以有无数个,在原子核周围任意划个圈,都可以是电子的轨道。经典物理学对轨道的要求很宽松。

但是,如果这样,电子必然会连续释放辐射,于是必然坠毁。为了让电子情绪稳定,玻尔认为,必须把电子限制在指定的轨道上!

换句话说,轨道必须是量子化的,电子不能连续地盘旋着坠入原子核,它只能存在于几条指定的轨道上,在这几条轨道上,电子处于“稳定态”,它不辐射能量。

为什么呢?

因为它处于特殊轨道啊。

为什么它处于特殊轨道?

因为它不能辐射能量啊。

……

好吧你赢了。我撞墙去。

玻尔在回答时,脑后大汗不断。他知道这个循环论证很赖皮。凭什么啊?他自问道。滴汗丝毫没有缓解压力,必须找到一个站得住脚的解释!

玻尔又请了几个月假,带着玛格丽特,躲进远离尘嚣的乡村,寻寻觅觅,冷冷清清,恩恩爱爱绵绵。乍有还无时候,最难将息。三条两道轨迹,怎敌他、电子坠急?圣诞也,正揪心,却见旧相识:尼克尔森。

玻尔在剑桥见过此人。此刻,这位旧相识的文章吸引了玻尔。

尼克尔森也在建立原子模型。他假设:所有元素都是由四种“基本原子”组合而成。每个基本原子,都有个原子核,绕转着若干电子,形成一个环……它们各种组合,就成了各种原子。

先别管这家伙是不是把分子和原子弄混了,我们看重点。玻尔看到的重点是:尼克尔森正在证明,电子的角动量,只能以h/2π为倍数来改变!

h,多么熟悉的身影!当然,π更熟。

这才洞房房花烛夜,就又他乡遇故知啊!玻尔很激动。满眼轨道堆积。能量损,如今有谁堪坠?必须量子,不然怎生稳定?角动量成整倍,要辐射、点点滴滴。这次第、怎一个牛字了得!

角动量量子化了,轨道自然就量子化了!太美妙了!

不是吗?你看:

动量=质量×速度。写成P=mv。

作圆周运动的物体,它的动量要用“角动量”L表示,角动量=动量×半径。写成L=Pr。

尼克尔森认为,“电子环”里的电子,其角动量的变化,是要量子化的,只能是h/2π、2h/2π、3h/2π……nh/2π。很显然,n是整数。

那么,电子的角动量,就是L=nh/2π。

上述可得:nh/2π=Pr。

看看,左边的n这个整数一变,右边的r就会突然从一个值变成另一个值,它没有变成中间值的机会。它的半径会直接从1变成2,不经过1.5、1.55的过渡。

也就是说,电子的轨道,就像古罗马角斗场的阶梯式看台,你只能呆在这个台阶或另一个台阶,而不能悬在两个阶梯之间的任何一个地方。

r突变,不就是轨道突变么?这样一来,就成功实现了电子轨道的量子化。

那么,电子为什么必须在指定的轨道呢?

眼前,玻尔还回答不了这个问题,因为轨道的量子化,就够忙乎一阵子的。

现在,咱俩跟着拔剑四顾的玻尔,捋顺一下他的思路,顺便学几个看上去很牛×、实际上也很牛×的术语:

因为角动量变化必须量子化,所以轨道变化必须量子化。在角动量突然改变之前,电子只能老老实实地呆在现有的轨道上,它想坠毁都不行,这就是拯救世界的“稳定态”。

电子王国,等级森严,但规则绝对公平,你拥有多少份能量,决定你占据哪一层的轨道,低能占低层,高能占高层。绝不会因为你情商高,和高层某个电子关系好,就能搞逆袭,以低能占高层。所以,电子轨道的层级,也叫“能量层级”。

那么,在不同的原子里,电子的轨道是不是都一样呢?当然不,因为它们的原子核不一样,所以,允许存在的轨道也不一样,绝对不能私搭乱盖。

一套允许存在的轨道,以及与之关联的电子能量,就是原子的“量子态”。

玻尔把“能量层级”用E_n(_指n是下标。下同)表示。E我们都很熟,它表示能量。那么,n当然表示“层级”了!

n=1,就表示电子在第一层轨道,最底层——离原子核最近的那一层,再往下,就没命了——坠毁了。

电子想要活命,它至少要有一份最低能量保障,以保持这种“最基本的状态”。对于一个原子来说,所有轨道上的电子都持有最低能量的状态,就叫做“基态”。对氢原子来说,唯一的电子处在最底层E_1时的状态,就是“基态”。和人一样,基态是最屌丝的状态,却也是最稳定的状态。稳定的意思是,你保持这个状态很容易,达到这个状态也很荣容易,但要改变这个状态,就没那么容易了。

那么,电子一不小心,拐了能量从基态私奔,占了基态以外的层级,又叫啥态呢?

这样的电子,虽然可以在较高层级的轨道上游荡,但毕竟持有剩余能量,比较亢奋,比较容易发生改变,不太稳定,所以叫做“激发态”。

玻尔说,这是可以算出来的玩意儿。他拿出一个氢元素做例子。因为这家伙只有一个电子,够简洁,好算。注意,是用经典物理学就可以算的哟!这真是一个天大的好消息——经典物理大厦还没塌!

氢原子的基态,是-13.6eV。所谓eV,就是“电子伏特”。所谓电子伏特,就是一个电子,经过1伏特的电场加速后,它所获得的动能。

基态这个层级的能量算出来了,其他层级的能量呢?跟基态有关系吗?当然有!而且这个关系简洁美妙:

E_n=E_1/n^2

不管是哪个层级,它的能量都等于基态能量除以n^2。根据这个公式,我们很容易算出,当电子处于第二层级,也就是n=2时,它的能量是:

E_2= E_1/2^2=-13.6eV/4=-3.40eV。

“能量VS层级”的问题解决了,该解决位置问题了。对于电子轨道来说,位置就是半径。

我们知道,原子的半径有多大,那要看它最外面、也就是最高层级的电子轨道半径有多大。因为氢原子只有一个电子,所以,这个电子轨道的半径,就是氢原子的半径。

由于电子的轨道层级是可以变化的,有时处于基态,有时处于激发态,轨道不同,半径自然就不同。

能量层级之间的关系很美妙,那么,轨道半径之间的关系又如何呢?玻尔发现,轨道之间的关系更美妙,它们拥有一个相同的因数:

n^2。

如果电子在基态时,也就是n=1时,轨道半径是r。那么:

当电子处于第二层级轨道,也就是n=2时,它的半径就是2^2r=4r;

当电子处于第三层级轨道,也就是n=3时,它的半径就是3^2r=9r;

……

看得出来,一个持有剩余能量、处于激发态的原子,它会膨胀不老少。

现在,玻尔抓住了电子的角动量,成功地把它量子化了,从而使电子的轨道也成功地量子化了,让一本正经随时自主坠亡的电子情绪稳定了下来,拯救了世界。根据这个轨道量子化了的模型,玻尔搞清了能量层级之间、轨道之间的数学关系,玻尔拿着他的计算结果,和当时的实验估测值一对照,那是相当的接近了!

事情做到这,是不是就功德圆满了?不,还有几个严重的问题没回答呢:是什么让电子必须呆在指定的轨道?角动量死也要量子化究竟是为了谁?这一切的背后究竟隐藏了怎样的神秘机制?

看,机制。我们在第一段广告中,就强调了机制的重要性。玻尔当然知道机制的分量,可是到哪儿去找这个机制呢?

光阴似箭,转眼间到了1913年1月底。玻尔给卢瑟福写信:“我希望,能够尽快把原子论文寄给您,它花费的时间,比预想的多得多。”

一个美丽的理论建设到一半,停工待料,眼巴巴地看着韶华飞逝。玻尔这个急啊!正揪心,又见旧相识。

2月初,玻尔的老朋友汉斯?汉森来访。汉森在德国研究过光谱学。俩人都是搞物理的,很自然就聊起了各自研究的东西。

汉森听说玻尔正在研究原子结构,就问玻尔,搞清楚原子结构,对搞清楚光谱线的产生,是不是有所帮助?

玻尔听后,一脸茫然,很明显,他鼓捣原子结构时,根本没想过这里能有光谱什么事儿。汉森见状,就建议玻尔,看一下巴尔末公式。

还记得不?28年前,玻尔出生的那一年,喜欢数学游戏的巴尔末老师发表了一个公式,完美描述了氢原子发出的光谱线:

λ=B[m^2/(m^2-n^2)]

m和n为整数。

B=3.6546×10^-7m,是个常数。

这个公式发表后,大家只知道它相当好用,相当强悍,却没人知道它究竟在表达什么。

愁云不展的玻尔一见到这个公式,头顶那片雾霾豁然洞开,透出一泓明澈的天穹,一束天光似灵泉直泻而下,清越的天音倏忽盈耳,直扣心扉。

啥叫醍醐灌顶?啥叫茅塞顿开?玻尔指指自己的头:这就是!

巴老师公式里的那个m和n,都是整数,这不也是量子化的表述吗?!

原子辐射的波长,也有量子化的规律,它只能释放出特定波长的辐射。辐射的波长代表什么?代表能量大小啊!

普朗克和爱因斯坦说什么来着?能量的吸收和发射,是一份一份的,不是h,就是2h、3h……不会是1.22h、2.5h、。

那么,原子是怎么吸收和发射能量的呢?玻尔脑海里浮现出自己建立了一半的氢原子模型:

原子核周围,分布着一些允许的电子轨道。一个电子在第一轨道上无聊地转来转去。

不管是失去能量,还是获得能量,都必须是一份一份的。因此,它不会无缘无故地慢慢失去能量,或者无缘无故地慢慢地得到能量。于是,它就保持了这个稳定的状态,安心地呆在这个轨道。

它在等待。等待一个时机。

一个电磁波飘然经过。按照爱因斯坦的说法:一个光量子飘然经过。不管怎么说,这无疑是一份能量。玻尔更喜欢“一份能量”这个说法,他现在可以接受“能量的吸收和发射必须是一份一份的”,还不能接受“光就是量子”。

这个电子,虽然不止喜欢一个频率,但很明显,它也不是每个频率都喜欢。

这份能量的频率跟电子正对脾气,所以电子将其揽入怀中。出事了。

能量拿多了,电子就没法呆在现在的轨道,它只能向更高层级的轨道迁移。具体移到哪一层,那要看刚才拿到的那份能量有多大。换句话说,那要看那个辐射的频率有多高。它拿到的能量越大,占有的层级就越高。

就像你有千万元,就上千万富翁榜;你有一亿元,就上亿万富翁榜;你有千亿元,就上千亿富翁榜。

财富越大,花销也就越大。爱马仕、玛莎拉蒂各种消费。如果不继续赚钱,千亿富翁就会跌到百亿富翁。电子也是这样。屌丝电子拿到能量,升迁到高层级轨道,就会很亢奋,很得瑟,各种炫富,情绪很不稳定,财富把持不住,就会向下跌,直到跌成屌丝状态——基态为止。跌的同时,它会以辐射的形式释放出能量——这就是我们看到的原子光谱。当然,如果上升后,又拿到新的能量,财富增加了,它还可能继续向上层升。升得越高,就越不稳定。

所以,不同的“能量层级”,也可以看成不同的“势能位置”。电子要向上去,必须获得向上的能量才行。而一旦上去了,就证明它蓄积了一定的“势能”,下跌时,就释放这些势能,跌的“落差”越大,释放的“势能”也就越大。

具体释放多大的能量,也就是说,具体发射多高频率的辐射,那要看它从哪儿跌到哪儿。它所释放的能量,就是起点层级和目标层级之间的能量差。这也是可以算出来的玩意儿。我们现在就假装算一下:

一份能量是hv。

如果一个电子从第4层跌到第1层,那么,它释放的能量是:

E_4-E_1=hv

咱俩假装研究下:E_n的值是一定的,那个h是普朗克常数。这个式子里,唯一可变的,就只有频率v了。

我们发现,电子的“落差”越大,v也就越大。电子在不同的层级间坠落,就发出不同的辐射。由于每一种原子所允许的轨道层级是有限的、并且轨道数量和半径是不同的,所以,不同的原子就有了自己特定的光谱线!

原来如此!原来如此!!天呀!魔幻、神奇、让无数天才迷恋、又让无数天才迷惑的原子光谱,成因原来如此简单!

现在,巴尔末公式背后的秘密,一下子就昭然天下了。

还记得埃格斯特朗测出的那4条可见光谱线吧?它们分别处于红、绿、蓝、紫色区域,名字分别叫:阿尔法、贝塔、伽马、德尔塔(α,β,γ,δ)。不管氢原子怎么折腾,发出多强的光,这几条线是雷打不动,何至于此呢?玻尔算了下,原来,这4条线,是氢原子的电子分别从3、4、5、6楼跌到2楼发出的频率!这就是为什么当巴尔末公式里的n=2,m值分别为3、4、5、6时,得数就分别是这4条谱线的波长:656.210;486.074;434.01;410.12。而让m=7时,又准确预测了第5条线的波长。现在我们明白了,为什么m、n必须是整数,m代表电子从第几层向下跌,而n表示电子最终跌到第几层。所以它俩不可能不是整数。

有的童鞋问了:电子不会总是跌到2楼吧?是不是也会从各种楼层跌落到1楼、3楼或者别的楼层啊?

这个问题提得很及时,也很靠谱。的确,上面所说的这几条线,都是可见光区域的,所以发现得早。因为巴老师的公式能准确描述之,所以,这个系列的光谱线,就叫“巴尔末系列”。后来,人们又从不可见光中发现了氢原子的光谱线:当电子从2楼以上跌到1楼,也就是不管它爬多高,都是一下子跌回屌丝状态——基态时,它所发出的辐射在紫外区域,叫“莱曼系列”;而从4楼以上跌到3楼时,它所发出的辐射在红外区域,叫“帕邢系列”。

咱俩稍加分析,就发现了一个奇怪的现象:跌落多少层,对光谱波长有着决定性的影响。而跌到哪一层,对波长有着更大的影响!跌到基态,放出的能量最大。哪怕是从2楼跌到1楼,只跌落了1层,它发出的也是强悍的紫外线,波长122;而刚才算出来的巴尔末系列中,它从6楼跌到2楼,共跌了4层,它发出的也是可见光波长410,放出的能量明显低于前者(波长越短、能量越大没忘吧?)。

玻尔还发现了一个惊悚的现象:电子上升或跌落,直接就是结果,没有过程!

看着你无辜的眼神,玻尔就知道,他得再强调一遍,电子是“直接”从一个轨道“出现”在另一个轨道的,没有空间过渡。不像咱俩一样,从客厅沙发走到卧室床上,必须经过一段路、无数点,比如卧室的门。而电子偏不。它可以从6楼消失,而直接在1楼出现,不必经过5、4、3、2任何一层。从1楼跃到2楼,也是这样,电子不必经过这两层之间的任何地带、任何一点。

它是怎么做到的?常常跟我们玩瞬间移位的魔术师们在电子面前全部傻眼。

玻尔给电子的这种穿越现象起了个名:跃迁。

正因为电子有这个特异功能,它才能够发出那些“固定”波长的辐射。不然的话,它在迁移过程中,应该连续发射出辐射才对。如果它可以连续发出辐射,那么,就像我们前面说的那样,它死定了。世界真TM奇妙啊!

正因为电子跃迁是量子化的,它吐纳能量也是量子化的,所以,它的角动量是量子化的,轨道也就只能是量子化的了。于是它无法连续失去能量,也就不能坠毁了。上帝啊,宇宙就这样得救了!

1913年3月6日,玻尔把修改了无数遍的第一篇论文寄给了卢瑟福,论文题目是《论原子和分子的结构》。

虽然,这个新理论很自然地融合了经典力学,但这次,开明的卢瑟福还是被玻尔搞晕了:一方面,玻尔漂亮地解决了卢瑟福原子模型的电子自主坠亡问题,潇洒地拯救了世界。卢瑟福很欣慰;另一方面,玻尔拯救世界的招数违反了经典物理的根本法则,世界的连续性、物理过程的连续性被无情践踏。卢瑟福很忧郁。

我们的世界一直是连续的,现在,被玻尔搞得很分裂。就说这个电子跃迁吧:

电子在轨道上运行一个周期——说白了就是转一圈,就完成了一次震荡。电子每秒沿轨道转多少圈,就是它的振荡频率。按照牛爷、麦爷的理论,电子按照自己的振荡频率释放能量,是很自然的事情。在各个轨道上,电子的频率是不同的,那么,它在跃迁时,频率变化是如何“过渡”的?玻尔体系表示,电子从一个频率变到另一个频率,没有“过渡”,没有中间环节!

好吧,为了世界和平,卢瑟福连这一点也忍了。但另一个问题实在是忍无可忍,不吐不快。他问玻尔:电子怎么知道它要去哪层?

这实在是一个很严重的问题,也是一个不得不说的问题。从玻尔的理论看,电子在跃迁之前,应该是未雨绸缪,事先打算好了它要去哪一层。不信你看,拿到相同能量、同样住6楼的电子,它有可能跃到3楼,放出红外线;也有可能跃到2楼,放出可见光;还有可能跃到1楼,放出紫外线。

它凭什么决定放出多少能量?是什么因素“让”它跃到哪层楼?答不出来?难道电子也像银屏玉女一样很随便吗?在所有条件都相同的情况下,会出现不同的结果?!

这对一个骄傲的物理学家来说,简直就是侮辱!

玻尔被问得很尴尬。目前,他的确答不上来。

不过,让玻尔感到更恐怖的,并不是物理卢老师的提问,而是语文卢老师对这篇作文的批语:你写得太长了,应该改改,删一些。

玻尔吓傻了。他知道自己作文超烂,所以寄给卢老师前,已经修改无数遍了,两口子都累坏了,现在卢老师说太长了,还要改……玻尔一咬牙一跺脚,那就改吧!

卢老师欣慰地打开玻尔寄来的修改稿,读起来确实比上一稿好多了,不过狗血的是,论文更长了!如果不是见多识广,恐怕卢老师的一口老血会毁了这篇新稿。

新稿刚到卢瑟福手中,玻尔随后就出现在卢瑟福面前。多亏卢瑟福头脑清醒,否则会以为,玻尔是搭这封信的邮车来的。

玻尔说我来曼彻斯特是度假的。卢瑟福差点就信了。

同志们很快就发现,玻尔其实是来折磨卢老师的。连续几天几夜,玻尔都坚持不懈地跟卢瑟福讨论这篇论文,从理论细节到章法结构,从逻辑推导到语法修辞……一个循循善诱,一个苦口婆心,卢老师“显示了天使般的耐心”,而玻尔则魔鬼般地死缠烂打,寸步不让。结果是,口拙的玻尔战胜了健谈的卢瑟福。论文一字没改,卢瑟福筋疲力尽,无条件投降,同意推荐发表。有意思的是,后来,玻尔承认,卢老师的建议其实是对的。

谁说玻尔口才不好?我们以后会发现,这小子的辩才简直就是无坚不摧!你没崩溃过,那是因为你没跟玻尔辩论过。

随后,玻尔的《单原子核体系》、《多原子核体系》分别于9月、11月发表在《哲学杂志》上,也是几乎一字未改。这三篇论文,就是名震量子物理史的、伟大的“三部曲”。为什么会是三部曲呢?前面不是说了吗,论文实在太长,玻尔这小子又不肯删,只好拆开发表,于是就成了“三部曲”。

不管怎么说,一个崭新的时代就此拉开了帷幕。

鬼神莫测的原子结构,奇幻精巧的原子光谱……厚厚的神秘面纱,被这个年轻人一手揭开,世界的基础——原子,面貌焕然一新,真正属于微观世界的理论宣告诞生!

旧体系的基因,虽然仍在它的血液中涌动,但量子灵魂的注入,仍然令旧世界惊疑不已。

让旧世界黯然神伤的,不仅在于它的叛逆,更在于它的力量。量子所到之处,你拒无可拒,逃无可逃。在此起彼伏的反对声中,在浩浩荡荡的白眼乜斜下,大量的实验数据纷纷送来噩耗:它是对的!

人们从厌恶、怀疑到惊惧,又从激愤、叹服到嘉许。

玻尔“三部曲”一时间游转攀旋,响彻物理江湖,悬在头顶的恼人乌云被震得仓皇四散。年轻的玻尔一举成为原子物理的领军人物,救世主的圣光在哥本哈根上空若隐若现,似有似无,抓挠得全世界物理学子心荡神移,几不自持。

然而,正当物理学界上下深入学习贯彻“三部曲”精神,量子和经典理论安定团结,能量辐射一片光明,原子核和电子共建和谐美丽原子世界之时,更多问题接踵而至,破坏了墨迹未干的灿烂篇章和乳臭未干的大好局面,形势急转直下,已臻化尽的乌云又迅速聚拢,块头居然比以前更大,刚刚建立的新理论与旧体系一起,顶着乌云,交换着黯然销魂的眼神,顾影自怜地追忆往日种种……

残垣断壁掩夕阳,孤影长,正神伤,一个冒失鬼从瓦砾间轰然而起,直刺云天,纵声长啸:让暴风雨来得更猛烈些吧!

高尔基欣喜地循声望去。

对不起。我不是海燕。我是量子。