《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。 |
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。