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總之,在黑體問題上,如果我們從經典粒子的角度出發去推導,就得到適用於短波的維恩公式。如果從類波的角度去推導,就得到適用於長波的瑞利…金斯公式。魚與熊掌不能兼得,長波還是短波,那就是個問題。
這個難題就這樣困擾著物理學家們,有一種黑色幽默的意味。當開爾文在臺上描述這“第二朵烏雲”的時候,人們並不知道這個問題最後將得到一種怎麼樣的解答。
然而,畢竟新世紀的鐘聲已經敲響,物理學的偉大革命就要到來。就在這個時候,我們故事裡的第一個主角,一個留著小鬍子,略微有些謝頂的德國人——馬克斯•;普朗克登上了舞臺,物理學全新的一幕終於拉開了。
(勘誤:維恩公式於1893年提出,而非1883年)
三
上次說到,在黑體問題的研究上,我們有了兩套公式。可惜,一套只能對長波範圍內有效,而另一套只對短波有效。正當人們為這個Dilemma頭痛不已的時候,馬克斯•;普朗克登上了歷史舞臺。命中註定,這個名字將要光照整個20世紀的物理史。
普朗克(Max Carl Ernst Ludwig Planck)於1858年出生於德國基爾(Kiel)的一個書香門第。他的祖父和曾祖父都是神學教授,他的父親則是一位著名的法學教授,曾經參予過普魯士民法的起草工作。1867年,普朗克一家移居到慕尼黑,小普朗克便在那裡上了中學和大學。在俾斯麥的帝國蒸蒸日上的時候,普朗克卻保留著古典時期的優良風格,對文學和音樂非常感興趣,也表現出了非凡的天才來。
不過,很快他的興趣便轉到了自然方面。在中學的課堂裡,他的老師形象地給學生們講述一位工人如何將磚頭搬上房頂,而工人花的力氣儲存在高處的勢能裡,一旦磚頭掉落下來,能量便又隨之釋放出來……。能量這種神奇的轉換與守恆極大地吸引了好奇的普朗克,使得他把目光投向了神秘的自然規律中去,這也成為了他一生事業的起點。德意志失去了一位音樂家,但是失之東隅收之桑榆,她卻因此得到了一位開天闢地的科學巨匠。
不過,正如我們在前一章裡面所說過的那樣,當時的理論物理看起來可不是一個十分有前途的工作。普朗克在大學裡的導師祖利(Philipp von Jolly)勸他說,物理的體系已經建立得非常成熟和完整了,沒有什麼大的發現可以做出了,不必再花時間浪費在這個沒有多大意義的工作上面。普朗克委婉地表示,他研究物理是出於對自然和理性的興趣,只是想把現有的東西搞搞清楚罷了,並不奢望能夠做出什麼巨大的成就(好象今日的CS)。諷刺地是,由今天看來,這個“很沒出息”的表示卻成就了物理界最大的突破之一,成就了普朗克一生的名望。我們實在應該為這一決定感到幸運。
1879年,普朗克拿到了慕尼黑大學的博士學位,隨後他便先後在基爾大學、慕尼黑大學和柏林大學任教,並接替了基爾霍夫的職位。普朗克的研究興趣本來只是集中於經典熱力學的領域,但是1896年,他讀到了維恩關於黑體輻射的論文,並對此表現出了極大的興趣。在普朗克看來,維恩公式體現出來的這種物體的內在規律——和物體本身性質無關的絕對規律——代表了某種客觀的永恆不變的東西。它獨立於人和物質世界而存在,不受外部世界的影響,是科學追求的最崇高的目標。普朗克的這種偏愛正是經典物理學的一種傳統和風格,對絕對嚴格規律的一種崇尚。這種古典而保守的思想經過了牛頓、拉普拉斯和麥克斯韋,帶著黃金時代的全部貴族氣息,深深滲透在普朗克的骨子裡面。然而,這位可敬的老派科學家卻沒有意識到,自己已經在不知不覺中走到了時代的最前沿,命運已經在冥冥之中,給他安排了一個離經叛道的角色。
讓我們言歸正傳。在那個風雲變換的世紀之交,普朗克決定徹底解決黑體輻射這個困擾人們多時的問題。他的手上已經有了維恩公式,可惜這個公式只有在短波的範圍內才能正確地預言實驗結果。另一方面,雖然普朗克自己聲稱,他當時不清楚瑞利公式,但他無疑也知道,在長波範圍內,u和T成簡單正比關係這一事實。這是由他的一個好朋友,實驗物理學家魯本斯(Heinrich Rubens,上一章提到過)在1900年的10月7號的中午告訴他的。到那一天為止,普朗克在這個問題上已經花費了6年的時光(1894年,在他還沒有了解到維恩的工作的時候,他就已經對這一領域開始了考察),但是所有的
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