读书 | “量子物理史话”（一）：普朗克的量子假说

阅读提示：下面的内容作为娱乐就好，我不具备相关知识，没有能力做严谨叙述。对我们普通人而言，了解一些量子物理知识，可以在与朋友聊天时显得博学一些，至少不会被那些夸夸其谈者吓到。如果您还能够注意到，某个无知的人是怎样接受新知识的，那是我的荣幸。本文的科普内容主要出自曹天元所著“量子物理史话”，这是读后感。嫌弃我的文字或想了解更多知识，可以去读原著，那是真正的科普。

很多人认为，相对论推翻了绝对时空观，颠覆了我们对宇宙的认知。但对于我这样的科普读者，相对论的观点可以轻松接受。例如，在我们的古代神话中，有“天上一天，地上一年”的说法，时间是不同步流逝的；有“缩地术”的咒语，空间可以被随意拉扯。所以“钟慢尺缩”并没有太颠覆我们的认知。“光速不变”也仅是个假设，好像爱因斯坦也讲不出为什么。

但“连续性”被打破有些难以想象，“不确定性”连爱因斯坦都无法想象。好奇心推动我去了解，这些看似理所当然的常识是怎样被一步步推翻的。

19世纪末，以牛顿、麦克斯韦的理论为基础，经典物理大厦已经基本完成，人们所知道的一切物理现象，几乎都可以得到解释。物理学已经终结，能做的事只是进行一些细节修补，更加精确地测量一些常数值罢了。一位著名科学家说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找。”但是，在物理学明朗的天空中仍飘浮着两朵小乌云----迈克尔逊-莫雷试验和黑体辐射研究的困境。

黑体辐射，正是普朗克的研究领域。对于“黑体”，我的理解是：它吸收全部外来辐射，所以它对外发出的热辐射来自于自身，而不是对外界辐射的反射（这个理解应该靠点谱，但不要指望有多严谨）。物体的辐射能量、频率和温度之间存在一定的函数关系，人们希望找到一个公式来描述。

普朗克的研究从巨人的肩膀上开始，他手上有一个前人写出的公式，这个公式是从理论中推导出来的，但只在一半的情况下（短波范围）与实验数据相符。六年的研究徒劳无功后，普朗克听说了另外一个公式----另一种理论推导的结果，仅在另一半（长波范围）情况下有效。

普朗克试图堂堂正正的从理论出发，调和这两个公式，但很快就放弃了。正路走不通，就走邪路，搞不懂为什么，就凑答案吧。他运用自己的数学技巧，将原有的两个公式合二为一，终于拼凑出一个公式，公之于众。有个小细节让我感到意外，似乎普朗克公布他的公式之前并没有先做数据验证，像是开会时提出了一个异想天开的说法! 很快，他的朋友告诉他，这个公式算出的数据与实验值完全符合。

如果仅满足于此，我们不会知道谁是普朗克，就如我记不住写出原始公式的那些科学家的名字。科学家的优秀之处在于，他们会不断的问为什么。

在学校中，做错一道题目并知道了正确答案后，学渣会满足于“我听懂了”；学霸会再去刷题，以保证下回遇到类似题目时能套用正确思路；学神会去思考“我当初为什么会做错，是什么原因让我选了那条错误的道路”。普朗克看着自己的满分答卷，思考的是“我这么做为什么就对了呢？”。

他继续研究“为什么新方程是正确的”，有什么理论依据。几周后，他给出了一个自己都无法相信的结论：为了使新方程成立，必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份一份的。他把这个基本单位称作“量子”，并给出了一个公式E=hv，E是单个量子的能量，v是频率，h是常数（普朗克常数）。

我不知道这个结论是怎么得出的，我猜是基于某些我不可能搞懂的数学原理。好奇心最好限制在力所能及的范围之内，既然没有物理学家对推导过程提出异议，就选择盲从的接受这个结论吧。

1900年12月14日，普朗克宣读了他的论文，宣告了量子的诞生。我们经常会纪念某位伟人的诞辰日，但历史上那个真实的日子中，没人会觉得这个刚出生的婴孩有什么特别，不可能意识到他将改变这个世界。此后几年的时间中，量子这个婴孩，甚至被它的创造者所抛弃----这个结论过于颠覆，连普朗克自己也不太相信。

闲聊：

这个理论的颠覆性，也许物理学家的体会更加深刻，科普文章告诉我，连续性和平滑性是微积分的基础，牛顿、麦克斯韦的体系就建立在这个基础上。对于我这种无知者，接受这个说法不是很难，想象我用力推动一个箱子，看起来是连续用力，也许用超高速摄像机捕捉的影像是我在一下下的击打它。但是，将这种不连续性扩展到时间和空间就不一样了，如果空间是一份一份的，无法想象相邻的两份空间之间是什么。当然，从哲学的角度，我早就接受了空间的不连续，因为这是我能想出的回答“芝诺疑难”或“一尺之棰，日取其半，万世不竭”这样辩题的唯一答案。

对于我这样的科普读者，量子物理的发展过程听起来有些“扯”，先拼凑一个答案，看看对不对，对了再研究为什么，这个方式有些类似先射箭再画靶，也难怪有数学家说“物理学家就是用方程胡扯”。

我看过一些聊“什么是科学”的文章，对那些结论不太有兴趣。在我看来，科学理论的提出就是“给发生的现象找个能自圆其说的解释”，无论听起来多怪异，这个解释只要没有内部逻辑矛盾就OK。至于是否正确，用新的事实去检验。那些内部逻辑严谨，但与已知观点差异很大的理论，经常会被证明是极具开创性的。

现代人都相信科学，但对待科学的态度不同。有些人运用科学的方法去探究未知世界，这是真正的科学精神。有些人用已有的科学知识为标准，判断哪些说法正确，哪些错误；更多人不具备相应的科学知识，只是通过样子来判断什么是科学，什么是伪科学，然后将科学归为真理，将伪科学归入谬误。我将这类态度归为“对科学的迷信”。