第一朵烏云——黑體輻射疑難

1900年4月27日，德高望重的物理學家開爾文勛爵在英國皇家學會迎接新世紀的年會上致辭。他充滿自信地講道：“物理學的大廈已經建成，未來的物理學家只需要做些修修補補的工作就行了。只是明朗的天空中還有兩朵烏云，一朵與黑體輻射有關，另一朵與邁克耳孫實驗有關。”這兩朵烏云，都與光的本性有關。

第一朵烏云，與光究竟是粒子還是波的問題有關，當時波動光學和電磁理論都表明光是波動，但是黑體輻射的問題卻使人對光的波動說產生了懷疑。解釋這一實驗產生的困難，最終導致了光量子理論的誕生，使人們驚訝地看到光不是簡單的、單純的波動，光還具有粒子性。光既是波，同時又是粒子，這是怎么回事呢？

1870年，普法戰爭結束，法國戰敗割地賠款，德國在得到阿爾薩斯和洛林兩個省和一大筆戰爭賠款后，開始實施其工業化的目標。德國的工程技術人員和科學家很快認識到提高鋼鐵質量的關鍵之一是控制爐溫。為此他們發明了通過鋼水的熱輻射來確定爐溫的方法。在高爐或平爐上開一個小孔，他們發現從小孔射出的熱輻射的能量分布會呈現為一條曲線，他們稱其為黑體輻射曲線。當時已經知道熱輻射是光波的一種，本質上是電磁波。也就是說，黑體輻射的成分就是電磁波。

圖l中這條黑體輻射曲線，橫坐標表示輻射波長，左邊波長短，呈現為藍白色光，右邊波長長，呈現為紅色光。縱坐標表示輻射能的密度。科學家們發現這條曲線的高矮胖瘦的形狀與溫度有關，從對這些輻射曲線的描繪和測量，可以探知輻射的溫度，它也就是鋼水或鐵水的溫度。

而令科學家困惑不解的是，黑體輻射的能量分布為什么會呈現出這種形狀的曲線。于是他們試圖構造物理模型來加以說明。當時原子論已經被多數科學家接受，一般人認為物質的最小結構單元就是原子。物質發射和吸引輻射就是由一個個原子進行的。原子就像彈簧支配的諧振子，在不斷地振動，吸收輻射，振動就加劇；放出輻射，振動就減弱。維恩按照這樣的思路，構造了一個物質發射和吸收輻射的模型，并通過計算描出了一根熱輻射曲線，即圖中的維恩線。這根線在短波波段與實驗數據（圖中圓點所示）符合得很好，但在長波波段卻偏離實驗結果。

英國當時正在繼續他們的工業革命，也在努力提高煉鋼技術，他們也在研究爐溫的測量與控制。面對同樣的黑體輻射曲線，英國物理學家瑞利和金斯也設想了一個物理模型，與維恩的模型不同，從他們的模型繪出的曲線，即圖中的瑞利金斯曲線，在長波波段與實驗數據符合得很好，但在短波波段則大大偏離實驗值，呈現為出現無窮大的發散曲線，學術界稱其為“紫外光災難”。這是因為紫外線比可見光波長短，紫外線是當時知道的波長最短的電磁波。

維恩線與瑞利 金斯線均與實驗不符，這就是開爾文所說的第一朵烏云——來自黑體輻射的困難。

1900年的下半年，德國物理學家普朗克在反復考慮黑體輻射導致的困難時偶然發現，如果認為原子在發射和吸收輻射時，不是連續的，而是一份份的，每份電磁輻射的能量和頻率之間有正比關系，那么得到的黑體輻射譜的理論曲線將如圖l的實線所示，恰好與實驗點（圖中圓點）相符合。電磁理論和波動光學都告訴我們，輻射能應該是連續的，怎么可能不連續呢？普朗克百思不得其解。

于是，普朗克在校內報告了他的這一發現。不過，普朗克很擔心這一工作是否有問題，所以在報告時極其謹慎，以至于有些聽眾認為這次白來了一趟，普朗克教授什么也沒有講出來。

然而，在私下與兒子散步時，普朗克告訴兒子：“我最近有一個發現，這個發現如果是正確的，將可以與牛頓的成就相比美！”可見，普朗克還是很清楚這一發現的重要性的，只不過他當時無法肯定此發現是否確實無誤，因為在他和當時的所有物理學家看來，電磁輻射能都應該是連續的，不可能是一份一份的。電磁能不連續的想法，無法從麥克斯韋的電磁理論和波動光學理論得到支持。

不過，普朗克提出的量子論是不徹底的。他認為原子在吸收和發射電磁輻射時，輻射能是不連續的，但在輻射脫離原子的時候，會和其他輻射融合在一起，仍然是連續的。由于普朗克一會兒說輻射是不連續的，一會兒又說輻射是連續的，一些人聽不明白，有一個記者就問他：“你一會兒說輻射是連續的，一會兒又說是不連續的，那么到底輻射是連續的還是不連續的呢？”普朗克回答說：“有一個湖，湖旁邊有一缸水，有人用小碗把缸里的水一碗碗舀出來倒到湖里，你說水是連續的呢，還是不連續的呢？”這個回答，非常清楚地表達了普朗克對電磁輻射究竟連續還是不連續的理解。不難看出，普朗克認為輻射本質上還是連續的，僅當原子輻射或吸收時，才表現出不連續性。

1905年，《德國物理年鑒》收到一篇稿件，作者是個名不見經傳的人，叫愛因斯坦。這篇文章是解釋剛發現不久的光電效應的。作者在文章中指出，輻射不僅在原子發射和吸收它的時候是一份一份的，輻射在脫離原子在真空中運動時依然保持不連續性，依然是一份一份的。也就是說，愛因斯坦認為電磁輻射本質上就是不連續的，是一粒一粒的光量子。愛因斯坦把普朗克的量子說，發展成為光量子說。

普朗克不同意愛因斯坦的看法，不承認脫離原子而存在的光量子。但是愛因斯坦的這一理論可以解釋光電效應。普朗克雖然覺得愛因斯坦的理論十分可疑，但覺得它能解釋實驗，所以還是同意雜志發表這篇文章。他同時又給愛因斯坦寫了一封信，提出對他的理論的懷疑。普朗克表現出大家風范，不給小人物設置障礙，還十分客氣地向他討教，后來還派他的助手勞埃去拜會這位初出茅廬的年輕人，與他平等探討。

普朗克在相當長的一段時間內對愛因斯坦的光量子理論持懷疑和反對的態度。普朗克在給維恩的一封信中談到光量子理論時說：“當然，愛因斯坦的這一觀點肯定是錯誤的。”然而，普朗克沒有因為自己有不同意見而阻止愛因斯坦的理論的發表，后來還連續支持了愛因斯坦的所有論文的發表，使1905年成了愛因斯坦的豐收年，使愛因斯坦一下成為了世界著名的物理學家。

一直到1913年，普朗克和能斯特一起推薦愛因斯坦擔任普魯士科學院院士的時候，他們在高度評價和贊揚愛因斯坦在眾多領域的重大成就的同時，依然表達了對光量子學說的保留。他們在推薦信中說：“總之，我們可以說，在具有豐富內容的現代物理學的所有重大問題上，幾乎沒有哪個問題沒有愛因斯坦的巨大貢獻。可能有時他的設想也會迷失方向，例如，他的光量子假說。但不能以此來否定他，因為即使在最精確的科學中，也不可能不冒一點風險而能提出新的觀點。”

具有諷刺意味的是，1922年，在諾貝爾獎評委會決定授予愛因斯坦1921年的諾貝爾物理學獎時，授獎原因不是他的相對論，也不是他的其他成果，恰恰就是他的光量子理論。瑞典皇家科學院宣布的授獎原因是愛因斯坦“對理論物理，特別是對光電效應定律的發現”所作的貢獻，也就是他的光量子理論。在通知他獲獎的信中還明確告知，“但是沒有考慮您的相對論（指狹義相對論）和引力理論（即廣義相對論）一旦得到證實所應獲得的評價。”這一方面是因為，評委們沒有對相對論的正確性和重要性達成一致看法，另一方面也許是有些評委還想為他的相對論和引力理論再頒一次獎。但后來大概評委會改變了主意，不想給一個人頒兩次獎了，所以愛因斯坦沒有再次獲獎。他對科學和人類的最大貢獻——狹義和廣義相對論，沒有獲得諾貝爾獎，這不能不說是諾貝爾獎的一大遺憾。