光是人類生活中不可或缺的因素。西方圣經(jīng)中的上帝在開天辟地后，首先便創(chuàng)造了光：“上帝說要有光，于是就有了光?！敝皇沁@個(gè)“就有了”的光是什么，上帝沒有解釋。從古希臘開始，人類對(duì)我們?nèi)绾文芙柚饪吹轿宀世_紛的世界提出過各種猜測(cè)，莫衷一是。

17世紀(jì)的牛頓以發(fā)明微積分、經(jīng)典動(dòng)力學(xué)聞名，是那個(gè)時(shí)代很少有的注重理論的物理學(xué)家（當(dāng)時(shí)被稱作數(shù)學(xué)家）。但他自己也曾親手做過一些實(shí)驗(yàn)，主要便是研究光的特性。他通過系統(tǒng)的棱鏡實(shí)驗(yàn)證明顏色是光本身的性質(zhì)【關(guān)于牛頓的棱鏡實(shí)驗(yàn)，參閱《宇宙膨脹背后的故事（之四）：察顏觀色識(shí)星移》】，并提出光束其實(shí)是由微小、肉眼看不見的粒子（copuscle）組成。

這種粒子在真空或媒體中傳播時(shí)不受任何作用力，因此按照他的慣性定律會(huì)走直線。當(dāng)它們穿越不同媒介的界面時(shí)，牛頓假設(shè)這些粒子會(huì)受到一種未知的力作用，因而方向發(fā)生偏移，即“折射（refraction）”。他提出不同顏色的光微粒的質(zhì)量略有不同：紅光最大、紫光最小。根據(jù)他的動(dòng)力學(xué)，它們受力后有不同的加速度，因此偏移程度不同。這樣他便能解釋棱鏡區(qū)分白光中各種顏色的“色散（dispersion）”現(xiàn)象。

當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)觀測(cè)到光還會(huì)發(fā)生“衍射（diffraction）”，即光在經(jīng)過障礙物時(shí)不是完全按照障礙物邊界所確定的直線行進(jìn)，而是會(huì)有微弱的一部分光“繞”進(jìn)了障礙物的陰影里。牛頓同樣把它歸因于障礙物邊界對(duì)光粒子的作用力導(dǎo)致。

相對(duì)于折射，牛頓對(duì)衍射的這個(gè)解釋十分牽強(qiáng)。而衍射恰恰是波動(dòng)的特征。我們?cè)诖髲d里聽演講，不會(huì)被其中的柱子阻擋。因?yàn)槁暡梢酝ㄟ^衍射繞到柱子后面。與牛頓同時(shí)代的虎克（Robert Hooke）、惠更斯（Christiaan Huygens）等人早就提出光也是一種波，并非牛頓的微粒。

光的微粒說、波動(dòng)說便成為17、18世紀(jì)的一大科學(xué)爭(zhēng)執(zhí)。雖然惠更斯的波動(dòng)理論在解釋光的折射、衍射行為中更為自然，但牛頓的威望保證了他的微粒說一直略占上風(fēng)。

直到1803年11月24日，牛頓去世160多年后的一天。倫敦的英國(guó)王家學(xué)會(huì)迎來(lái)了一個(gè)新的年輕天才。楊（Thomas Young）那時(shí)剛剛30歲。他14歲時(shí)就把圣經(jīng)翻譯成13種不同語(yǔ)言。20歲時(shí)自己解刨牛眼，發(fā)現(xiàn)眼睛聚焦、成像的秘密，開創(chuàng)了生理光學(xué)。接著，他留學(xué)德國(guó)，在哥廷根大學(xué)獲得“物理、手術(shù)、助產(chǎn)博士”學(xué)位。后來(lái)，他在研究物理、治病救人之余，興趣又會(huì)轉(zhuǎn)向語(yǔ)言學(xué)，是最早翻譯埃及象形文字（hieroglyph）、提出“印歐語(yǔ)系（Indo-European languages）”概念的先驅(qū)之一。因此，他被譽(yù)為“最后一個(gè)懂得一切的人（The Last Man who Knew Everything）”，可能是最早贏得這個(gè)稱號(hào)的歷史人物之一。

那天在王家學(xué)會(huì)，楊展示的是一個(gè)極其簡(jiǎn)單、如他所言“只要有太陽(yáng)光就能做”的實(shí)驗(yàn)。他拉上所有窗簾，使屋子里一片漆黑。接著，他在窗簾上扎一個(gè)小洞，放進(jìn)一束纖細(xì)的陽(yáng)光。然后，他將一個(gè)寬約兩毫米的小紙片伸進(jìn)光束，觀看紙片的影子。那個(gè)紙片應(yīng)該完全擋住那兩毫米的光，留下相應(yīng)的黑影——最多只是黑影邊緣上有一些來(lái)自衍射的模糊。

楊展示的結(jié)果正好相反。紙片影子的正中，應(yīng)該最黑的地方卻是明亮的。從影子中間到邊緣有著一道道彩色的條紋。楊解釋說，這些條紋是因?yàn)樘?yáng)光的色散。如果他在光束前面置放棱鏡，只用單色的光做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，那么他們?cè)谟白犹幙吹降木蜁?huì)是明暗相間的條紋。

這樣的條紋物理學(xué)家非常熟悉。觀察被風(fēng)吹皺的池水，能看到水波的蕩漾。如果水波經(jīng)過一塊石頭，就會(huì)在石頭后面看到與原來(lái)的水波不一樣的細(xì)碎波紋。那是由于水波分別從石頭的兩邊繞過，在石頭后面相遇時(shí)互相干擾，造成水波有些地方增強(qiáng)有些地方減弱的效果。這個(gè)現(xiàn)象叫做“干涉（interference）”，是波動(dòng)的特征之一。

楊在1807年出版的專著中的一些插圖。上方有眼睛的構(gòu)造，下面是光的各種干涉條紋。

楊所展示的，便是光束從紙片的兩邊“繞”過后，也在那后面發(fā)生了干涉現(xiàn)象。牛頓的微粒說好歹能勉強(qiáng)解釋光的折射和衍射，對(duì)干涉卻完全無(wú)能為力。楊的這場(chǎng)演講標(biāo)志著微粒說終于退出歷史舞臺(tái)?；莞沟牟▌?dòng)說被普遍接受：光束不是由微粒組成，而是一種波。

×　×　×　×　×

半個(gè)多世紀(jì)后，1864年12月8日，站在王家學(xué)會(huì)同一個(gè)講臺(tái)上的是蘇格蘭人麥克斯韋。那時(shí)，楊早已去世。

麥克斯韋在會(huì)上闡述了他那著名的方程組，將那時(shí)分立的電、磁相互作用完美地統(tǒng)一起來(lái)。在他之前，法拉第（Michael Faraday）已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。在麥克斯韋的方程里，這兩個(gè)過程相輔相成，形成連續(xù)傳播的電磁波。當(dāng)麥克斯韋計(jì)算這個(gè)電磁波的速度時(shí)，驚喜地發(fā)現(xiàn)便是當(dāng)時(shí)已知的光速。于是，他驕傲地宣布，光其實(shí)就是一種電磁波。

1869年的麥克斯韋（左）和夫人。

這一重大發(fā)現(xiàn)震驚了整個(gè)物理學(xué)界。柏林的普魯士科學(xué)院在1879年公開懸賞，重獎(jiǎng)能在1882年3月1日前證實(shí)麥克斯韋的電磁波的人。結(jié)果，沒有人贏得這個(gè)獎(jiǎng)。當(dāng)時(shí)做了一番準(zhǔn)備但畏難而退的赫茲遲至1887年才完成這一壯舉——并同時(shí)發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)現(xiàn)象。

赫茲在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的便是我們今天日常生活中熟悉的無(wú)線電波。與光波一樣，那也是電磁波的一種。作為紀(jì)念，電磁波的頻率便是以“赫茲”作為單位。當(dāng)有人問這種電波有什么實(shí)際用途時(shí)，赫茲無(wú)可奈何地答道：“沒有任何用處。這只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明了麥克斯韋的正確。”

雖然赫茲在這一成就對(duì)社會(huì)進(jìn)步所能產(chǎn)生的影響嚴(yán)重地缺乏前瞻力，他對(duì)科學(xué)的信心則毫不含糊。兩年后，他凱旋式地宣布：“從人類觀點(diǎn)而言，光的波動(dòng)理論已經(jīng)毫無(wú)疑問（“The wave theory of light is from the point of view of human beings a certainty.”）?！?nbsp;

其實(shí)，在19世紀(jì)末，樂觀是物理學(xué)家的共性。他們普遍認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)達(dá)到完善境界，剩下的只是進(jìn)行越來(lái)越精確的具體測(cè)量工作。1900年4月27日，發(fā)明絕對(duì)溫度制的開爾文勛爵（William Thomson, 1st Baron Kelvin）在王家學(xué)會(huì)上發(fā)表了一篇流傳廣泛的演講，指出在物理學(xué)的晴朗天空中，只存在兩朵烏云尚待解決，即“以太”和“黑體輻射”兩個(gè)未解的難題。

這兩朵烏云恰恰都源自麥克斯韋的電磁學(xué)理論。

水波來(lái)自水分子的集體振蕩。聲波則是空氣分子的集體振蕩。波動(dòng)不是一種獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，而是需要某種承載這個(gè)波的媒介物質(zhì)以協(xié)同的震蕩方式形成。如果光是波動(dòng)，自然也需要一個(gè)媒介。這正是當(dāng)初牛頓反對(duì)波動(dòng)說的一大理由：光從太陽(yáng)、星星來(lái)到地球，很難想象整個(gè)宇宙會(huì)充滿著這樣一個(gè)我們沒有覺察的媒介物質(zhì)。而且，如果有的話，也應(yīng)該在太陽(yáng)系星體運(yùn)動(dòng)中反映出來(lái)。牛頓的引力、動(dòng)力學(xué)在天體運(yùn)動(dòng)中的精確成功說明沒有這樣的物質(zhì)存在。

惠更斯只好假想有一種看不見摸不著的以太（aether）。它像水、空氣一樣通過振蕩傳播光波，但除此之外不參與任何物理作用，因此不影響牛頓力學(xué)的應(yīng)用。然而，所有尋找以太的努力都失敗了。1887年，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜（Albert Michelson）和莫雷（Edward Morley）進(jìn)行了精確的干涉儀實(shí)驗(yàn)，沒能發(fā)現(xiàn)地球和以太之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，基本上排除了以太存在的可能。

這第一朵烏云最終由愛因斯坦在1905年那個(gè)奇跡年所發(fā)表的第三篇論文清除。他指出，麥克斯韋理論中的電磁波與水波、聲波有顯著的不同，是可以自己在真空中傳播而不需要任何媒介物質(zhì)。由此帶來(lái)的相對(duì)速度問題則可以通過他新創(chuàng)立的狹義相對(duì)論圓滿解決。

那另一朵烏云，則如同愛因斯坦所言，需要比相對(duì)論更具有革命性的觀念突破。

×　×　×　×　×

黑體輻射（black-body radiation）是18世紀(jì)中葉德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）發(fā)現(xiàn)的一個(gè)規(guī)律。

當(dāng)鐵匠將鐵器放在爐火中加熱時(shí)，原來(lái)暗黑、不發(fā)光的鐵器會(huì)隨著溫度升高逐步呈現(xiàn)桔黃、通紅等色彩。經(jīng)驗(yàn)豐富的工匠只要看看顏色就能判斷出鐵器所在的溫度，俗稱“看火色”。作為物理學(xué)家，基爾霍夫?qū)⑦@個(gè)生活經(jīng)驗(yàn)提煉成一個(gè)抽象的物理問題，叫做黑體輻射。

他所說的黑體是理想化的材料，能夠完全吸收來(lái)自外界任何頻率的熱輻射，沒有任何反射（所以叫做“黑體”）。同時(shí)，它也可以通過自身的熱輻射與所在環(huán)境達(dá)成熱平衡，即保持同一溫度。根據(jù)簡(jiǎn)單的熱力學(xué)定律，基爾霍夫推斷，這樣的黑體的熱輻射強(qiáng)度只會(huì)與頻率、溫度有關(guān)，而與物體本身是金屬還是木炭、固體還是液體等等沒有關(guān)系。

這樣，在任何給定的溫度下，黑體輻射在每個(gè)頻率上的輻射強(qiáng)度都會(huì)是一定的，可以畫出一條普適的頻譜曲線?；鶢柣舴蜃约簺]能推算出這個(gè)曲線的形狀。但他強(qiáng)調(diào)這是一個(gè)極其重要的研究領(lǐng)域，希望物理學(xué)家為此努力。

幾乎同時(shí)，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電磁理論。于是，基爾霍夫黑體的熱輻射也就是包括發(fā)光在內(nèi)的電磁輻射。我們平時(shí)看不到周圍物體的發(fā)光，不是因?yàn)樗鼈儧]有熱輻射，而是室溫下的黑體輻射主要處于紅外波段，只有帶上特殊的紅外夜視儀才能觀察到。當(dāng)物體被加熱到攝氏500度高溫時(shí)，其熱輻射的高峰才會(huì)從紅外轉(zhuǎn)為可見光。這時(shí)，我們能直接看到其發(fā)光，顏色也會(huì)隨溫度升高逐漸從紫藍(lán)演變成紅色。

雖然理想的黑體是一個(gè)抽象概念，并不真的存在。日常生活中物體，包括鐵匠爐中的鐵器、磚窯里的土坯，都在一定程度上接近于黑體，也就可以看火色。不僅如此，我們通過看“火色”就能知道太陽(yáng)的表面溫度在5000度以上。

×　×　×　×　×

在基爾霍夫之后幾十年里，德國(guó)的物理學(xué)家果然將黑體輻射作為重點(diǎn)科研項(xiàng)目，設(shè)計(jì)出各種方法測(cè)量其頻譜。1893年，柏林大學(xué)的維恩（Wilhelm Wien）在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，可以很好地?cái)M合當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)。

那時(shí)，普朗克已經(jīng)是40出頭的中年人，在柏林大學(xué)接替了基爾霍夫的教授席位。他為維恩這個(gè)公式賦予熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)，使其成為黑體輻射的正統(tǒng)理論。該公式也因此被稱為“普朗克-維恩定律”。對(duì)這個(gè)突破，普朗克信心滿滿。他在1899年的德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上夸下?？冢哼@個(gè)定律其實(shí)與熱力學(xué)第二定律等價(jià)。如果出問題，那么整個(gè)熱力學(xué)體系也就會(huì)麻煩了。

1906年的普朗克。

他的大話竟然沒能挺過一年。1900年10月7日，柏林工業(yè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理教授魯本斯（Heinrich Rubens）夫婦應(yīng)邀來(lái)到普朗克家做客。在兩位夫人聊天之際，兩個(gè)物理學(xué)家躲進(jìn)了書房。魯本斯透露，他們?cè)诤隗w輻射測(cè)量上已經(jīng)推進(jìn)到新的、更低頻率的遠(yuǎn)紅外波段，得到的數(shù)據(jù)與普朗克-維恩定律所預(yù)測(cè)的相差極大。

普朗克深感事體重大。那天晚上他一個(gè)人在家仔細(xì)研讀這些新數(shù)據(jù)，很快發(fā)現(xiàn)他只要修改一下普朗克-維恩定律的數(shù)學(xué)形式，就能同時(shí)與過去和新的數(shù)據(jù)完美符合。問題是，他已然宣布既有的定律是熱力學(xué)的唯一結(jié)論?，F(xiàn)在他又如何才能解釋這個(gè)變化？

更迫切的問題是他沒有時(shí)間。

僅僅12天后，德國(guó)物理學(xué)會(huì)召開大會(huì)。魯本斯的合作者做了他們最新成果的報(bào)告。他們展示的曲線果然與普朗克-維恩定律大相徑庭。之后，普朗克不得不站出來(lái)應(yīng)對(duì)。他坦承一年前的大話可能說過了頭，熱力學(xué)第二定律也許并不能確定地導(dǎo)致普朗克-維恩定律。在新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)面前，后者顯然不夠正確。

接著，他話音一轉(zhuǎn)：請(qǐng)容許我展示一個(gè)新的規(guī)律。他隨即亮出那天晚上根據(jù)新數(shù)據(jù)所推出的新公式，果然與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎天衣無(wú)縫。

普朗克的新公式是在已知實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況下倒推、擬合而得，作為理論學(xué)家屬于“作弊”。為了能找到一個(gè)理論上站得住腳的緣由，他在緊接著的幾個(gè)星期里絞盡了腦汁。終于，在12月14日的又一次會(huì)議上，他給出了一個(gè)至少是數(shù)學(xué)推導(dǎo)上的根據(jù)。他說，如果我們?cè)谟?jì)算中假設(shè)黑體吸收、發(fā)射電磁波時(shí)的能量有一個(gè)與頻率成正比的最小值，就可以得出那個(gè)完美的新公式。

他把那個(gè)最小值叫做“量子”（quantum，這個(gè)名詞在德語(yǔ)中只是“數(shù)量”的意思）。

可能因?yàn)樾碌墓脚c實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得太優(yōu)美，在座的物理學(xué)家沒有糾結(jié)普朗克的推導(dǎo)過程。從那之后，這個(gè)新公式被正式稱為黑體輻射的“普朗克定律”。而那之前的“普朗克-維恩定律”則靜悄悄地退位為“維恩定律”，仿佛從來(lái)沒有與普朗克有過任何瓜葛。

普朗克大松了一口氣。他后來(lái)回憶道：“那是一個(gè)絕望之舉……我知道這是一個(gè)基礎(chǔ)性問題，我也知道答案。但我必須不惜一切代價(jià)找出一個(gè)理論解釋，只是不能違反熱力學(xué)的第一、第二定律?！?br>

他沒想到，遠(yuǎn)在瑞士的伯爾尼，一個(gè)專利局小職員卻很快看穿了他這個(gè)馬虎眼，并從中看出了實(shí)現(xiàn)更革命性的突破之契機(jī)。

（待續(xù)）