呂仕儒，李 海，高 海

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009)

對(duì)于自然科學(xué)來(lái)說(shuō)1900年無(wú)疑是一個(gè)嶄新的開端。這一年，代表科學(xué)界最高榮譽(yù)的諾貝爾獎(jiǎng)開始頒發(fā);同年，希爾伯特 (Hilbert David，1862～1943)在國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)上提出了著名的 23個(gè)問(wèn)題，為新的世紀(jì)勾勒出了一幅壯麗輝煌的科學(xué)畫卷;最重要的是在這一年，M·普朗克 (Max Plank，1858～1947)提出了能量子假說(shuō)，標(biāo)志著人類社會(huì)跨入了輝煌的量子時(shí)代。然而，從1900年到1918年普朗克因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，之間的跨度整整長(zhǎng)達(dá)18年之久，是什么原因?qū)е铝诉@一掀起物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)革命的科學(xué)理論，遲遲得不到人們的認(rèn)可和青睞。因素可能很多，但是，其中的重要因素之一，是由于能量子假說(shuō)的物理圖景與建立于經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的經(jīng)典物理學(xué)圖景格格不入造成的。

1 能量子假說(shuō)產(chǎn)生的歷史背景

普朗克深信:自然在本質(zhì)上是統(tǒng)一的。普朗克說(shuō)，正因?yàn)樵趦?nèi)心深處對(duì)大自然的統(tǒng)一性深信不疑才“使我最初下定決心獻(xiàn)身科學(xué)并且從青年時(shí)代起醉心于它的原因”[1]。所以，當(dāng)普朗克了解到基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887)于 1859年曾經(jīng)指出在熱輻射領(lǐng)域存在一個(gè)普適函數(shù)，而這個(gè)普適函數(shù)與特定的具體物質(zhì)無(wú)關(guān)時(shí)，顯得異常興奮，因?yàn)檫@表明在輻射當(dāng)中隱含著某種絕對(duì)的東西，而對(duì)于普朗克來(lái)說(shuō)“對(duì)絕對(duì)的東西的探求是科學(xué)研究最崇高的目標(biāo)”[1]，于是，為了看到那種先定的和諧，普朗克立志去尋找像熱力學(xué)定律那樣具有普遍性的規(guī)律。

19世紀(jì)末，在解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，瑞利(Rayleigh，Johu William，1842～1919)、金斯(Hopwood Jeans，1877～1946)和維恩 (Wilhelm Wien，1864-1928）分別從經(jīng)典物理學(xué)理論的不同角度提出了兩個(gè)公式，企圖弄清黑體輻射的規(guī)律，但是和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的結(jié)果是:維恩公式只在高頻范圍與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得較好，在低頻范圍相差較大;而瑞利-金斯公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的結(jié)果則正好相反，在低頻范圍與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得較好，而在波長(zhǎng)較短的紫外區(qū)域不僅與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相去甚遠(yuǎn)，而且出現(xiàn)了黑體輻射強(qiáng)度隨著輻射頻率的增大趨于無(wú)窮的荒誕結(jié)論。這就是歷史上著名的所謂“紫外災(zāi)難”現(xiàn)象。為了調(diào)和按照經(jīng)典物理學(xué)理論導(dǎo)出的兩個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的矛盾，普朗克通過(guò)內(nèi)插法得出了一個(gè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好的新公式。為了給這個(gè)新公式找個(gè)理論根據(jù)，普朗克不得已提出了“能量子”假說(shuō)。1900年10月普朗克在《德國(guó)物理學(xué)會(huì)通報(bào)》上發(fā)表一篇題為《論維恩光譜方程的完善》的論文，首次提出了黑體輻射公式。同年12月14日，普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)的例會(huì)上作了題為《論正常光譜中的能量分布》報(bào)告。普朗克指出，為了賦予輻射公式以合理的解釋，必須假定物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的、只能一份一份地進(jìn)行，輻射頻率是ν的能量最小數(shù)值ε=hν，普朗克當(dāng)時(shí)把h叫做基本作用量子，現(xiàn)在我們稱之為普朗克常數(shù)，值約為6.626 069 3(11)× 10－34J·s， 物質(zhì)輻射能量只能是hν的整數(shù)倍。這就是普朗克的能量子假說(shuō)。

能量子假說(shuō)的提出具有劃時(shí)代的意義，它直接導(dǎo)致了量子論的誕生，并為現(xiàn)代物理學(xué)理論奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，這一偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)在最初的幾年里卻遲遲得不到人們的眷顧，甚至連普朗克本人都對(duì)此一直耿耿于懷，那么這一切是由于什么原因造成的呢?

2 經(jīng)驗(yàn)對(duì)能量子假說(shuō)抵觸的原因

科學(xué)研究是一種認(rèn)知過(guò)程。所謂認(rèn)知，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是人怎樣通過(guò)思維把一件事情搞清楚。具體到物理學(xué)研究，就是物理學(xué)家面對(duì)陌生的認(rèn)識(shí)客體，如何透過(guò)現(xiàn)象達(dá)到對(duì)事物內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其規(guī)律的把握。雖然，針對(duì)認(rèn)知過(guò)程，不同學(xué)派的心理學(xué)家有不同的解釋，但是，有一點(diǎn)是大家一致認(rèn)同的，那就是認(rèn)知最初的出發(fā)點(diǎn)均來(lái)自經(jīng)驗(yàn)，即通過(guò)眼睛、耳朵、等人的感覺器官去獲得對(duì)事物外部現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，雖然帶有一定的片面性，但這是一切知識(shí)的來(lái)源，理性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)此普朗克也表示贊同，他說(shuō):“每種認(rèn)識(shí)的開端，從而包括每門科學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。都是我們自己的感官經(jīng)驗(yàn)……它們是認(rèn)識(shí)活動(dòng)最直接的材料，它們形成一個(gè)位置最靠前且最真實(shí)的鏈環(huán)，我們能夠把科學(xué)的思想鏈條緊扣其上”。因?yàn)樵谄绽士丝磥?lái)“每一個(gè)來(lái)自研究者頭腦里的科學(xué)觀念，都是以某個(gè)具體的經(jīng)驗(yàn)、觀察或者諸如此類的事實(shí)為基礎(chǔ)”[2]。

能量子假說(shuō)提出之前，建立在宏觀經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的經(jīng)典物理學(xué)一直信奉的是連續(xù)性原則。古希臘哲學(xué)家亞里士多德 (Aristotle，公元前384～公元前322)就曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“一切量都是連續(xù)的”[3]，后來(lái)萊布尼茨(G W Leibniz，1646～1716)也發(fā)表過(guò):“自然界沒有飛躍”的觀點(diǎn)。因?yàn)樗麄兌颊J(rèn)為“自然界不容許飛躍;自然界里的一切都是以著色的方法逐漸而均勻地完成的。如果在兩個(gè)東西之間有一個(gè)空的間隔，那么從一個(gè)東西過(guò)度到另一個(gè)東西有什么基礎(chǔ)呢?”[4]這樣任何一個(gè)狀態(tài)就能用緊接在它前面的那個(gè)狀態(tài)來(lái)解釋，即一個(gè)狀態(tài)是由緊接在它前面的那個(gè)狀態(tài)決定的，從而保證了自然因果律的嚴(yán)密性。以牛頓經(jīng)典力學(xué)為框架建立起來(lái)的經(jīng)典物理學(xué)理論就是這樣的:邏輯體系嚴(yán)密、物理圖景清晰、因果關(guān)系一致。正如法國(guó)哲學(xué)家拉美特利(Julien Offroy De La Mettrie，1709～1751)說(shuō)的:“這個(gè)具有一些無(wú)形梯級(jí)的階梯是一個(gè)多么不可思議的奇觀啊!大自然在它一切形形色色的創(chuàng)造物中循序漸進(jìn)接連地通過(guò)這些階梯，從不跳過(guò)一個(gè)梯級(jí)，宇宙的景色是一幅多么令人驚異的圖畫啊!宇宙間的一切十分協(xié)調(diào)，一點(diǎn)也不刺眼;甚至從白色到黑色也是通過(guò)很長(zhǎng)一系列使它變得令人無(wú)限快慰的色彩或梯級(jí)實(shí)現(xiàn)的?！盵5]而普朗克能量子假說(shuō)的不連續(xù)性卻對(duì)此提出了挑戰(zhàn)，嚴(yán)重沖擊著物理學(xué)界長(zhǎng)期信奉的連續(xù)性原則。所以，人們承認(rèn)普朗克的公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好，但對(duì)能量子假說(shuō)卻無(wú)法接受，就連普朗克自己也對(duì)此感到惴惴不安，一直想把量子概念納入到經(jīng)典理論的軌道上來(lái)。他說(shuō):“這純粹是一個(gè)形式上的假設(shè)，我實(shí)際上并沒有對(duì)它想得太多，而只是想到，要不惜任何代價(jià)得出一個(gè)積極的成果來(lái)?！盵6]并一再告誡人們:“在將作用量子h引入理論時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能保守從事;這就是說(shuō)，除非業(yè)已表明絕對(duì)必要，否則不要改變現(xiàn)有理論”[7]?；谶@樣的認(rèn)識(shí)，量子假說(shuō)在最初提出的幾年里并沒有在物理學(xué)界引起大的反響，甚至遭到許多科學(xué)家們的懷疑乃至反對(duì)，像馬赫、龐加萊等人就明確表示反對(duì)，而洛倫茨（H A Lorentz，1853～1928）則直到 1911年還在懷疑。德國(guó)于1908年再版《自然科學(xué)與技術(shù)史手冊(cè)》時(shí)，里面列舉了1900年全世界120項(xiàng)發(fā)現(xiàn)與發(fā)明，但是唯獨(dú)沒有涉及普朗克的能量子假說(shuō)。由此可見當(dāng)時(shí)科學(xué)界對(duì)能量子假說(shuō)的反映是多么冷淡。就像馬克思·玻恩(Max Born，1882～1970)說(shuō)的那樣:“在新世紀(jì)的最初幾年，幾乎什么事情也沒有發(fā)生過(guò)。當(dāng)時(shí)正是我作學(xué)生的時(shí)候，我記得在課堂上很少提及普朗克的觀點(diǎn)。即使偶爾提到了，也是作為一個(gè)理所當(dāng)然應(yīng)當(dāng)被拋棄的曇花一現(xiàn)的假說(shuō)”[8]。

建立于經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的經(jīng)典物理學(xué)理論曾經(jīng)的輝煌，使人們與其結(jié)下了難以割舍的深厚情結(jié)。因此，當(dāng)能量子假說(shuō)帶來(lái)與經(jīng)典物理學(xué)格格不入的圖景時(shí)，就立刻引起了人們質(zhì)疑和抵觸，這是新的物理圖景與人們內(nèi)心原有的經(jīng)典物理圖景相沖突造成的反應(yīng)。從認(rèn)識(shí)論的角度，作為認(rèn)識(shí)主體的人在對(duì)事物進(jìn)行分析和推斷時(shí)，總是習(xí)慣從自己熟悉的經(jīng)驗(yàn)開始，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為“認(rèn)知是用以前儲(chǔ)存的心像來(lái)看待現(xiàn)在的事物”[9]，盡管，我們都明白把自身熟悉的認(rèn)識(shí)客體的特征，類推到那些感性直覺無(wú)法企及的對(duì)象上去不一定合理和正確，但是經(jīng)驗(yàn)作為人類認(rèn)識(shí)的起點(diǎn)，誰(shuí)也無(wú)法與之隔絕，正因如此，才使得普朗克在做出這個(gè)決定時(shí)顯得那樣地猶豫、無(wú)奈和痛苦，并且后來(lái)又進(jìn)行過(guò)兩次修改，以期彌合與經(jīng)典物理學(xué)之間的裂痕。后來(lái)經(jīng)過(guò)愛因斯坦、玻爾等物理學(xué)家們的努力和經(jīng)驗(yàn)事實(shí)對(duì)量子論的不斷確證，包括普朗克在內(nèi)的對(duì)經(jīng)典物理學(xué)懷有深厚情結(jié)的科學(xué)家們才開始轉(zhuǎn)變觀念，重新認(rèn)識(shí)能量子假說(shuō)的價(jià)值和作用。無(wú)可辯駁的事實(shí)使普朗克終于認(rèn)識(shí)到:“除了重新考慮理論的根基之外，沒有別的途徑”[11]。

3 經(jīng)驗(yàn)在理論不同發(fā)展時(shí)期的表現(xiàn)

現(xiàn)在量子化現(xiàn)象作為微觀領(lǐng)域的一種基本特性，已被我們普遍認(rèn)可和接受。因?yàn)殡S著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展和進(jìn)步，人類的經(jīng)驗(yàn)范疇也在不斷地?cái)U(kuò)大和深化，建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的“概念構(gòu)架”也在逐步更新和拓展。這樣就使得原來(lái)看上去遠(yuǎn)離經(jīng)驗(yàn)的、抽象的、難以理解的東西慢慢具體化了，甚至就成了我們經(jīng)驗(yàn)的一部分，譬如，我們對(duì)愛因斯坦相對(duì)論的認(rèn)識(shí)就是如此，原來(lái)那種抽象的、令人不可思議的相對(duì)時(shí)空觀，隨著時(shí)間的推移和經(jīng)驗(yàn)對(duì)理論的不斷確證，在感覺上開始慢慢地具體化了，現(xiàn)在我們?cè)偃徱曄鄬?duì)時(shí)空觀，就覺得是那樣地可感可知。一般說(shuō)，在科學(xué)革命時(shí)期，經(jīng)驗(yàn)往往對(duì)新理論的發(fā)展表現(xiàn)出的是排斥和抵制，因?yàn)檫@時(shí)正是新舊科學(xué)理論圖景更替時(shí)期，新理論的“概念構(gòu)架”還沒有建立起來(lái)，而“概念構(gòu)架”是以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的;而在科學(xué)的常規(guī)發(fā)展時(shí)期，由于科學(xué)理論是處在原有“概念構(gòu)架”內(nèi)的不斷豐富和完善過(guò)程，因此多大會(huì)受到經(jīng)驗(yàn)的支持和促進(jìn)。

如果從科學(xué)審美的角度出發(fā)，按照英國(guó)科學(xué)理論家麥卡里斯特(James W.McAllister)的觀點(diǎn):“一個(gè)革命理論的接受過(guò)程可以分為三個(gè)階段:在第一階段，該理論遭到反對(duì)，因?yàn)樗男碌膶徝佬再|(zhì)與共同體的規(guī)范沖突;在第二階段，盡管有反對(duì)，當(dāng)該理論表現(xiàn)出比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更大的經(jīng)驗(yàn)成功;在第三階段，該新理論積累的經(jīng)驗(yàn)成功明確充分，使得共同體大部分成員——開始接納該新理論”[11]。因?yàn)榭茖W(xué)家賦予科學(xué)理論審美性質(zhì)的權(quán)重是隨著科學(xué)理論的經(jīng)驗(yàn)效績(jī)的增加而增加的。

當(dāng)然，無(wú)論經(jīng)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展當(dāng)中表現(xiàn)如何，它始終和我們相伴，這不僅因?yàn)榭茖W(xué)理論最終要接受經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)，更重要的是因?yàn)?“在任何一個(gè)認(rèn)識(shí)領(lǐng)域中，真正的創(chuàng)造性思維活動(dòng)都是通過(guò)‘意象’進(jìn)行的”[12]而意象離不開經(jīng)驗(yàn)的提示和啟發(fā)。

[1]黃炳線.普朗克修改能量子假說(shuō)原因探析[J].自然辯證法通訊，2010，32(5):48-53.

[2]黃炳線，孟建偉.感覺世界·物理世界·實(shí)在世界[J].自然辯證法研究，2009，25(4):9-13.

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[7]（美）科恩.科學(xué)中的革命[M].魯旭東譯.北京:商務(wù)印書館，1999:528.

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[11](美)魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ?視覺思維——審美直覺心理學(xué)[M].北京:光明日?qǐng)?bào)出版社，1986:37.