“我現在做的事情，要麼毫無意義，要麼可能成為牛頓以後物理學上最大的發現。”
——馬克斯•普朗克
量子概念的提出
1900年12月14日，普朗克在德國物理學會宣讀了一篇註定要永載史冊的論文，在這篇論文中，普朗克提出了一個大膽的假設，即物質輻射的能量E是不連續的，物質輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位hv的整數倍，即量子假說。普朗克將這一能量最小單位hv定義為能量子（簡稱“量子”）。這一天成了量子論的誕生日。
日常經驗告訴我們，物體的運動是連續的，物體性質的變化也是連續的，即所有物質的性質如大小、重量、能量等都可以無限細分下去，永不斷絕。然而，到了原子以下的世界，普朗克認識到，事情變得不一樣了，物質的能量是不連續的，變成了不可分割而可以分立的能量子（後來的研究發現粒子的自旋也是不連續的）。
在當時，這真是一個令人瞠目結舌的發現，就連發現者本人——普朗克對它的接受也是非常勉強的。
量子假說的提出與19世紀90年代人們在研究黑體輻射問題時遭遇著名的所謂“紫外災難”有關。1859年羅伯特•基爾霍夫提出了研究熱輻射問題的理想模型——黑體。所謂黑體是指將入射的電磁波全部吸收，既沒有反射，也沒有透射的物體。黑體輻射出的能譜與黑體的形狀或大小無關，只與黑體的溫度有關。自然界中不存在真正的黑體，但在某些條件下我們可以找到近似於黑體的物體。當時，人們通過對黑體輻射的研究總結出了若干經驗定律。但使用這些公式將推導出：波長越短，熱輻射強度越大，並且隨著波長的縮短，輻射強度將無止境地增大。這些公式因在波長較短的紫外區的推導中出現瞭如此荒謬的結論，故被稱為“紫外災難”；由於這些公式是完全根據經典物理學推導出來的，因此，“紫外災難”實際上也是整個經典物理學的“災難”。
普朗克在研究這個問題的過程中發現，必須假設在光波的發射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續的，物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量，即能量可以劃分成n個相等的小份，每個小份叫能量子，這樣才能消除經典物理學中的“紫外災難”，普朗克並提出了普朗克方程：E = hv，其中E是輻射光波的能量，v是輻射光波的頻率，h是普朗克常數。
雖然普朗克的公式同實驗數據吻合得很好，但當他試圖用經典理論來解釋這個公式時卻遭遇到了前所未有的困難。普朗克認為這個公式必能從某些理論中推導出來，為此，他嘗試了經典物理學的所有理論和方法，但都以失敗而告終。此時，普朗克面臨著一個兩難選擇：要麼相信其他研究者的理論，對實驗數據持有一種審慎的態度；要麼放棄理論，完全尊重實驗數據。作為一個受過良好科學訓練和有著深厚科學素養的優秀科學家，普朗克毫不猶豫地選擇了後者。然而他似乎從來就沒有設想過，他的選擇將會給他個人，給全世界的科學界帶來什麼樣的影響。
他提出了一個大膽的假設，即能量的量子化概念。然而這個概念卻把他深深地帶入了矛盾的泥沼之中。
“完美”的經典理論
19世紀後半葉，經典物理學在解決我們日常生活中所遇到的問題方面所獲得的巨大成功，幾乎使人們認為這個世界再沒有什麼理論需要提出了，科學已經走到了它的頂峰和盡頭。普朗克在慕尼黑大學的一位老師就曾苦口婆心地告誡普朗克，不要再研究科學了，這一行當裡已經沒有任何發現的機會留給年輕人了。
自從17世紀牛頓力學建立後，自然過程連續性的觀念在物理學中已經根深蒂固，經典物理學一向認為能量是連續的。萊布尼茲曾經說過：“自然界無跳躍。”19世紀，麥克斯韋電磁場理論的建立更使這一觀念深入人心。
在這種時代背景下，能量分立性思想的提出，無異於從根基上撼動經典物理大廈的基石。當人們從內心深處完全接受了某一觀念，並習慣於用這一觀念去看待周圍一切事物的時候，人們是很難再接受另一種與之相左的觀念的，這就是人類的認識慣性。不僅普通人如此，就連最傑出的科學家也不例外。量子力學的開拓者們在此後所遭逢的一系列反對浪潮，以及在這些開拓者內部進行的長時間激烈的學術論戰都不能排除人的認識本性方面的原因。
19世紀那些傑出科學家也不能免俗。雖然“紫外災難”的出現已經表明了經典理論的侷限性。但由於這個理論與經典理論是如此之格格不入，當時物理學界對它的反映是極為冷淡的。人們接受普朗克的公式，但不接受據此公式推導出的能量子假說。
1908年普朗克首次被提名諾貝爾獎，但是他的提名很快被否決，因為普朗克方程竟然告訴我們，能量是不連續的。雖然普朗克的量子假說，仍然是以麥克斯韋的電磁場理論為基礎的，還不是真正意義上的量子假說。
反抗自己的“革命者”
普朗克公式中隱含的思想將影響整個20世紀的科學發展，當時的科學家甚至包括普朗克本人，可能已經隱隱約約地感受到了什麼，但他們不願意打開瓶子，將這個對抗經典理論的“魔鬼”放出來。人們更傾向於認為量子的假設只是一種數學抽象，與真實的世界沒有任何關係。
雖然被年輕激進的量子力學家們尊為“量子力學之父”，然而，普朗克似乎很不情願接受這個稱號。
雖然早在1900年就提出了能量子的概念，但在此之後，普朗克對量子力學不僅再沒有做出什麼突出的貢獻，甚至恰恰相反，他成為了量子力學的堅定反對者。普朗克不願意接受他的理論所告訴他的事實。正如他的同事詹姆斯•法朗克事後的回憶，“普朗克是一位勇敢地反抗自己意願的革命者。”在20世紀頭20年量子力學最迅猛發展的年代裡，普朗克退到了舞臺的後面，真正領盡風騷的是愛因斯坦、薛定諤、狄拉克等一大批年輕科學家。普朗克受過嚴格的經典物理學訓練，對經典物理學有著割捨不開的深厚感情，因而他對自己的發現長期惴惴不安。他曾說：“經典理論給了我們這麼多有用的東西，因此必須以最大的謹慎對待它，維護它。”在提出能量子概念後，普朗克整整徘徊了14年。多年來他千方百計地試圖在純粹經典物理學的基礎上理解黑體輻射現象，一心一意要取消量子假說，維護經典理論，這種徒勞無益的做法持續了許多年。最終，他試圖用經典理論解釋黑體輻射時所遭逢的一系列失敗，以及之後量子力學的迅猛發展，使他終於相信了量子假說的正確性。
真正的科學家
誠如海森堡所指出的那樣：“普朗克由於在整個世界觀上是保守的，他根本就不喜歡這個結果……”然而不論從何種意義上來說，普朗克都不愧是一位真正的科學家。
還在大學時代，年輕的普朗克就不顧前輩科學家的告誡，堅持開展當時大家都不看好的熱力學研究，並不理會熱力學研究出不了名氣的公認看法。在他看來，科學研究就是為了探索世界的本質，而與個人名利無關。
由於其崇高的學術威望和正直敦厚的人格魅力，德國和歐洲科學界都自願將其奉為學界泰斗。他善於發現人才，提攜後進，愛因斯坦就是他大力引薦給科學界的一顆璀璨明星。他為人是這樣的謙和、平易近人，以至於在他應邀去某所大學授課，找不到教室時，人們只把他看成是一個急於聆聽普朗克教授講座的焦急萬分的學生。
在第一次世界大戰時，普朗克和其他德國科學家一起，在不明真相的情況下，在一份支持德國侵略行徑的聲明上籤了名，但當普朗克意識到自己的錯誤和所帶來的影響後，他勇敢地站出來發表公開聲明，誠懇地承認自己的錯誤，為德國科學界挽回影響，戰後又為恢復德國科學界在世界科學界的地位而不停地奔走呼籲，正是普朗克，首先提出了科學無國界的概念。
二戰期間，普朗克又不畏納粹分子的淫威，忍辱負重，巧妙地與希特勒進行周旋，保護並掩護了一大批猶太科學家，併為愛因斯坦的名譽據理力爭。
即便他在量子力學方面前後不一致的表現，也是普朗克深厚科學素養的集中體現——一切以實驗事實為基準。正因為如此，他才能提出能量分立的概念；也正是因為如此，在事實尚未完全清楚的情況下，他才沒有貿然否定經典物理學；同樣的原因，為了解開心中的疑惑，他不斷地用經典物理學驗證自己的理論，當所有的方法都失敗後，他才接受量子力學。
馬克斯·普朗克（右）
作者簡介：許秀華，資深科技記者，本雜誌編輯部主任，中國科普作家協會會員，中國生物工程學會會員。出版過《愛妻寶貝健康錄》《超級農業》《盧良恕院士傳》等多部科普著作。並以《轉基因，給世界多一個選擇》獲得2014年全國優秀科普作品獎。
本文刊登在《今日科苑》雜誌2016年1月刊《往事》欄目。
《今日科苑》是由中國科學技術協會主管、中國老科技工作者協會主辦的國家級綜合性、社會性科技期刊。致力於發揮老科技工作者培養青年科技工作者的作用，搭建老科技工作者與青年科技工作者聯繫溝通的平臺、老科技工作者向青年科技工作者傳授做人做事做科研經驗的平臺、老科技工作者培養扶持青年科技工作者成長成才的平臺。
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