经验对普朗克能量子假说的影响

吕仕儒，李 海，高 海

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009)

对于自然科学来说1900年无疑是一个崭新的开端。这一年，代表科学界最高荣誉的诺贝尔奖开始颁发;同年，希尔伯特 (Hilbert David，1862～1943)在国际数学家大会上提出了著名的 23个问题，为新的世纪勾勒出了一幅壮丽辉煌的科学画卷;最重要的是在这一年，M·普朗克 (Max Plank，1858～1947)提出了能量子假说，标志着人类社会跨入了辉煌的量子时代。然而，从1900年到1918年普朗克因此获得诺贝尔物理学奖，之间的跨度整整长达18年之久，是什么原因导致了这一掀起物理学乃至整个自然科学革命的科学理论，迟迟得不到人们的认可和青睐。因素可能很多，但是，其中的重要因素之一，是由于能量子假说的物理图景与建立于经验基础之上的经典物理学图景格格不入造成的。

1 能量子假说产生的历史背景

普朗克深信:自然在本质上是统一的。普朗克说，正因为在内心深处对大自然的统一性深信不疑才“使我最初下定决心献身科学并且从青年时代起醉心于它的原因”[1]。所以，当普朗克了解到基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887)于 1859年曾经指出在热辐射领域存在一个普适函数，而这个普适函数与特定的具体物质无关时，显得异常兴奋，因为这表明在辐射当中隐含着某种绝对的东西，而对于普朗克来说“对绝对的东西的探求是科学研究最崇高的目标”[1]，于是，为了看到那种先定的和谐，普朗克立志去寻找像热力学定律那样具有普遍性的规律。

19世纪末，在解释黑体辐射实验过程中，瑞利(Rayleigh，Johu William，1842～1919)、金斯(Hopwood Jeans，1877～1946)和维恩 (Wilhelm Wien，1864-1928）分别从经典物理学理论的不同角度提出了两个公式，企图弄清黑体辐射的规律，但是和实验数据对比的结果是:维恩公式只在高频范围与实验数据符合得较好，在低频范围相差较大;而瑞利-金斯公式和实验数据对比的结果则正好相反，在低频范围与实验数据符合得较好，而在波长较短的紫外区域不仅与实验数据相去甚远，而且出现了黑体辐射强度随着辐射频率的增大趋于无穷的荒诞结论。这就是历史上著名的所谓“紫外灾难”现象。为了调和按照经典物理学理论导出的两个公式与实验数据之间的矛盾，普朗克通过内插法得出了一个和实验数据吻合得很好的新公式。为了给这个新公式找个理论根据，普朗克不得已提出了“能量子”假说。1900年10月普朗克在《德国物理学会通报》上发表一篇题为《论维恩光谱方程的完善》的论文，首次提出了黑体辐射公式。同年12月14日，普朗克在德国物理学会的例会上作了题为《论正常光谱中的能量分布》报告。普朗克指出，为了赋予辐射公式以合理的解释，必须假定物质辐射的能量是不连续的、只能一份一份地进行，辐射频率是ν的能量最小数值ε=hν，普朗克当时把h叫做基本作用量子，现在我们称之为普朗克常数，值约为6.626 069 3(11)× 10－34J·s， 物质辐射能量只能是hν的整数倍。这就是普朗克的能量子假说。

能量子假说的提出具有划时代的意义，它直接导致了量子论的诞生，并为现代物理学理论奠定了坚实的基础。然而，这一伟大的科学发现在最初的几年里却迟迟得不到人们的眷顾，甚至连普朗克本人都对此一直耿耿于怀，那么这一切是由于什么原因造成的呢?

2 经验对能量子假说抵触的原因

科学研究是一种认知过程。所谓认知，简单地说就是人怎样通过思维把一件事情搞清楚。具体到物理学研究，就是物理学家面对陌生的认识客体，如何透过现象达到对事物内部结构及其规律的把握。虽然，针对认知过程，不同学派的心理学家有不同的解释，但是，有一点是大家一致认同的，那就是认知最初的出发点均来自经验，即通过眼睛、耳朵、等人的感觉器官去获得对事物外部现象的认识，虽然带有一定的片面性，但这是一切知识的来源，理性认识的基础。对此普朗克也表示赞同，他说:“每种认识的开端，从而包括每门科学的出发点。都是我们自己的感官经验……它们是认识活动最直接的材料，它们形成一个位置最靠前且最真实的链环，我们能够把科学的思想链条紧扣其上”。因为在普朗克看来“每一个来自研究者头脑里的科学观念，都是以某个具体的经验、观察或者诸如此类的事实为基础”[2]。

能量子假说提出之前，建立在宏观经验基础之上的经典物理学一直信奉的是连续性原则。古希腊哲学家亚里士多德 (Aristotle，公元前384～公元前322)就曾经说过:“一切量都是连续的”[3]，后来莱布尼茨(G W Leibniz，1646～1716)也发表过:“自然界没有飞跃”的观点。因为他们都认为“自然界不容许飞跃;自然界里的一切都是以着色的方法逐渐而均匀地完成的。如果在两个东西之间有一个空的间隔，那么从一个东西过度到另一个东西有什么基础呢?”[4]这样任何一个状态就能用紧接在它前面的那个状态来解释，即一个状态是由紧接在它前面的那个状态决定的，从而保证了自然因果律的严密性。以牛顿经典力学为框架建立起来的经典物理学理论就是这样的:逻辑体系严密、物理图景清晰、因果关系一致。正如法国哲学家拉美特利(Julien Offroy De La Mettrie，1709～1751)说的:“这个具有一些无形梯级的阶梯是一个多么不可思议的奇观啊!大自然在它一切形形色色的创造物中循序渐进接连地通过这些阶梯，从不跳过一个梯级，宇宙的景色是一幅多么令人惊异的图画啊!宇宙间的一切十分协调，一点也不刺眼;甚至从白色到黑色也是通过很长一系列使它变得令人无限快慰的色彩或梯级实现的。”[5]而普朗克能量子假说的不连续性却对此提出了挑战，严重冲击着物理学界长期信奉的连续性原则。所以，人们承认普朗克的公式与实验数据符合得很好，但对能量子假说却无法接受，就连普朗克自己也对此感到惴惴不安，一直想把量子概念纳入到经典理论的轨道上来。他说:“这纯粹是一个形式上的假设，我实际上并没有对它想得太多，而只是想到，要不惜任何代价得出一个积极的成果来。”[6]并一再告诫人们:“在将作用量子h引入理论时，应当尽可能保守从事;这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有理论”[7]。基于这样的认识，量子假说在最初提出的几年里并没有在物理学界引起大的反响，甚至遭到许多科学家们的怀疑乃至反对，像马赫、庞加莱等人就明确表示反对，而洛伦茨（H A Lorentz，1853～1928）则直到 1911年还在怀疑。德国于1908年再版《自然科学与技术史手册》时，里面列举了1900年全世界120项发现与发明，但是唯独没有涉及普朗克的能量子假说。由此可见当时科学界对能量子假说的反映是多么冷淡。就像马克思·玻恩(Max Born，1882～1970)说的那样:“在新世纪的最初几年，几乎什么事情也没有发生过。当时正是我作学生的时候，我记得在课堂上很少提及普朗克的观点。即使偶尔提到了，也是作为一个理所当然应当被抛弃的昙花一现的假说”[8]。

建立于经验基础之上的经典物理学理论曾经的辉煌，使人们与其结下了难以割舍的深厚情结。因此，当能量子假说带来与经典物理学格格不入的图景时，就立刻引起了人们质疑和抵触，这是新的物理图景与人们内心原有的经典物理图景相冲突造成的反应。从认识论的角度，作为认识主体的人在对事物进行分析和推断时，总是习惯从自己熟悉的经验开始，因为人们认为“认知是用以前储存的心像来看待现在的事物”[9]，尽管，我们都明白把自身熟悉的认识客体的特征，类推到那些感性直觉无法企及的对象上去不一定合理和正确，但是经验作为人类认识的起点，谁也无法与之隔绝，正因如此，才使得普朗克在做出这个决定时显得那样地犹豫、无奈和痛苦，并且后来又进行过两次修改，以期弥合与经典物理学之间的裂痕。后来经过爱因斯坦、玻尔等物理学家们的努力和经验事实对量子论的不断确证，包括普朗克在内的对经典物理学怀有深厚情结的科学家们才开始转变观念，重新认识能量子假说的价值和作用。无可辩驳的事实使普朗克终于认识到:“除了重新考虑理论的根基之外，没有别的途径”[11]。

3 经验在理论不同发展时期的表现

现在量子化现象作为微观领域的一种基本特性，已被我们普遍认可和接受。因为随着科学技术的不断向前发展和进步，人类的经验范畴也在不断地扩大和深化，建立在经验基础之上的“概念构架”也在逐步更新和拓展。这样就使得原来看上去远离经验的、抽象的、难以理解的东西慢慢具体化了，甚至就成了我们经验的一部分，譬如，我们对爱因斯坦相对论的认识就是如此，原来那种抽象的、令人不可思议的相对时空观，随着时间的推移和经验对理论的不断确证，在感觉上开始慢慢地具体化了，现在我们再去审视相对时空观，就觉得是那样地可感可知。一般说，在科学革命时期，经验往往对新理论的发展表现出的是排斥和抵制，因为这时正是新旧科学理论图景更替时期，新理论的“概念构架”还没有建立起来，而“概念构架”是以经验为基础的;而在科学的常规发展时期，由于科学理论是处在原有“概念构架”内的不断丰富和完善过程，因此多大会受到经验的支持和促进。

如果从科学审美的角度出发，按照英国科学理论家麦卡里斯特(James W.McAllister)的观点:“一个革命理论的接受过程可以分为三个阶段:在第一阶段，该理论遭到反对，因为它的新的审美性质与共同体的规范冲突;在第二阶段，尽管有反对，当该理论表现出比竞争对手更大的经验成功;在第三阶段，该新理论积累的经验成功明确充分，使得共同体大部分成员——开始接纳该新理论”[11]。因为科学家赋予科学理论审美性质的权重是随着科学理论的经验效绩的增加而增加的。

当然，无论经验在科学发展当中表现如何，它始终和我们相伴，这不仅因为科学理论最终要接受经验的检验，更重要的是因为:“在任何一个认识领域中，真正的创造性思维活动都是通过‘意象’进行的”[12]而意象离不开经验的提示和启发。

[1]黄炳线.普朗克修改能量子假说原因探析[J].自然辩证法通讯，2010，32(5):48-53.

[2]黄炳线，孟建伟.感觉世界·物理世界·实在世界[J].自然辩证法研究，2009，25(4):9-13.

[3]（希腊）亚里士多德.物理学[M].北京:商务印书馆，1982:168.

[4]方宗熙.拉马克学说[M].北京:科学出版社，1955:16.

[5](苏)阿烈克耶夫.达尔文主义[M].北京:高等教育出版社，1956:91.

[6]刘筱莉，仲扣庄.物理学史[M].南京:南京师范大学出版社，2001:315，312.

[7]（美）科恩.科学中的革命[M].鲁旭东译.北京:商务印书馆，1999:528.

[8](美)K·C·柯尔.物理与头脑相遇的地方[M].丘宏义译.长春:长春出版社，2002:56.

[9]Max Planck.A Survey of Physical Theory[J].New York:Dover Publications，1993:51.

[10](英)詹姆斯·W·麦卡里斯特.美与科学革命[M].长春:吉林人民出版社，2000:220.

[11](美)鲁道夫·阿恩海姆.视觉思维——审美直觉心理学[M].北京:光明日报出版社，1986:37.