英译版导言马克斯·普朗克的生平介绍

英译版导言马克斯·普朗克的生平介绍

詹姆斯·墨菲[1]

1932年6月的某一天,我去阿尔伯特·爱因斯坦在卡普特的避暑别墅拜访了他,那里位于柏林西边15英里左右。我们一起喝了很久的茶,讨论了诸多话题,从政治现状到终于有人发现统一所有物理定律的简单公式的可能性。爱因斯坦的屋子高高地耸立在梯状斜坡上,俯瞰着一泓美丽的湖水。与别墅上层平齐的是一个阳台,它如同天文观测站的宽敞平台。在那上面放着一架望远镜,爱因斯坦可以用它凝望星空。当黄昏降临时,在湖面上跳跃了整日的耀眼阳光显现出醇厚的微红色泽,我们则踱步到阳台上,观赏落日,消磨时光,直到晚餐准备就绪。在室内,现实危机始终是谈话的核心议题,但是在这儿,在湖光山色和夕阳西沉的和谐自然中,我们的谈话自然而然地转向了一个更高级的主题。

马克斯·普朗克的名字,以及量子物理引发的各种哲学问题出现在我们的谈话中。对于我相对笼统的泛泛而谈,爱因斯坦总是回答:“不,你不能这么说。”而当我提出更准确的论述时,他会细想一会儿,然后说:“是的,你可以这么说。”我认为,我们都同意说,即使相对论俘获了全世界的想象力,但量子理论业已成为引发科学思想中的现代革命的更为根本的力量。

在我们讨论到这个问题的时候,我请求爱因斯坦为普朗克的一本论文集写一篇导言,该论文集将以英文出版。爱因斯坦在这个提议面前犹豫了。他说,如果是他将普朗克介绍给大众,那是一件非常冒昧的事情;因为量子理论的发现者不需要任何更黯淡的光芒来彰显他。这就是爱因斯坦对普朗克的推崇,带着一种真诚和天真,郑重其事地流露出来。

我解释说,这本书将会面向大众,而且虽然普朗克在德国家喻户晓,在全世界的科学家中也声名显赫,但是,对于以英语为母语的国家来说,他并不像相对论的创始人那么知名。爱因斯坦并不认为这是一个令人遗憾的情况。如果这种情况反过来的话,他会很高兴的。但是我的观点是,用更为人所知的一方去界定没那么有名的另一方,无论彼此客观上可能具有什么样的优点,这种做法都体现了良好的逻辑规则。他被这个论点的说服力所折服,同意写一个简短的介绍。但他坚持这一介绍的篇幅一定要短,因为任何长篇大论都会显得他自命不凡。

本文不是对爱因斯坦所写导论的扩展,它更像是一个具有纯粹客观性质的生平简介。我在这里的第一个任务是,指出正文作者在物理学的现代发展过程中所占据的位置。然后,我将尽可能简单生动地向读者们介绍马克斯·普朗克的个性、他的科学生涯,以及他在面对理论物理学在现代日常生活中所起到的一种“智性力量”的作用时,所持的态度又是什么。我还会介绍他的人生哲学,他作为一名公民和一位博学者的当代活动,并且在最后,我会介绍他在他的国人心目中的地位和声望。

这一任务的第一部分,其实最好是交给与普朗克共事的那几位科学领军人物来解决,让他们来定义他在现代科学进步的总体图景中所占的位置。

马克斯·普朗克的名字在物理学的历史中有怎样的重要性呢?这个问题或许可以这样回答:如果用一个画展来展示科学的发展过程的话,普朗克的肖像会占据这样的位置:在一条长画廊的尽头,有一个转角和一面具有宽阔空间或角度的展示墙。正是在那儿,悬挂着普朗克的肖像,他的一只手感激地挥别了经典物理学的过去,另一只手则指向一条新走廊,那里悬挂的肖像画的油墨还没有干透,分别是——爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、欧内斯特·卢瑟福、保罗·狄拉克、亚瑟·爱丁顿、詹姆斯·金斯、罗伯特·安德鲁·密立根、威尔逊、康普顿、海森堡、薛定谔等人的肖像。詹姆斯·金斯[2]在他颇受欢迎的小书《神秘的宇宙》中,这样描述普朗克的地位:[3]

“在19世纪末,我们首次有可能研究单个分子、原子和电子的行为。对于科学来说,这一世纪持续了相当长的时间,足以发现某些现象,尤其是辐射和引力,否决了所有纯粹机械主义解释的尝试。当哲学家依旧争论是否能够构造一台机器来再现牛顿的思想、巴赫的情感以及米开朗琪罗的灵感的时候,具有科学教养的普通人很快被说服去相信,人类无法建造出一台机器来重现蜡烛的光芒和苹果的坠落[4]。接着,在19世纪末的最后几个月中,柏林的马克斯·普朗克教授对某些很久未得到解释的辐射现象提出了尝试性的说明,他的说明不仅在本质上是非机械性的,而且似乎不可能与任何机械主义的思路联系起来。因此,他的理论被批评、攻击,甚至被嘲笑。但它最终被证明是绝妙的成功理论,并最终发展成为现代‘量子理论’,成为现代物理学中统治性的原理之一。而且,尽管这在当时并不明显,但普朗克的理论标志着科学中机械主义时代的结束,开启了新的纪元。”

另一位英国科学家,卢瑟福勋爵[5],对他的德国同事普朗克进行了如下的评价:

“普朗克这个名字在所有国家的科研工作者中都是耳熟能详的,大家都一致钦佩普朗克对于物理学巨大而持久的贡献。

“当量子理论成功地应用于如此多的科学领域中时,现在人们已经很难意识到,在三十年前,量子理论关于辐射的新构想,对于许多科学家而言是多么的陌生甚至不可思议。一开始,大家很难取得任何有说服力的证据来证明这一理论及其推论的正确性。关于这方面,我可以提到我和盖革教授[6]在1908年所做的实验[7]。我赞同普朗克所推断出的e(e是基本电荷,它的值体现在静电单位中)的存在,因此我成为‘量子’这个概念的早期支持者。因此,我能够冷静地看待当时的情况,甚至鼓励玻尔教授[8]去大胆应用普朗克提出的量子理论。”[9]

著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔,是这样评价普朗克的成就的重要性的:

“在科学史上,很少有其他发现能够像普朗克所发现的量子理论一样,在我们这一代人的短暂生命中,就产生如此非凡的影响。这一成果持续加速地发展,它还提供了理论工具,以解释和协调关于原子现象的研究中所获得的结果;而这一研究在过去三十年间取得了惊人的进展。但是量子理论做的远不止于此,它为对于自然现象的科学解释带来了彻底的革命。这一革命源于马克斯·普朗克关于空腔辐射[10]的开创性研究,在理论上是一次直接的进步。在过去的三十年间,这些理论和概念得到了发展和扩充,成为我们现在称为‘量子物理学’的详尽的科学阐述。在量子物理学的框架上形成的宇宙图景,必须被看作一种与经典物理学无关的理论普遍化,与经典物理学相比,它的构思更具美感,它的逻辑也更加和谐。

“我应当特意提醒大家注意到这一新知识所带来的影响。它不仅在经典科学的领域里打破了我们的固有观念,也在日常生活的领域里打破了我们的固有思维方式。正是因为我们从继承而来的传统思维中解放了出来,我们过去的一代人,才得以在对于自然现象的认识上取得如此伟大的进步。这种进步甚至超出了几年前人们所抱有的最高期望。物理学的现状可以用以下陈述得到最好的表达:在实验性研究中产生的丰硕成果,都自然地融合为一个和谐的整体,却并没有失去它们的特点。量子理论的开创者把引发这些结果的方法交到我们手中,普朗克值得他的同事们致以毫无保留的感激!”[11]

还有一个人的名字足够被增添进赞扬普朗克的杰出人物的名单上,它就是莱比锡的物理学家——海森堡教授[12]。他是当前流行的不确定性理论的创立者。海森堡这样写道:

“1900年,马克斯·普朗克发表了以下声明:热辐射并不是一种连续的流,也不是无限可分的。它必须被定义为由彼此相似的单元所组成的一种不连续的物质。

“当时他几乎不可能预见,在不到30年的时间里,这个完全违背迄今为止所有已知物理学原理的理论,会发展成一种原子结构学说,这一学说在科学的综合性和数学的简明性上,一点也不比理论物理学的经典图式逊色。”[13]

现在,让我们来看一看马克斯·普朗克本人的故事。他于1858年4月23日出生于德国基尔。他的父亲是大学的宪法学教授,后来以同样的身份被调到慕尼黑。他的父亲是普鲁士法典的合著者之一,通过这一重要工作,他父亲的名字也因此为人所知。人们常说,他从他父亲身上继承到了某些特定的品质,特别是那种判断能力:筛选实验证据,识别出重要的部分,剔除无意义的部分,以及探测在相对表象下掩藏的绝对价值。同时,他在构造数学综合时拥有建设性的清晰思维。或许他从早年的家庭环境中所获得的最显著的品质,体现在他对待物理学的态度上:他将物理学看作人类文化的分支,与其他人类文化分支相结合,组成了不可分割的一部分,物理学不仅在物质层面上,而且在更深刻的精神层面上影响着人类命运。

马克斯·普朗克在17岁进入了慕尼黑大学,主修物理。三年后,他去柏林大学完成他的课程。就在那时,亥姆霍兹[14]和基尔霍夫[15]是普鲁士首都最明亮的科学之光。基尔霍夫是柏林大学的物理学教授,普朗克年轻时就师从于他。普朗克也参加了亥姆霍兹和魏尔施特拉斯[16]的课程。他始终认定基尔霍夫是自己对热力学特别是热力学第二定律产生浓厚兴趣的原因。正是在这个研究方向上,普朗克撰写了自己的博士论文,一年后,也就是1879年,他在慕尼黑大学发表了这一论文,并以优异的成绩获得了博士学位。论文的名字是《论热力学的第二定律》。也许我在这里应该解释一下,在使学生有资格获得学位方面,德国的所有大学可以被看作同一所大学。一个学生可以在一所学校上课,也可以去另一所学校上课。所以,如果他希望跟从某条特殊的研究路径,而在远离家乡的某所大学中恰有一位该领域很著名的教授,他就可以去那所学校上课。而且如果他愿意的话,他可以挨个参加所有著名教授的课程,从一所学校到另一所学校进行巡回学习。他学习的所有课程都是有效的,就像是他一直在同一所大学里读书一样。

马克斯·普朗克获得博士学位之后,他成了慕尼黑大学的私人讲师。私人讲师虽是大学讲师,但只有酬金,没有薪水。1885年,普朗克被任命为基尔大学的物理学教授,不久,1889年,他来到柏林大学并成为了非常任教授[17]。1892年,作为基尔霍夫的继任者,他被任命为柏林大学的正式教授。1912年,他成了普鲁士科学院的常务秘书。1919年,他获得了诺贝尔物理学奖。1926年,他成了荣誉退休教授,薛定谔[18]接替了他在柏林大学的理论物理学教座。1930年,阿道夫·冯·哈纳克[19]去世,马克斯·普朗克当选为威廉皇家科学促进会主席,这是德国最高的学术职位。

起先是什么令普朗克走上量子研究的道路的?这是一个过于漫长的故事,把它讲出来,将会涉及19世纪末的研究者们为解决“热辐射的光谱之谜”所做出的各种尝试。由于这一表述或许无法向一般读者传达非常清楚的理念,所以我不妨解释一下。

每个人都熟悉太阳光谱:白光穿过棱镜时被分解,在屏幕上产生一组从红色到紫色连续延展的彩色光谱。牛顿[20]是第一个用科学方式研究这一现象的人,它引导出了光的本质这一重要问题。在热辐射的例子中,我们也得到了与之相对应的现象。威廉·赫歇尔[21]首次证明了太阳光谱不局限于人眼可见的红色到紫色部分。1800年,他发现了阳光中包含红外线。通过对太阳光中前后相继的色光使用温度计测量,他发现了在太阳光谱中热量的分布不是均匀的,在红光之外的热量是最高的。但这种不均等性却一直没有引起人们的怀疑。

而现在,这已经成为一种日常经验:当一个物体被适度加热时,它会产生一种不可见的辐射。这种辐射的波动频率太低,无法被眼睛看到。比如一块铁片,当它的温度逐渐升高时,有人会认为我们首先会看到紫色光,因为紫光有着刺激视觉产生所需的最小波长。但事实并非如此。铁片发出的光最初是暗红色,然后变成亮红色,最后变成强烈的白光。现在问题在于,不同频率的光的强度是如何随着温度升高而变化的?这就是不同温度下辐射的光谱分布问题,也是马克斯·普朗克在他二十年间的工作生涯中致力于解决的问题。当他在斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院接受诺贝尔奖时,他在发表的演讲中说道:

“回顾过去二十年,物理学的作用量子的理念以及对作用量子的测定,从大量的实验事实中以确定的样态首次显露出来。再回首更遥远的过去,我们走过了漫长的迷宫一般的道路,最终才获得了这一发现。我可以生动地回想起歌德说过的话:只要追求某件事情,人类就总是会犯错误。在这一场漫长而艰难的斗争中,研究者们可能会一次又一次地被引诱着去把他的努力当作是徒劳无功的而放弃掉,除非每一次都不时会出现一道光芒照亮他的道路。这光芒为他提供了无可辩驳的证明:即使他又一次错误地选择了一条次要的小路,但是他至少朝着他所追寻的真理前进了一步。对于研究者来说,对一个目标的坚定追求是不可或缺的,这个目标会一直照亮他的道路,尽管它可能因起初的失败而黯然失色。”

“很久以来我的头脑所面对的目标,是解决辐射热在匀排光谱中的能量分布问题。基尔霍夫已经证明,热辐射的本质完全独立于辐射体的特征。这表明存在一个普遍的函数,它一定只和温度及波长相关,而与相应物质的性质毫不相关。如果能够发现这个意义非凡的函数,它可能会为我们提供对于能量与温度之间关系的更深刻理解。而能量和温度的关系问题构成了热力学的主要问题,从而也成为作为整体的分子物理学的主要问题。在当时,并没有任何一种方法表明自己能够发现这一函数。我们只能从自然界里的各种物体中找到某些特定物体,在已知这些特定物体发射和吸收热量能力的情况下,在其温度交换达到静止的状态下,计算它的热辐射。根据基尔霍夫的理论,这个值一定与物体本身的性质无关。”

然后,他以谦逊而中立的方式,追寻着这条他所跟随的崎岖道路。在路上他滑倒过,沮丧过,但始终怀着不懈的努力和必胜的决心。最终,在经过二十年的漫长路途后,他达到了自己的目标。

普朗克在1900年12月14日与德国物理学会的一次通信中,首次提交了他的发现。他文章的题目是《关于能量在匀排光谱中的分布》。之前提到的那个函数,在这篇文章中以测量辐射能的公式的形式出现。普朗克针对“空腔辐射”开展了实验。这是指,他把一个中空的物体加热到白炽,让一束辐射从物体上的一个小开口发射出来,并在分光镜中对这束辐射进行分析。利用这种方法,他发现了辐射能量并不是一种连续的流。它以整数量,或者说量子的形式发射,而量子则可以用整数表示。换言之,测量结果永远是hv的整数倍,其中v是频率,而h是现在以“普朗克常数”命名的一个普遍常数。普朗克最伟大的技巧上的成功,就是推断出这个常数的值为6.55×10-34J·s[22]。除非达到了这个值或是它的整数倍,否则没有辐射可以发射出去。换言之,在我们的火炉积累到这个数值的能量之前,它都无法给我们带来任何热量。而且,在它积累到另一个整数倍的能量(正好是之前数值的2倍)之前,它的热辐射也都不会增加。所以我们会得到2hv、3hv和4hv的结果,但是我们不会得到hv的任何分数部分。这包含了一种革命性的热辐射概念,而且这个概念最后被表明可以扩展到所有辐射形式上,且最终扩展到了原子本身的内在结构上。

人们很快就清楚了,普朗克所带来的不仅是能够解释热辐射光谱谜团的东西,而实际上对各个领域都存在根本的影响。在他的理论被逐渐应用于各个研究方向之后,这一点得到了证明。在量子理论公布的几年间,爱因斯坦应用它来解释光的构成,并且发现,光与热辐射都按照同样的过程,以一小份、一小份或者说几个量子、几个量子的形式发射,这些量子就被称为光子。各国物理学家都开始实践着“量子化”技术,并取得了非常惊人的成果。荷兰科学家洛伦兹[23]于1925年是这样描述这种情况的:

“到目前为止,我们已经发现这一常数(普朗克常数h)不仅在解释辐射强度及使得辐射强度呈现出最大值的对应波长的问题上[24]起到了基础性的作用,而且也解释了许多由它所决定的物理量在其他情况下所存在的定量关系。我举几个例子,比如,固体的比热容、光的光化学效应、原子中的电子的轨道、光谱线的波长、电子在给定速度下撞击产生的伦琴射线的频率、气体分子旋转的速度以及组成晶体的粒子之间的距离等。毫不夸张地说,在如今的自然图景中,是量子让物质结合在一起,防止它们因辐射而彻底失去能量。我们可以确信,在这里处理的是实际存在的关系,因为从不同情况中所得出的h的值总是一致的。而且这些数值和普朗克在二十五年前从可用的实验数据中所计算出的数值相差无几。”[25]

我在这里并不是要试图解释科学层面的量子力学。读者们可以从许多关于现代物理的书籍中,找到有关普朗克革命性理论的一些流行解释——其中有一些可能过于流行了。我的任务则是要指出这本书中所涉及的材料的来源,并且设法解释为什么在处理当代科学在哲学方面的某些问题时,普朗克认为他必须坚持自己的主张。这里的文章大多数是关于实证主义、决定论和自由意志的讨论,它们都处于纯粹物理学的范围之外。那么,为什么这位德国物理学界的元老级人物觉得自己义不容辞地要采取如此坚定的立场呢?

那段时间产生了大量的关于量子力学所带来的哲学影响的文章,一些物理学家宣称,量子理论的发展导致了作为科学研究公理之一的因果关系原理的颠覆。詹姆斯·金斯对这一方面是这样描述的:

“爱因斯坦在1917年表示,由普朗克所创建的理论,至少乍一看来,带来了远比不连续性更具革命性的结果。这一理论似乎把因果律从其向来所维持的对于自然进程的指导地位上赶了下来。旧科学曾经自信地宣称,自然只会沿着一条道路走下去,而这条路在时间的开端被规划好,通过一条连续的因果链(状态B一定会接着状态A发生),走向时间的终点。但新科学只能说,状态A后面可能会跟着状态B、状态C、状态D或数不清的其他状态。它确实可以说状态B会比状态C更可能发生,状态C比状态D更可能发生,等等。它甚至可以指出状态B、状态C、状态D的相对发生概率。但因为它仅能从概率方面加以讨论,不能准确地预测出哪个状态会跟随着哪个状态。这种事只有神明才能掌握——无论存在着什么样的神明。”[26]

詹姆斯·金斯进一步指出:

“或者,再打一个比方,就像是宇宙的‘关节’以某种方式松动了,好像是它的机械装置里出现了一定数量的‘间隙’,就像是我们在破旧的引擎中发现的。然而,这种比喻并不是在误导大家,认为宇宙在某种程度上是破旧的或不完美的。在一个老旧的或磨损了的引擎中,不同部位的‘间隙’或‘关节松动’的程度是不同的。在自然界中,这一程度则是以一个神秘的数值‘普朗克常数h’来衡量的,它被证明在宇宙的各个位置都是绝对一致的。其数值,无论在实验室中还是在恒星中,都可以用数不清的方法来测量,而且结果都是完全相同的。然而,无论是何种类型的‘关节松动’,它遍布整个宇宙的这一事实,就已经摧毁了对于绝对严格的因果关系的辩护,而这种因果关系是完美组装的机械装置的特征。”[27]

詹姆斯·金斯的主张表明了在现代物理学家中相当普遍的态度。但这是普朗克所坚决反对的一种态度。从科学的角度考虑,这种态度还是不成熟的;从逻辑的角度考虑,这是在为得出一个影响甚广的结论而跳过了太多的步骤。普朗克和爱因斯坦都声称,现代物理学中崩溃的并不是因果理论本身,而只是对于它的传统表述。因果原理是一回事,亚里士多德、经院哲学家、牛顿和康德对因果原理的表述则是另一回事。无论是在心灵的领域还是在物质的领域,传统的表述方式在应用于自然界事件时都被认为太过粗糙简略。这个观点将会在本书所附的讨论中得到更加细致的考察。在这里,最让人感兴趣的是,为什么普朗克认为因果争议是如此重要的,以至于他花费了相当长的时间——而且他是一个非常忙的人——在这方面举办讲座,撰写文章。他为什么在这一方面如此坚持自己的主张?不可能是因为他是传统权威的拥护者;因为事实上,他引领了现代科学中最大的革命。所以,我们必须在其他方向上寻找答案。

目前,物理学存在着一股公共兴趣的浪潮,没有衰退的迹象。这无疑是出于这样一个事实,即物理学是当今人类高级活动中最生机勃勃的学科。不仅如此,理论物理中高级思辨的形而上学内容,似乎是人们在满足灵魂渴求时最喜爱的现代精神食粮,而这种渴求从前是被艺术和宗教的理想所安抚的。从许多角度来看,这可能是一件幸运的事情。但从其他角度来看,特别是从科学的角度来看,这也可能是一件不幸的事情。埃尔温·薛定谔于1932年发表了一篇绝妙的文章(《自然科学是受环境限制的吗》)。在这篇文章中,他暗示物理学已经沦为“时代精神”的受害者。今天,“颠覆的欲望”即对于某种彻底不同于现存秩序的事物的需求,是我们文明的一个普遍特征。传统的权威是一种缺陷,而不是迄今为止在艺术、音乐甚至政治和商业方面占主导地位的原则和方法所提供的建议。我们发现这种“贬损”同样影响了科学思想的发展。当爱因斯坦公布他的相对论时,人们对它产生的热情,在很大程度上与它所建构的彻底颠覆了牛顿学说的印象有关。然而事实上,相对论是牛顿物理学的扩展与完善。因此,当海森堡公布他的不确定性原理时,很快就有人(甚至有的还是物理学家)把它理解成一定会引起对因果关系原理的推翻。事实上,我们没有任何方法证明或否定在外部世界中,存在因果关系。海森堡在阐述不确定性原理时,他心中的目标是找到一种规则,让我们能够处理自然现象中极微小的过程,比如那些涉及基本作用量子的过程。其中,因果原理并不适用。这个原理的意思是,我们无法同时估算一个粒子在时空中的位置和速度,因此,也无法确定在稍后某一时刻它会出现在哪个位置。但这并不意味着因果顺序事实上没有得到客观的验证,它意味着我们无法检测到它是如何运行的。因为,从目前的情形来看,我们的研究工具和思想装备不足以完成这项任务。实际上,不确定性原理是一项可供选择的工作假说[28],它取代了量子物理学中严格的因果方法。但海森堡本人则是第一批反对将他的不确定性原理解释成等同于否定因果原理的人之一。

那么,为什么这个仓促的结论如此受欢迎呢?可能出于两个原因。第一个原因是时代精神,这个时代的精神不希望被看做是旧秩序的继承者,而希望自己不受一切由传统权威所传承下来的律法的束缚。第二个原因是现代生活的标准化,及其所带来的大规模生产、冲击巨大的推销、广告和运输业、大规模住房和保险项目,等等,形成了一套统计规则体系,它在考虑大量的事件时是适用的,但是在单个事件上却并不适用。人们将它称为统计学因果性原理。物理学家已将其带入他们的科学中,并常把它说成是经典意义上的严格因果关系的对立面。他们认为统计学因果关系和动力学因果关系是相对立的。但是,事实上,统计学因果性,甚至各种所谓的概率定律,都是基于那些处理单个情况的严格因果关系的前提的。根据保险公司的统计学因果性原理,在一年中,某个年龄段、某个职业中的数千人会因为某种特定疾病去世。正是在这些统计数据的基础上,保险政策才得以被制定出来。但是这些统计数据与单个投保人的实际死因之间并没有什么关系可言。

现在,任何一个对自己心仪的艺术或科学感兴趣的人,都会致力于保护它免于被那些不相干的原则和方法所干扰。这正是普朗克在物理学方面的立场。如果我们生活在一个从旧的政治和社会传统中脱离的时代,这从根本上是因为旧的传统无法适应改变后的经济秩序,因此也不适应我们所生活的社会秩序。但是,科学研究一定要独立于变化无常的人类生存环境来进行。当然,公众的思想自然而然会转向人类最生气勃勃的精神文化分支,即自然科学,并在其中寻求一种普遍的世界观。但是,这一事实本身,尽管对个别科学家来说可能是可喜的,却危及了相关科学的完整性。

正是从这一点出发,普朗克对因果关系争论产生了兴趣。我们也正是从这一点出发来看待他对实证主义论题的态度。物理学的过度大众化,可能会诱导一些科学家仓促地建立一些理论结构,使公众的思想能够找到一个合适的用来敬畏和惊奇的对象,并在某种意义上去崇拜这个对象。而这种对象在过去是由宗教的奥秘所提供的。这一说法也许可以解释现代理论科学的这一阶段,这个阶段在某种程度上类似于古希腊哲学所退化到的诡辩阶段,而经院哲学运动衰退时同样以诡辩阶段为特征。正是后一个衰落,促进了洛克时代的英国经验主义学派的创立,目的是重建哲学思想的可靠基础。在现今物理学中,我们瞄准相似的目的,进行着一种相似的运动。一些物理学家会把物理学的范围缩小到对于那些在自然界中按照科学方法所发现的事件的简单描述,并完全排除所有的理论和假说设定。普朗克认为,这种范围上的限制是反科学的,对物理学非常有害。这就是他坚决反对这种做法的原因。作为国际物理学界中的元老,他认为自己有正当理由去对这种自暴自弃的运动“拾起短棍”。我非常确信在这方面他道出了德国一流科学家们的心声。不久之前,我碰巧和几位曾与普朗克在哥廷根共事的科学家共进晚餐。赫尔曼·外尔[29]、马克斯·玻恩[30]和詹姆斯·弗兰克[31]都在那里。大家多次提到普朗克,对他在因果关系上的毫不妥协的态度进行了热烈的讨论。但是大家一致赞同他反对实证主义学说的立场。

由于这是一种对于个人的特写,为了将量子理论作者的个性生动地呈现在读者的面前,我要用几句话总结一下普朗克在他的同事中的地位。他无疑是德国科学界最受欢迎的人物。的确,可以毫不夸张地说,他深受同事们的喜爱。同样在量子物理领域非常著名的慕尼黑的索末菲教授[32],他曾这样描述普朗克:“他的博士文凭(1879年获得)上钻刻着‘最优异学业成绩’的题词。我们可以在他毕业之后整整五十年的工作上写上同样的评价,不仅仅是为了他的科研工作,也是为了他的人格榜样。他从未写过一个不真诚的文字,而且在有争议的问题上,他对自己的对手总是抱有骑士精神。在德国物理学会改组时曾存在过纷争和对立,但是普朗克是双方都信任的代表,理所当然是一位公正的仲裁者。”

索末菲讲述了一个关于普朗克的故事,来说明他总是以无私和谦虚的态度与同事们合作。索末菲曾参与原子物理学中(现在被称为)“相空间”的一些研究。他给普朗克写信寻求帮助,普朗克立刻把他自己在同一领域的实验结果交给他处理。索末菲诗兴大发,他给普朗克写了一首对句,借此解释说,普朗克把一片未知的荒野转变为可供耕耘量子物理的土地,而他自己只是在这片巨大的新大陆上卑微努力地采摘了几朵鲜花而已。

Der sorgsam urbar macht das neue Land

Dieweil ich hier und da ein Blumenstraueschen fand.

您精心开垦出这一片崭新的土地

我则在这里那里将几束鲜花寻觅

对于这种令人愉悦的赞扬,普朗克以一种更加温和的态度,用一首四行诗进行了回应:

Was Du gepflueckt,was ich gepflueckt

Das wollen wir verbinden,

Und weil sich eins zum andern schickt

Den schoensten Kranz draus winden.

你采摘的,和我采摘的

让我们将其捆绑在一起

我们俩互相赠予的礼物

缠结为一捧美丽的花束

在接受诺贝尔奖之前,普朗克在瑞典皇家科学院谦虚地发表了一场简短演说,提到了一段影响他家庭生活的悲剧。在这段悲剧中他失去了两个女儿,她们都在结婚后不久就去世了,其中一位甚至可以说是穿着婚纱离世的,而且他在战争中失去了一位特别有天赋的儿子。另一个儿子受伤了,但是幸存下来,现在是冯·巴本内阁的一位部长。

即使在与普朗克谈论科学问题时,人们也常常感受到,他的孩子们的悲剧给他的灵魂留下了深刻的影响。这些记忆似乎唤起了一种伤感的特质,一种在他的本性中是深邃的,并且给它罩上了一种称得上神秘的温暖光芒。事实上,尽管他是一位科学家、一个非常务实且饱经世故的男人、一位举止和衣着都很新潮的绅士、一名几年前爬上少女峰庆祝自己七十二岁生日的运动员,人们却总是把他和贝多芬联系到一起,我不知道这是为什么。而且人们记得,在普朗克事业发展的初期,存在这样一种疑问:他究竟是要发展音乐方面还是科学方面的天赋呢?他选择了后者。但是他要发展他科学方面的天赋,势必还要充实他的音乐才华。因为追求理论科学所需要的首要前提是,拥有艺术家所具有的创造性的想象力。对自然和谐的不断追求回应了对音乐表达的渴望。无论如何,一个明显的事实是,德国最著名的两位科学家——爱因斯坦和普朗克——都是音乐家。

当我在普朗克的家中拜访他,和他聊天时,我常常想着,他个人所遭遇的磨难被他国家的悲剧所升华,而后者又被现代世界的普遍悲剧所升华。在这件事情上,他比大多数忙碌的人忧思更重。但是,当第一片愁云出现之时,他会用他最喜欢的格言来面对:“人一定要乐观。”他曾说,科学神庙的大门上镌刻着的铭文“你一定要有信仰”,暗示着唯有科学的信徒才可进入。这种对于宇宙造物的终极目标的坚定信仰,如同一根金线,始终贯穿在普朗克所有的工作和生活之中。

[1]詹姆斯·墨菲,本书英译者,是一位爱尔兰翻译家、作家和记者。

[2]詹姆斯·霍普伍德·金斯,英格兰物理学家、天文学家、数学家。他的一个重大发现是“金斯长度”,即分子云在引力作用下发生塌缩的临界尺度。

[3]JEANS J.The Mysterious Universe[M].Cambridge:Cambridge University Press,1932:16,17.

[4]指人类无法继续坚持牛顿在光学和力学上的理论观点。

[5]欧内斯特·卢瑟福,新西兰裔英国物理学家,1908年诺贝尔化学奖得主,被称为“原子核物理学之父”。他通过著名的α粒子束轰击金箔实验,发现了原子核,由此创建了卢瑟福模型。

[6]汉斯·盖革,德国物理学家。他发明了盖革计数器,用于探测α粒子和其他电离辐射。

[7]盖革和欧内斯特·马斯登在卢瑟福的指导下,用α粒子轰击只有几个原子厚度的金箔,发现大部分粒子都直直地通过金箔,偏向很小,而少数的粒子移动方向的偏差角度却很大,甚至超过90°。卢瑟福由此认为,原子的大部分质量都集中于一个体积很小的带正电的核,当同样带正电的α粒子靠近原子核时,受到强烈的斥力,因而以大角度反弹。而没有被弹回的α粒子充分说明了原子大部分的体积是空的。

[8]尼尔斯·玻尔,丹麦物理学家。他将普朗克的量子理论应用到原子和分子结构的研究中,提出了具有突破性的玻尔模型。因对“原子结构以及从原子发射出的辐射的研究”获得1922年诺贝尔物理学奖。

[9]BOHR N.Wirkungsquantum und Naturbeschreibung[J].Die Naturwissenschaften,1929,17(26):483

[10]即黑体辐射的研究。只有单一开口的空腔可视为一个近似的黑体,因为任何从这个开口进入空腔的电磁辐射都很难被反射出来。

[11]BOHR N.Wirkungsquantum und Naturbeschreibung[J].Die Naturwissenschaften,1929,17(26):486

[12]沃纳·海森堡,德国理论物理学家,量子力学的先驱,1932年诺贝尔物理学奖获得者。他提出了量子力学的矩阵形式和不确定性原理。

[13]HEISENBERG W.Die Entwicklung der Quantentheorie 1918—1928[J].Die Naturwissenschaften,1929,17(26):490.

[14]赫尔曼·冯·亥姆霍兹,德国物理学家、医生。在物理学、生理学、心理学、哲学等领域均有突出贡献,德国最大的科学研究机构亥姆霍兹联合会即以他的名字命名。

[15]古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫,德国物理学家。他提出的热辐射定律和黑体概念对普朗克有很大启发。

[16]卡尔·特奥多尔,威廉·魏尔施特拉斯,德国数学家,被誉为“现代分析之父”。

[17]一种德国大学教职人员的头衔,指无教席的教授。

[18]埃尔温·薛定谔,奥地利物理学家,量子力学奠基人之一,1933年诺贝尔物理学奖得主。1926年,他提出了著名的薛定谔方程,为量子力学的基础方程之一。

[19]阿道夫·冯·哈纳克,教会历史学家。

[20]艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1643—1727),英国物理学家、数学家,三大运动定律和万有引力定律的提出者,经典力学的奠基人,和莱布尼茨各自独立地发明了微积分。

[21]威廉·赫歇尔(William Herschel,1738—1822),英国天文学家及音乐家,曾有多项天文发现,包括天王星等,被誉为“恒星天文学之父”。1800年,赫歇尔发现了太阳红外辐射。他用温度计测量太阳光谱的各个部分,发现在将温度计放在光谱红端外测温时,温度上升得最高,而那里却完全没有颜色。于是他得出结论,太阳光中包含着处于红光以外我们用肉眼看不见的光线,现在人们称之为红外线。

[22]当时测量的结果并不准确,根据第26届国际计量大会(CGPM)表决通过的精确数,h=6.62607015×10-34 J·s。另外,原文中所采用的能量单位为尔格(erg)而非焦耳(J),1尔格=10-7J。

[23]亨德里克·安东·洛伦兹,荷兰物理学家,与彼得·塞曼共同获得1902年诺贝尔物理学奖。洛伦兹通过连续电磁场、物质中离散电子等概念得出了经典电子理论,并在其基础上发展了运动介质中的电动力学,其中包括构造了表述不同惯性系间坐标和时间关系的方程组(洛伦兹变换)。他的研究成果后来成为狭义相对论与量子物理的基础。此外,洛伦兹在热力学、分子运动论、广义相对论以及热辐射理论等方面也有贡献。

[24]根据普朗克的黑体辐射定律,普朗克辐射在某一波长下的最高强度取决于物体的温度。例如,在室温(约300K)下,一个物体发出的热辐射大多是红外的,是看不见的。随着温度上升,红外辐射的量增加,并且能被作为热量感知到,同时更多的可见辐射被发射出,于是物体会发出可见的红色光。随着温度继续上升,物体会呈亮黄或者蓝白色,并发出大量的短波辐射,包括紫外线甚至X射线。太阳的表面(约6000K)同时发出大量的红外线和紫外线,而这种喷射的峰值频率处于可见光谱内。

[25]Lorentz H A.Max Planck und die Quantentheorie[J].Die Naturwissenschaften,1925,13(51):1008.

[26]JEANS J.The Mysterious Universe[M].Cambridge:Cambridge University Press,1932:17-18.

[27]JEANS J.The Mysterious Universe[M].Cambridge:Cambridge University Press,1932:24.

[28]工作假说,暂时作为进一步研究的基础的假说,即使最后发现这个假说不成立,仍有可能从中得出站得住脚的理论。

[29]赫尔曼·外尔,德国数学家、物理学家、哲学家。外尔是最早把广义相对论和电磁理论结合的人之一。

[30]马克斯·玻恩,德国理论物理学家、数学家,对量子力学的发展做出了突出贡献,在固体物理学和光学方面也有所建树。因“在量子力学领域的基础研究,特别是对波函数的统计学诠释”获得1954年诺贝尔物理学奖。

[31]詹姆斯·弗兰克,德国物理学家,1925年诺贝尔物理学奖获得者。

[32]阿诺德·索末菲,德国物理学家,量子力学与原子物理学的代表人物之一。