建議在大學(xué)的自然科學(xué)學(xué)科中開設(shè)相應(yīng)的科學(xué)史課程
在自然科學(xué)的基礎(chǔ)理論領(lǐng)域，如何改進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方法，一直是許多人所關(guān)注的一個(gè)問題。
出過國(guó)的人都知道，如果能在國(guó)際上頂尖科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室里工作一段時(shí)間，可以長(zhǎng)進(jìn)不少。但是這樣的實(shí)驗(yàn)室不是人人都有機(jī)會(huì)進(jìn)去，就是進(jìn)去了也還要看各人的悟性。
我近年來讀了一些有關(guān)物理學(xué)歷史的書籍，覺得如果大學(xué)本科學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)基本知識(shí)的同時(shí)，能夠讀到這類書籍和文章，了解物理學(xué)的基本理論是怎樣一步步建立起來的，或許他們不僅可以學(xué)到有關(guān)的公式和定律及它們的應(yīng)用，更能了解到那些大師們思索、推演和發(fā)現(xiàn)這些理論的過程。
這可能會(huì)是一個(gè)更重要的學(xué)習(xí)，為將來他們?cè)诳茖W(xué)研究中的創(chuàng)新和突破打下基礎(chǔ)。
為了說明我的想法，就拿普朗克（Max Planck）提出能量量子化的假說作為一個(gè)例子。
普朗克的這個(gè)假設(shè)及由此導(dǎo)出的黑體輻射公式，解答了19世紀(jì)末英國(guó)著名物理學(xué)家威廉·湯姆生（即開尓文男爵）提出的 “兩朶烏云” 之一，即在黑體輻射理論中當(dāng)時(shí)的 ”紫外災(zāi)難“。
我記得在一般的物理學(xué)教科書里或者在上課時(shí)，這個(gè)歷史細(xì)節(jié)大致被說到這么一個(gè)程度。
普朗克
現(xiàn)在再來看看在科學(xué)史的資料中，提供的一些更加詳細(xì)的故事：
普朗克是第一批伴隨著由麥克斯韋和玻尓茲曼發(fā)展出來的熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)解釋而成長(zhǎng)起來的物理學(xué)家之一。
一開始，他不喜歡熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)理論，不過當(dāng)需要把它應(yīng)用到一個(gè)新的、沒有到來的機(jī)遇時(shí)，至少他很熟悉玻爾茲曼的工作。
普朗克1874年進(jìn)入慕尼黑大學(xué)，在1879年獲得博士學(xué)位，他的論文就是關(guān)于熱力學(xué)第二定律方面的工作。1892年他成為柏林大學(xué)的正教授，并在這個(gè)職位上一直待到1926年退休。
他在1894 年把注意力轉(zhuǎn)到黑體輻射難題，最初不是在尋求抽象的理解，而是因?yàn)橐粋€(gè)電力公司協(xié)會(huì)委托他找出方法來制造耗能最少、亮度最大的燈泡。
但是，一旦他全神貫注于黑體輻射問題，他就被吸引住了，并為這個(gè)問題煩擾了好幾年，直到他找到了一個(gè)答案，并沿著這個(gè)方向發(fā)表了幾篇關(guān)于熱力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)之間關(guān)系的重要論文。
事實(shí)上，正是普朗克對(duì)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)方法的掌握使得他解決了紫外災(zāi)難，盡管他并不是被災(zāi)難本身激勵(lì)著去這么做的。
普朗克起初想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是了解產(chǎn)生空腔輻射——即黑體輻射曲線的物理過程。當(dāng)時(shí)有兩個(gè)線索可以提供幫助。
1896 年， 在柏林大學(xué)工作的維恩（Wilhelm Wien）提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，這是一個(gè)用試錯(cuò)方法得到的公式，它給出了黑體輻射曲線在短波長(zhǎng)區(qū)間的準(zhǔn)確描述，并可以確定在一定溫度下輻射曲線峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。
這就是后來被稱為維恩定律的經(jīng)驗(yàn)公式。但是維恩定律為什么成立，卻找不到原因。
有趣的是，還有另外一個(gè)公式對(duì)長(zhǎng)波段有效，而在短波段便不準(zhǔn)確。這個(gè)公式是兩個(gè)人工作成果，后來用這兩人的名字命名，稱為瑞利-金斯定律。
在19世紀(jì)90年代，人們已經(jīng)知道運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，而光也是一種電磁輻射。普朗克的出發(fā)點(diǎn)是假設(shè)黑體輻射是由一連串 “電磁振子” 所產(chǎn)生的。
1900年夏天，普朗克發(fā)現(xiàn)應(yīng)用一些數(shù)學(xué)技巧他可以得出一個(gè)公式，這個(gè)公式把上述兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式得到的曲線平滑地連在了一起，從而提供了一個(gè)描述整條黑體輻射曲線的方程。但是在這個(gè)階段他還沒有任何物理學(xué)基礎(chǔ)來支持這個(gè)公式。
在精疲力竭地嘗試了其他方法之后，當(dāng)年10 月，他意識(shí)到他需要的不僅將玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)解釋應(yīng)用到電磁振子上，還要應(yīng)用在能量上，即應(yīng)用在電磁輻射本身。
熱力學(xué)的玻尓茲曼統(tǒng)計(jì)方法包括在數(shù)學(xué)上把能量切成小塊（微分），按照統(tǒng)計(jì)規(guī)律的要求處理這些小塊，然后在計(jì)算的后面階段把修正過的小塊再加起來（積分）。
普朗克從來不熱衷于這種方法，但不管怎么說，幾乎處在絕望中的他還是嘗試了它，把電磁輻射看成由能量小塊組成而不是波。
讓人震驚的結(jié)果是，他憑經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的公式（它提供了對(duì)黑體輻射曲線的完整描述）在這些小塊被積分回去之前，便得到了重大發(fā)現(xiàn)。
1900年12 月14日在柏林赫尓姆霍茨研究所召開的德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上，普朗克公布了他的發(fā)現(xiàn)。
他將這些能量小塊稱為 “能量元” （energy element），并發(fā)現(xiàn)它們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的公式與輻射的頻率有關(guān)：
E = h ν
式中E 是 “能量元” 的能量，希臘字母ν代表波的頻率，而h是一個(gè)自然常數(shù)，現(xiàn)在稱為普朗克常數(shù)。
h = 6.626070040 x 10 -34joule-seconds
正如普朗克在會(huì)議上所述：“為此，我們要把能量看成由一定數(shù)量的相同大小的有限小包所組成——這在整個(gè)計(jì)算中最為關(guān)鍵?！?nbsp;
現(xiàn)在再回過頭去審視物理學(xué)的進(jìn)展，可見現(xiàn)代物理學(xué)有兩塊基石，即相對(duì)論與量子論。量子論的奠基人之一就是普朗克。他發(fā)表量子論的這一天，被看作自然科學(xué)新紀(jì)元的開端。
當(dāng)時(shí)，盡管有了這個(gè)成功，但普朗克宣布的這個(gè)結(jié)果并沒有在一夜之間改變物理學(xué)。沒有人真正知道可以用它做什么。對(duì)許多人來說，它一開始不過就是整合了維恩和瑞利的工作（金斯的改進(jìn)要晚一點(diǎn)才做出）。
普朗克自己也同樣不知道。
當(dāng)時(shí)普朗克42歲，己經(jīng)定型了。這就需要一個(gè)年輕人，用對(duì)物理學(xué)而言新的思維，來審視這個(gè) “能量元”（現(xiàn)在我們稱為量子）在物理學(xué)中的真正意義 。
這個(gè)年輕人就是愛因斯坦，他在1905 年做出突破性的發(fā)現(xiàn)——光電效應(yīng)，當(dāng)時(shí)他26歲（愛因斯坦的故事當(dāng)另辟篇幅）。
諾貝尓獎(jiǎng)委員會(huì)在1918年把物理學(xué)獎(jiǎng)授予了普朗克，在1921年把物理學(xué)獎(jiǎng)授予了愛因斯坦。
（以上關(guān)于普朗克的故事，主要摘彔并改寫于《量子、貓與羅曼史，薛定諤傳》書中的相關(guān)內(nèi)容，該書由約翰·格里賓著，匡志強(qiáng)譯，上海科技教育出版社，2013）
從這樣一段記載中，可以使我們認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)：
普朗克在研究黑體輻射問題之前，在學(xué)術(shù)上已經(jīng)有了很好的準(zhǔn)備。對(duì)于熱力學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法非常熟悉。
他的偉大發(fā)現(xiàn)是基于一個(gè)實(shí)際問題，一個(gè)電力公司協(xié)會(huì)委托他找出方法來制造耗能最少、亮度最大的燈泡。但是他從實(shí)際問題出發(fā)，在理論上作了研究（請(qǐng)參閱我過去的博文：《基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究》）。
在關(guān)鍵時(shí)刻，普朗克摒棄了將輻射看成是波動(dòng)，而是將它看成是能量單元，形成量子的概念。這個(gè)突破可看作是在久久思索之后的一個(gè)頓悟 （請(qǐng)參閱我過去的博文：《科學(xué)研究中的機(jī)遇和靈感》）。
我想這些都是科學(xué)研究和創(chuàng)新的必須的要素。不知這樣一種對(duì)物理學(xué)歷史的回顧，是否比簡(jiǎn)單地介紹公式和定律，對(duì)于年輕學(xué)生會(huì)更加生動(dòng)與有趣一些？
其實(shí)，普朗克常數(shù)對(duì)近代物理的貢獻(xiàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。
1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福根據(jù)1910年進(jìn)行的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型。
盧瑟福
在這個(gè)模型里，電子像太陽系的行星圍繞太陽轉(zhuǎn)一樣圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。但是根據(jù)經(jīng)典電磁理論，這樣的電子會(huì)發(fā)射出電磁輻射，損失能量，以至瞬間坍縮到原子核里。
這與實(shí)際情況不符，盧瑟福無法解釋這個(gè)矛盾。
1912年，正在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)工作的玻爾將一份被后人稱作《盧瑟福備忘錄》的論文提綱提交給他的導(dǎo)師盧瑟福。
在這份提綱中，玻爾在行星模型的基礎(chǔ)上引入了普朗克的量子概念，認(rèn)為原子中的電子處在一系列分立的穩(wěn)態(tài)上。
1913年7、9、11月，經(jīng)由盧瑟福推薦，《哲學(xué)雜志》接連刊登了玻尓的三篇論文，標(biāo)志著玻尓模型正式提出，被稱為玻尓模型的 “三部曲”。
玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，離核愈遠(yuǎn)能量愈高；可能的軌道由電子的角動(dòng)量必須是h/2π的整數(shù)倍決定；當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關(guān)系由E = hν 給出。
玻爾的理論成功地說明了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律。
尼爾斯·波爾
盧瑟福因?qū)ξ镔|(zhì)的放射性的研究被授予1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他的學(xué)生中總共有十位諾貝尓獎(jiǎng)得主。
他去世后以很高榮譽(yù)安葬在西敏寺中，靠近牛頓和其他著名英國(guó)科學(xué)家。尼爾斯·波爾，則因?qū)υ咏Y(jié)構(gòu)以及從原子發(fā)射出的輻射的研究于1922年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
整個(gè)量子論的基礎(chǔ)是能量和頻率之間的普朗克關(guān)系，這個(gè)關(guān)系認(rèn)為二者應(yīng)成正比。但是這個(gè)公式里有一個(gè)不合理之處。
因?yàn)?，能量的概念顯然是對(duì)單個(gè)粒子（光子）而言，也就是說，是對(duì)小區(qū)域內(nèi)的某事物而言。而頻率則是屬于波的概念，波必定占據(jù)一個(gè)很大的空間，嚴(yán)格地說，它應(yīng)當(dāng)占據(jù)整個(gè)空間。
1927 年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出 “測(cè)不準(zhǔn)原理”，指出一個(gè)微觀粒子的某些物理量（如位置與動(dòng)量，方位角與動(dòng)量矩，時(shí)間與能量等），不可能同時(shí)有確定的數(shù)值，其中一個(gè)量越確定，另一個(gè)量便越不確定，這一對(duì)共軛量的誤差的乘積必然大于常數(shù)h/2p（其中h是普朗克常數(shù)）。
在微觀體系里，測(cè)不準(zhǔn)原理迫使我們不得不放棄因果觀念，這表明了科學(xué)基本觀此時(shí)開始發(fā)生了非常深刻的變化。
而這個(gè)令人不可思議的普朗克常數(shù)，此時(shí)則代表了一切測(cè)量準(zhǔn)確度的絕對(duì)界限。（海森堡獲1932年諾貝尓物理學(xué)獎(jiǎng)）。
我想大學(xué)生們?nèi)绻趯W(xué)習(xí)量子物理學(xué)的同時(shí)，能夠?qū)W習(xí)到這段歷史，這既可以增進(jìn)他們的學(xué)習(xí)興趣，又可以體會(huì)到量子物理學(xué)在上世紀(jì)初開始，是克服了哪些困難，一步一步地發(fā)展起來的。
同時(shí)，也可以對(duì)于量子物理與經(jīng)典物理的本質(zhì)區(qū)別有進(jìn)一步深入的了解與認(rèn)識(shí)。當(dāng)然我更希望聰明的學(xué)生可以從中覺悟到科學(xué)研究方法的真諦，并在將來自已的研究中付諸于實(shí)踐。
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