Part. 2

位于伯爾尼的瑞士專(zhuān)利局如今是一個(gè)高效和現(xiàn)代化的機(jī)構(gòu)，為人們提供專(zhuān)利、商標(biāo)的申請(qǐng)和查詢服務(wù)。漂亮的建筑和完善的網(wǎng)絡(luò)體系使得它如同商業(yè)大公司一樣，呈現(xiàn)出一種典型的現(xiàn)代風(fēng)格。其實(shí)，作為純粹的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，一般很少會(huì)與專(zhuān)利局打交道，因?yàn)榭茖W(xué)無(wú)國(guó)界，也沒(méi)有專(zhuān)利可以申請(qǐng)?？茖W(xué)的大門(mén)，終究是向全世界開(kāi)放的。

不過(guò)對(duì)于科學(xué)界來(lái)說(shuō)，伯爾尼的專(zhuān)利局卻意味著許多。它在現(xiàn)代科學(xué)史上的意義，不啻于伊斯蘭文化中的麥加城，有一種頗為神圣的光輝在里邊。這都是因?yàn)樵?00多年前，這個(gè)專(zhuān)利局“很有眼光”地雇用了一位小職員，他的名字就叫作阿爾伯特·愛(ài)因斯坦。這個(gè)故事再一次告訴我們，小廟里面有時(shí)也會(huì)出大和尚。

1905年，對(duì)愛(ài)因斯坦來(lái)講，壞日子總算都已經(jīng)過(guò)去得差不多了。那些個(gè)為了工作和生計(jì)到處奔波彷徨的日子已經(jīng)結(jié)束，不用再為自己的一無(wú)所成而自怨自艾。專(zhuān)利局給他提供了一個(gè)穩(wěn)定的職位和收入，雖然只是三等技師——而他申請(qǐng)的是二等——好歹也是個(gè)正式的公務(wù)員了。三年前父親的去世對(duì)愛(ài)因斯坦是個(gè)不小的打擊，但他很快從妻子那里得到了安慰和補(bǔ)償。他的老同學(xué)，塞爾維亞姑娘米列娃·瑪利奇（Mileva Maric）在第二年（1903）答應(yīng)嫁給這個(gè)常常顯得心不在焉的冒失鬼，兩人不久便有了一個(gè)兒子，取名漢斯。

現(xiàn)在，愛(ài)因斯坦每天在他的辦公室里工作8小時(shí)，擺弄那堆形形色色的專(zhuān)利圖紙，然后他趕回家，推著嬰兒車(chē)到伯爾尼的馬路上散步。空閑的時(shí)候，他和朋友們聚會(huì)，大家興致勃勃地討論休謨、斯賓諾莎和萊辛。要是突然心血來(lái)潮了，愛(ài)因斯坦便拿出他的那把小提琴，給大家表演或是伴奏。當(dāng)然，更多的時(shí)候，他還是鉆研最感興趣的物理問(wèn)題，陷入沉思后，常常廢寢忘食。

1905年是一個(gè)相當(dāng)神秘的年份。在這一年，人類(lèi)的天才噴薄而出，像江河那般奔涌不息，卷起最震撼人心的美麗浪花，以致今天我們回頭去看，都不禁要驚嘆激動(dòng)，為那樣的奇跡驚奇不已。這一年，對(duì)于人類(lèi)的智慧來(lái)說(shuō)，實(shí)在要算是一個(gè)極致的高峰，在那段日子里譜寫(xiě)出來(lái)的美妙的科學(xué)旋律，直到今天都讓我們心醉神馳，不知肉味。而這一切大師作品的創(chuàng)作者，這個(gè)攀上天才頂峰的人物，便是我們這位伯爾尼專(zhuān)利局的小公務(wù)員。

1905年的一系列奇跡是從3月17日開(kāi)始的。那一天，愛(ài)因斯坦寫(xiě)出了一篇關(guān)于輻射的論文，后來(lái)發(fā)表在《物理學(xué)紀(jì)事》（Annalen der Physik）雜志上，題目叫作“關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)”（A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light）。這篇文章僅僅是愛(ài)因斯坦有生以來(lái)發(fā)表的第6篇正式論文，而就是這篇論文，將給他帶來(lái)多少人終生夢(mèng)寐以求的諾貝爾獎(jiǎng)，也開(kāi)創(chuàng)了屬于量子論的一個(gè)全新時(shí)代。

愛(ài)因斯坦是從普朗克的量子假設(shè)那里出發(fā)的。大家都還記得，普朗克假設(shè)，黑體在吸收和發(fā)射能量的時(shí)候，不是連續(xù)的，而是要分成“一份一份”，有一個(gè)基本的能量單位在那里。這個(gè)單位，被他稱作“量子”，其大小則由普朗克常數(shù)h來(lái)描述。我再一次把量子的計(jì)算公式寫(xiě)在下面，供各位復(fù)習(xí)一遍：

在這里筆者要停下來(lái)稍微交代兩句。對(duì)于我們這次量子探險(xiǎn)之旅的某些隊(duì)員，特別是那些對(duì)數(shù)學(xué)沒(méi)有親切感覺(jué)的隊(duì)員來(lái)說(shuō)，一再遇到公式可能會(huì)引起頭暈嘔吐等不良癥狀，還請(qǐng)各位多多包涵體諒。史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在他的暢銷(xiāo)書(shū)《時(shí)間簡(jiǎn)史》里面說(shuō)，插入任何一個(gè)數(shù)學(xué)公式都會(huì)使作品的銷(xiāo)量減半，所以他考慮再三，只用了一個(gè)公式E =mc2。我們的史話本是戲作，所以不考慮那么多，但就算列出公式，也不強(qiáng)求各位看客理解其數(shù)學(xué)意義。不過(guò)唯有這個(gè)E=hν，筆者覺(jué)得還是有必要清楚它的含義，這對(duì)于整部史話的理解也是有好處的。從科學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，它也絕不亞于愛(ài)因斯坦的那個(gè)E = mc2。所以還是不厭其煩地重復(fù)一下這個(gè)方程的描述：E代表一個(gè)量子的能量，h是普朗克常數(shù)（6.626×10-34焦耳/秒）, ν是輻射頻率。最后宣布一個(gè)好消息：除此之外，讀者在后面的旅途中如果對(duì)任何其他公式有不適反應(yīng)，簡(jiǎn)單地跳過(guò)它們就是，這對(duì)于故事的整體影響不大。

回到我們的史話中來(lái)。1905年，愛(ài)因斯坦閱讀了普朗克的那些早已被大部分權(quán)威和他本人冷落到角落里的論文，量子化的思想深深地打動(dòng)了他。憑著一種深刻的直覺(jué)，他感到，對(duì)于光來(lái)說(shuō)，量子化也是一種必然的選擇。雖然有天神一般的麥克斯韋理論高高在上，但愛(ài)因斯坦叛逆一切，并沒(méi)有為之止步不前。相反，他倒是認(rèn)為麥?zhǔn)侠碚撝荒軐?duì)于一種平均情況有效，而對(duì)于瞬間能量的發(fā)射、吸收等問(wèn)題，麥克斯韋理論是與實(shí)驗(yàn)相矛盾的。從光電效應(yīng)中已經(jīng)可以看出端倪。

讓我們?cè)僦販匾幌鹿怆娦?yīng)和電磁理論的不協(xié)調(diào)之處：

電磁理論認(rèn)為，光作為一種波動(dòng)，它的強(qiáng)度代表了它的能量，增強(qiáng)光的強(qiáng)度應(yīng)該能夠打擊出更高能量的電子。但實(shí)驗(yàn)表明，增加光的強(qiáng)度只能打擊出更多數(shù)量的電子，而不能增加電子的能量。要打擊出更高能量的電子，則必須提高照射光線的頻率。

提高頻率，提高頻率。愛(ài)因斯坦突然靈光一閃：E=hν，提高頻率，不正是提高單個(gè)量子的能量嗎？而更高能量的量子，不正好能夠打擊出更高能量的電子嗎？另外，提高光的強(qiáng)度，只是增加量子的數(shù)量罷了，所以相應(yīng)的結(jié)果自然是打擊出更多數(shù)量的電子！一切在突然之間，顯得順理成章起來(lái)。

愛(ài)因斯坦寫(xiě)道：“……根據(jù)這種假設(shè)，從一點(diǎn)所發(fā)出的光線在不斷擴(kuò)大的空間中傳播時(shí)，它的能量不是連續(xù)分布的，而是由一些數(shù)目有限的、局限于空間中某個(gè)地點(diǎn)的‘能量子’（energy quanta）所組成的。這些能量子是不可分割的，它們只能整份地被吸收或發(fā)射。”

組成光的能量的這種最小的基本單位，愛(ài)因斯坦后來(lái)把它們叫作“光量子”（light quanta）。一直到1926年，美國(guó)物理學(xué)家劉易斯（G.N.Lewis）才把它換成了今天常用的名詞——“光子”（photon）。

從光量子的角度出發(fā)，一切變得非常簡(jiǎn)明易懂了。頻率更高的光線，比如紫外光，它的單個(gè)量子要比頻率低的光線含有更高的能量（E=hν），因此當(dāng)它的量子作用到金屬表面的時(shí)候，就能夠激發(fā)出擁有更高動(dòng)能的電子來(lái)。而量子的能量和光線的強(qiáng)度沒(méi)有關(guān)系，強(qiáng)光只不過(guò)包含了更多數(shù)量的光量子而已，所以能夠激發(fā)出更多數(shù)量的電子來(lái)。但是對(duì)于低頻光來(lái)說(shuō)，它的每一個(gè)量子都不足以激發(fā)出電子，那么，含有再多的光量子也無(wú)濟(jì)于事。

我們把光電效應(yīng)想象為一場(chǎng)有著高昂入場(chǎng)費(fèi)的拍賣(mài)。每個(gè)量子是一個(gè)顧客，它所攜帶的能量相當(dāng)于一個(gè)人擁有的資金。要進(jìn)入拍賣(mài)現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)人必須先繳納一定數(shù)量的入場(chǎng)費(fèi)，而在會(huì)場(chǎng)內(nèi)，一個(gè)人只能買(mǎi)一件物品。

一個(gè)光量子打擊到金屬表面的時(shí)候，如果它帶的“錢(qián)”足夠（能量足夠高），它便有資格進(jìn)入“拍賣(mài)現(xiàn)場(chǎng)”（能夠打擊出電子來(lái)）。至于它能夠買(mǎi)到多好的物品（激發(fā)出多高能量的電子），那要取決于它付了入場(chǎng)費(fèi)后還剩下多少錢(qián)（剩余多少能量）。頻率越高，代表了一個(gè)人的錢(qián)越多，像紫外線這樣的大款，可以在輕易付清入場(chǎng)費(fèi)后還買(mǎi)得起非常貴的貨物，而頻率低一點(diǎn)的光線就沒(méi)那么闊綽了。

但是，一個(gè)人有多少資金，和一個(gè)“代表團(tuán)”總共能夠買(mǎi)到多少物品是沒(méi)有關(guān)系的。能夠買(mǎi)到多少數(shù)量的東西，只和“代表團(tuán)”的人數(shù)（光的強(qiáng)度）有關(guān)系，而和每一個(gè)人有多少錢(qián)（單個(gè)光子的頻率）沒(méi)關(guān)系。如果我有一個(gè)500人的代表團(tuán)，每個(gè)人都有足夠的錢(qián)入場(chǎng)，那么我就能買(mǎi)到500樣貨品回來(lái)，而你一個(gè)人再有錢(qián)，你也只能買(mǎi)一樣?xùn)|西（因?yàn)橐粋€(gè)人只能買(mǎi)一樣物品，規(guī)矩就是這樣的）。至于買(mǎi)到的東西有多好，那是另一回事。話又說(shuō)回來(lái)，假如你一個(gè)代表團(tuán)里每個(gè)人的錢(qián)都太少，以致沒(méi)人付得起入場(chǎng)費(fèi)，那么哪怕你人數(shù)再多，也是一樣?xùn)|西都買(mǎi)不到的，因?yàn)橐?guī)矩是你只能以個(gè)人的身份入場(chǎng)，沒(méi)有連續(xù)性和積累性，大家的錢(qián)不能湊在一起使用。

愛(ài)因斯坦推導(dǎo)出的方程和我們的拍賣(mài)是一個(gè)意思：

是激發(fā)出電子的最大動(dòng)能，也就是我們說(shuō)的，能買(mǎi)到“多好”的貨物。hν是單個(gè)量子的能量，也就是你總共有多少錢(qián)。P是激發(fā)出電子所需要的最小能量，也就是“入場(chǎng)費(fèi)”。所以這個(gè)方程告訴我們的其實(shí)很簡(jiǎn)單：你能買(mǎi)到多好的貨物取決于你的總資金減掉入場(chǎng)費(fèi)用。

這里面關(guān)鍵的假設(shè)就是：光以量子的形式吸收能量，沒(méi)有連續(xù)性，不能累積。一個(gè)光量子激發(fā)出一個(gè)對(duì)應(yīng)的電子。于是實(shí)驗(yàn)揭示出來(lái)的效應(yīng)的瞬時(shí)性難題也迎刃而解：量子作用本來(lái)就是瞬時(shí)作用，沒(méi)有積累的說(shuō)法。

但是，大家從這里面嗅到些什么沒(méi)有？光量子，光子，光究竟是一種什么東西呢？難道我們不是已經(jīng)清楚地下了結(jié)論，光是一種波動(dòng)嗎？光量子是一個(gè)什么概念呢？

仿佛宿命一般，歷史在轉(zhuǎn)了一個(gè)大圈之后，又回到起點(diǎn)。關(guān)于光的本性問(wèn)題，干戈再起，“第三次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)”一觸即發(fā)。而這次，導(dǎo)致的后果是全面的世界大戰(zhàn)，天翻地覆，一切在毀滅后才得到重生。

飯后閑話：奇跡年

如果站在一個(gè)比較高的角度來(lái)看歷史，一切事物都是遵循特定軌跡的，沒(méi)有無(wú)緣無(wú)故的事情，也沒(méi)有不合常理的發(fā)展。在時(shí)代浪尖上弄潮的英雄人物，其實(shí)都只是適合了那個(gè)時(shí)代的基本要求，這才得到了屬于他們的無(wú)上榮耀。

但是，如果站在廬山之中，把我們的目光投射到具體的那個(gè)情景中去，我們也能夠理解一個(gè)偉大人物為時(shí)代所帶來(lái)的光榮和進(jìn)步。雖然不能說(shuō)失去了這些偉大人物，人類(lèi)的發(fā)展就會(huì)走向歧途，但是也不能否認(rèn)英雄和天才們?yōu)檫@個(gè)世界所作出的巨大貢獻(xiàn)。

在科學(xué)史上就更是這樣。整個(gè)科學(xué)史可以說(shuō)就是以天才的名字來(lái)點(diǎn)綴的燦爛銀河，而有幾顆特別明亮的星辰，它們所發(fā)射出的光芒穿越了整個(gè)宇宙，一直到達(dá)時(shí)空的盡頭。他們的智慧在某一個(gè)時(shí)期散發(fā)出如此絢爛的輝煌，令人嘆為觀止。一直到今天，我們都無(wú)法找出更加適合的字句來(lái)加以形容，而只能冠以“奇跡”的名字。

科學(xué)史上有兩個(gè)年份，便符合“奇跡”的稱謂，而它們又是和兩個(gè)天才的名字緊緊相連的。這兩年分別是1666年和1905年，那兩個(gè)天才便是牛頓和愛(ài)因斯坦。

1666年，23歲的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉(xiāng)下的老家度假。在那段日子里，他一個(gè)人獨(dú)立完成了幾項(xiàng)開(kāi)天辟地的工作，包括發(fā)明了微積分（流數(shù)），完成了光分解的實(shí)驗(yàn)分析，以及對(duì)于萬(wàn)有引力定律的開(kāi)創(chuàng)性思考。在那一年，他為數(shù)學(xué)、力學(xué)和光學(xué)三大學(xué)科分別打下了基礎(chǔ)，而其中的任何一項(xiàng)工作，都足以讓他名列有史以來(lái)最偉大的科學(xué)家之列。很難想象，一個(gè)人的思維何以能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)涌動(dòng)出如此多的靈感，人們只能用一個(gè)拉丁文annus mirabilis來(lái)表示這一年，也就是“奇跡年”。

1905年的愛(ài)因斯坦也是這樣，在專(zhuān)利局里蝸居的他在這一年寫(xiě)了6篇論文：3月18日，是我們上面提到過(guò)的關(guān)于光電效應(yīng)的文章，成為量子論的奠基石之一。4月30日，關(guān)于測(cè)量分子大小的論文為他贏得了博士學(xué)位。5月11日和后來(lái)的12月19日，兩篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，成為分子論的里程碑。6月30日，題為《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》的論文，這個(gè)不起眼的題目后來(lái)被加上了一個(gè)如雷貫耳的名稱，叫作“狹義相對(duì)論”，它的意義就不用我多說(shuō)了。9月27日，關(guān)于物體慣性和能量的關(guān)系，這是狹義相對(duì)論的進(jìn)一步說(shuō)明，并且在其中提出了著名的質(zhì)能方程E = mc2。

單單這一年的工作，便至少配得上3個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。相對(duì)論的意義是否是諾貝爾獎(jiǎng)所能評(píng)價(jià)的，還很難說(shuō)。而這一切也不過(guò)是在專(zhuān)利局的辦公室里，一個(gè)人用紙和筆完成的而已。的確很難想象，這樣的奇跡還會(huì)不會(huì)再次發(fā)生，因?yàn)閷?shí)在是太不可思議了。后來(lái)的1932年在原子物理領(lǐng)域也可稱為“奇跡年”，但榮譽(yù)已經(jīng)不再屬于一個(gè)人，而是由許多物理學(xué)家共同分享。隨著科學(xué)進(jìn)一步高度細(xì)化，今天已經(jīng)無(wú)法想象，單槍匹馬能夠在如此短時(shí)間內(nèi)作出如此巨大的貢獻(xiàn)。當(dāng)時(shí)的龐加萊（Henri Poincaré）已經(jīng)被稱為數(shù)學(xué)界的“最后一位全才”，而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論也可能是最后一個(gè)富有個(gè)人英雄主義傳奇色彩的物理理論了吧？這是我們的幸運(yùn)，還是不幸呢？

為了紀(jì)念1905年的光輝，人們把100年后的2005年定為“國(guó)際物理年”。我們的史話，也算是對(duì)它的一個(gè)小小致敬。