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1701052964 第2场:柏林,19世纪90年代晚期
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1701052966 马克斯·普朗克是一位“不情愿的革命者”,最得意的课题是热力学。此时他也将注意力转移到黑体辐射问题的研究上来。1878年的普朗克还是一名研究生,他偶然发现了克劳修斯的一些论文,被深深吸引。此后普朗克就开始写论文,对热力学第二定律的已有叙述进行评论。那时,人们都认为热力学几乎已经是完备的了,没有什么激动人心,或者被人们看好的领域可供年轻的科学家挖掘。但普朗克的性格比较保守,他对理论基础的巩固很感兴趣,而且玻耳兹曼对于热力学第二定律的解释还有让他不解的地方。他认为,定律应该是绝对的,没有任何例外;热力学第二定律应与热力学第一定律一样具有普遍意义,而不是靠统计学的戏法变出来。1895年,普朗克来到柏林。他的助手策梅罗提出,热力学第二定律永远无法证明,不仅如此,不管多么复杂的机械系统,最后都可以回到初始状态。“理论物理目前所面临的最重要的(问题)”就是热力学第二定律的概率性和不可逆性与牛顿力学的不变性和可逆性之间的矛盾。而黑体辐射似乎是解决问题的关键,答案可能就在谐振子吸收和释放能量的方式上。当时的柏林正是黑体辐射的研究中心,维恩和其他几个实验学家都在柏林。普朗克或许正好可以利用他们的工作,表明如何将电磁理论与热力学定律联合起来,从而解释平衡状态下的辐射分布。普朗克从修正玻耳兹曼的工作以使其清晰明了和用频率代替波长重写维恩定律开始,试图将热力学、统计力学和电磁理论统一起来。1897年,普朗克在普鲁士学会作了系列报告(时间跨度7年)的第一讲,题目是“论不可逆辐射过程”(On the Irreversible Radiation Processes),旨在解决他所谓的“理论物理的根本任务”——热力学两大定律的统一。因为这两大定律存在矛盾,他一开始就指出研究黑体辐射的迫切需要。热力学第一定律,或“能量守恒定律”认为,诸如摩擦之类的任何效应都可以在微观上分解成机械的可逆过程。但是热力学第二定律,也就是“熵增原理”却要求“自然界中的所有变化只能向着一个方向进行”。他接着告诉听众:“两大热力学定律的统一是理论物理的根本任务。”几次报告之后,在1900年10月19日,普朗克提出了一个经验公式。这个公式跨越了维恩定律适用的高能区,经典力学适用的低能区,以及位于高能区和低能区之间的、维恩定律与实验数据符合得不是很好的中间区域。普朗克说,这一公式是从“谐振子不能在固有频率下振动,而只能在特定频率(参数h)下振动”这一思想出发的。所提出的熵表达式完全是主观上的。一向非常谨慎的普朗克说,“就目前来看”,该工作“与已发表的数据吻合得最好的光谱方程一样令人满意”。他得出结论说:“因此,我应该将你们的注意力转移到这个新公式上来。在所有的公式当中,它的形式是最简单的。”[4]接着他就把量子力学的思想引入到了物理学中。不过他这么做时还是很犹豫的,甚至是不情愿的。当天晚上,就有一位实验学家受到鼓舞,回到实验室去验证普朗克的“新公式”,实验结果与公式相符。普朗克非常激动,继续投入到工作中。“在度过了这辈子最辛苦的几个星期之后,黑暗褪去了,一种之前从未想象过的前景开始展现出来。”这就是说,普朗克的的确确将热力学、电动力学和经典力学结合起来了,并对实验中最后一个令人困惑的问题进行了解释。这种结合简洁漂亮,意义也不容置疑。普朗克和当时参与的其他所有人都没有想到,热力学基础的建立会导致另一种新能量概念的出现,引领人们进入一个全新的世界。
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1701052968 尾声
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1701052970 乌云
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1701052972 1900年4月,汤姆逊在皇家学院发表了一次演讲,题为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》(Nineteenth Century Clouds over the Dynamic Theory of Heat and Light)[5]。汤姆逊说:热和光理论(热力学和电磁学)的“美丽和清晰”是19世纪科学的最高成就,但这个胜利却因“两朵乌云的遮盖而变得模糊起来”。
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1701052974 第一朵乌云就是很难理解地球如何在以太中运动。19世纪初期的科学家认为以太存在于固体中的原子之间。它就像“吹过树林的风”一样“吹过”原子。但麦克斯韦认为以太一定更类似于液体或者固体,而且以太能对通过其中的物体施加力的作用。这意味着地球相对以太的运动是可以探测到的。不过汤姆逊接着又说,阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)最近进行了一个“绝妙的实验”,排除了上述可能。该实验在设计和实施上都无懈可击。此时,乔治·菲兹杰拉德(George Fitzgerald)和亨得里克·洛仑兹(Hendrik Lorentz)独立提出了一个解决方案:如果将在以太中运动的物体运动方向上的维度稍作变化,科学家们就可以保住“以太”,而且只要一亿分之一的变化量(地球绕太阳的运行速度与光速之比的平方)就够了。汤姆逊虽然认为这种想法“非常聪明”,但同时也难免有怪诞之嫌。他得出结论:“恐怕我们依旧得认为第一朵乌云的密度是很大的。”
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1701052976 第二朵乌云与“能量等分定理”有关。该定理由麦克斯韦和玻耳兹曼提出。根据该定理,分子中的能量均匀分配在各条可能的路径上。它解释了人们熟知的固体在高温下的热容量定律问题,但却与固体、气体和金属在低温下的实验结果存在严重的矛盾。此时热力学已经取得了极大的成功,所以当时的科学家对这种矛盾非常困惑,想要找到一个解释。汤姆逊承认自己对此无能无力。他引用了英国物理学家瑞利爵士的一句大胆的话:我在等待能把我们从能量均分定理的“破坏性的简单性中解放出来”的新原理出现。汤姆逊在报告的结论中称:第二朵乌云“在19世纪的最后25年中,遮蔽了光热分子理论的光辉”,如果有朝一日果真有新原理出现,第二朵乌云就会散去。
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1701052978 汤姆逊不会知道,正是19世纪的这两朵乌云,不久之后演变成了20世纪的飓风,也就是“相对论”和“量子力学”。
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1701052980 其他版本的热力学第二定律戏剧在细节和广度、角色的数量和大小上与本书的这一版本可能会有不同。但我要说的是,这部剧是莎士比亚式的。剧中的演员都是伟大的人物,他们倾其身心,对科学研究满怀执着。他们对实验结果和实验预期的偏差感到苦恼和困惑,要进一步进行研究,来更好地了解世界。这种苦恼和困惑有时是深刻的、悲剧式的,而剧中的每一幕都以此开场。试想一下,世上的剧中,还有哪一部能有如此独一无二、精巧刻画的人物?还有哪一部对人类和世界产生的影响能比它更深远?
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1701052982 历史上最伟大的10个方程 [:1701051616]
1701052983 茶歇 不可能的科学
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1701052985 科学上的每一次进步都是要付出代价的。人类在智力上所取得的每一个新的成就都意味着对旧有观点和概念的抛弃。因此,这么说来,科学家们所自恃的对自然的“理解”将随着知识的增加而不断减少。
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1701052987 ——海森堡
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1701052989 科学上的许多定理都是如下的形式:“如果这么做,结果就会如何如何。”牛顿第二定律就是一个例子。它说的是某个物体的加速度与所受力的大小成正比。诸如此类的原理表明某些效应实际上是有可能发生的。然而,有一小部分却是属于另一类,这类原理说的是“哪些是不可能发生的”。这些原理表明某些效应在物理上是不可能的。
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1701052991 关于后者,众所周知的例子就是热力学第一和第二定律,其他的例子还有海森堡的不确定性原理和相对论。相对论的基本思想是认为绝对速度是不可能的,以及任何物体的速度都不可能超过光速。这些原理所代表的并不是“新物理学”,而是根据其他原理得出的推断性结论。这些原理的不同之处在于它们的形式。而这种形式(断言某物在物理上是不可能的)促使科学家们去突破。
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1701052993 不可能科学有好几个名字。一个是“忘了它”科学,另一个是“没门”科学。半个世纪以前,数学家和科学史学家埃德蒙·惠特克(Edmund Whittaker)爵士提出了“无效假设”,断言“有些事情是无法实现的,哪怕可能实现的道路有千万条也无济于事”。
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1701052995 惠特克写道:“无效假设并不是某个实验,也不是有限个实验的直接结果。它不提测量、数值关系或者解析方程,只是断言一个结论,即某件事,不管怎样努力地去做,都是注定要失败的。”
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1701052997 无效假设既不像人们从经验中发现的实验事实,也不像先验的、按定义正确无疑的数学描述。惠特克接着说:但是这些假设是科学的基础。他说:热力学就可以认为是从无效假设中得出的一组推论,即能量和熵的守恒。他接着说:在遥远的将来,科学上的各个分支完全可能像欧几里得的《几何原本》那样,以合理的不可能做到的假设呈现出来。
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1701052999 然而,“没门”科学之所以重要还有另一层的原因:它强烈吸引着持相反意见者。我所说的“持相反意见者”不是那些白费心思,想要造出永动机,来推翻热力学第二定律的那些傻子愣子。我指的是发现“没门科学”的漏洞,对它提出挑战的具有严肃认真态度的科学家。正是在寻找这些漏洞的过程中,他们阐明了科学领域的基础。
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1701053001 持相反意见的科学家不仅在科学发现上,而且在不确定性原理等科学原理的解释上也发挥了作用。1926年,海森堡正推广他的新矩阵力学(完全以正规方式研究原子物理),宣称物理学家必须要摒弃在原子内部电子上观察到宏观属性(位置、动量、时间和空间等)的幻想。帕斯卡·约尔当(Pascal Jordan)就担当了持有相反意见的角色。他提出了一个假想实验,来反驳海森堡的论点。约尔当说,假定可以将显微镜的温度降低到绝对零度,那么就可以测量到原子和原子内的组成部分的准确位置和动量。海森堡似乎受此启发,开始考虑观察设备与观察到的现象之间的相互作用。以此为契机,不久后海森堡就提出了不确定性原理。在这里,约尔当,这位意见不同者,强迫海森堡从操作上而不是从哲学上来思考问题,并最终使海森堡澄清了观察结果中涉及的物理学原理。
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1701053003 此后,爱因斯坦也担当过意见不同者的角色,颇为引人注目。他反对的对象是玻尔。爱因斯坦的目的是想出可以准确测定出粒子的位置和动量的巧妙办法。他的尝试虽然失败了,可是由此所引发的讨论却极大地促进了物理学家对量子力学的本质和意义的理解。
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1701053005 物理学上另一个著名的意见不同者是麦克斯韦。他提出了一个假想实验,在密闭的盒子内,设置一个小妖,来控制盒子内的一扇小门。通过门的开关,这个小妖就可以将盒子一侧速度较快的分子移动到另一侧,从而使热量定向流动,违反热力学第二定律。对这个假想实验进行的讨论帮助人们澄清了热力学当时的概念之谜。
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1701053007 海森堡说,科学上的每一次进步,都意味着科学家们降低了对自然的“理解”主张。这番话自然有夸大之嫌。当然,科学的进步更多地是提出更加细致、复杂的概念,来替换、包含已有的简单概念。但是,这些更加细致和复杂的概念常常是由那些对于需要付出海森堡所提到的那种牺牲这一事实不满意的人提出的。
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1701053009 诚然,不满足感是科学的强大推动力量,它可能以多种方式出现。“不可能科学”导致少数特殊的不满足感的出现。它常常与人们的希望和梦想发生碰撞:关于无限能量、超光速旅行和单一实体(物体总是固定在特定的位置上)。似乎人天生就会有这样的希望,并回避使他们的希望破灭的科学。其实,不可能科学令人感到不满足是不足为奇的。最终从中受益的是科学。
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1701053011 [1]英尺磅为功的单位,1英尺磅=1.355牛顿米。——译者注
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