无奈之中的抉择

按照劳厄的话来说，热辐射理论自始至终“形成于德国”。这第一批研究者当中，特别应该提到的是基尔霍夫。

谈起热辐射，每个人都对它有相当多的感性认识。在火炉里，当温度逐渐升高时，炉火的颜色由暗红变为亮红，然后又变为橘黄、黄色，甚至可以变为白色。因此，即使不是一位物理学家，他也知道在炉火的颜色与温度、转送热量之间有一定的关系。热可以从火炉向四周辐射，这种热辐射实际上也是一种电磁波辐射，只不过波长较长而已。

19世纪后期，德国工业崛起，它由一个土豆输出大国变为钢铁输出大国，因此，由于炼钢、电灯照明的需要，对热辐射的研究十分紧迫，有许多科学家都先后跻身于这项研究工作之中。基尔霍夫是一位兼理论与实验研究的全能型科学家，他曾发现化学元素铯和铷，对电流和流体力学也做出过有名的建树，但他最卓越的研究却是黑体辐射的研究。对于黑体（例如煤炭、黑色呢大衣）人们也不陌生，黑颜色物体即黑体，它有一个特点是能将大部分热辐射吸收进去，却反射得很少（所以人们在冬天穿黑色呢大衣较多，而夏天人很少穿黑色衣服）。基尔霍夫为了简化热辐射的研究，提出一种被称为“绝对黑体”（absolute black body）的理想物体。绝对黑体可以在任何温度下百分之百地吸收辐射到它上面的一切热辐射，一点也不反射回去。这样，整个热辐射的研究就可以简化为（绝对）黑体辐射研究。在大部分情形下，人们为了方便就把“绝对黑体”简称为“黑体”。然而“黑体”是一种理想的物体，所以虽然由它得出的黑体辐射定律有许多，但谁是谁非，却无法由实验检验。

德国物理学家维恩，1911年获得诺贝尔物理学奖。

1895年，德国物理学家威廉·维恩（Wilhelm Wien，1864—1928，1911年获得诺贝尔物理学奖）和他的同事发表了一篇题为《检验绝对黑体辐射定律的方法》的论文，在论文中他们提供了一个可以供实验测量的绝对黑体模型。这是一个带有小孔的空腔，它相当于能吸收射向它里面的全部辐射的“绝对黑体”。这也让人不难理解，一束辐射（例如光）射进一个只有一个小孔的空腔，这束光再想从小孔射出来的可能性很小，如果空腔里再设置一些隔板，那么这束光就几乎再也出不来了。你从远处看一个楼房的窗口（越小越好），为什么窗口总是黑色的呢？因为那个有窗口的房间就有点像维恩设计的“小孔空腔”了，只不过维恩的小孔很小，而窗口相比较就嫌太大了。

有了这样一个带有小孔的空腔，人们才可以对黑体辐射进行实验研究，而不再只能做理论研究。维恩的这一个小小发明，可以说扭转了乾坤，功劳真可谓不小啊！但是维恩的政治态度却十分糟糕，他是一个沙文主义者，还是一个反犹太人的激进分子。

正在黑体实验开始有了进展之际，维恩却离开了柏林物理技术研究所，到亚琛（Aachen）大学任教，他原来想用这个新方法对以前一些由理论建立的辐射定律进行检验的计划，只好留给卢梅尔（O. Lummer，1860—1925）和鲁本斯（H. Rubens，1865—1922）等实验物理学家去做了。

当时辐射定律多得很，他们当然只能检验最有名的几个辐射定律，如斯忒藩—玻尔兹曼定律、瑞利—金斯定律和维恩辐射分布律，等等。经过一两年的反复实验，到1900年10月，鲁本斯他们已经可以准确无误地指出：维恩定律在长波部分（即光谱的红外区域）和温度很高时，其计算值与他们的实验值有显著的不同；而瑞利—金斯定律则在短波（即紫外区域）与实验明显不符，而且还趋于无限大，因此被称为“紫外灾难”（ultraviolet catastrophe）。

好，历史条件成熟了，普朗克上场了。由此，一场威风八面的重头戏开场。只是谁也没料到，居然是一位年过四十的物理学家唱了主角。

普朗克十分重视基尔霍夫黑体辐射定律的普遍特征。我们知道，黑体只要保持某一恒温状态，那么在热平衡时，辐射的规律与黑体的材料性质无关，是一种普遍的特征。普朗克一生都热衷于对普遍性、绝对性规律的追求，他在说明自己为什么要选择物理学作为终身职业时说：

外在的世界在某些方面独立于人，具有某种绝对的性质，寻找这些可以表征绝对性的定律对我来说，是生命和科学活动中最有意义的事情。

在研究黑体辐射定律的初期，他把维恩辐射分布定律作为研究的出发点，在1900年10月以前，人们认为这个分布律与实验吻合得比较好。但普朗克看重的只是这个定律的数学公式和结果，而不满意维恩在推导公式时引入了分子运动论的假说，这是因为分子运动论中有玻尔兹曼的统计概念。普朗克追求的是普遍性和绝对性，他厌恶统计规律，认为统计中少不了偶然性的东西，不是真正的科学规律。所以，他用电动力学和热力学严密结合的非统计的方法，重新推出了维恩定律。由此可以看出，说普朗克是一位比较保守的物理学家，应该是恰当的。

普朗克在自己的书房里查阅资料。

1899年5月，在普鲁士科学院的一次会议上，普朗克公布了他推出的与维恩公式类似的公式。

他信心十足，以为成功在望：他认为自己能够在不必假设原子存在和不涉及统计规律的情形下，把握空腔辐射的规律。但是到1900年10月7日的中午，普朗克的信心动摇了，因为鲁本斯与他的妻子一起到普朗克家中告诉他，维恩定律与实验不符，在长波方面有系统误差。普朗克听说后，在惊诧和沮丧之余，竟立即根据鲁本斯他们的实验结果，又提出了一个半经验、半理论的辐射公式，这个公式就是至今仍然大名鼎鼎的“普朗克辐射公式”。

不到两周后的1900年10月19日星期五，在德国物理学家举行的一次例会上，普朗克在题为《论维恩定律的改善》的演讲中，公布了他的新公式。

奇迹出现了！

鲁本斯当天晚上立即在实验室里将普朗克的新公式同他拥有的测量数据进行了仔细的核对，结果他大为惊诧：普朗克的公式竟与实验数值完全符合！他感到又惊讶又高兴。第二天清晨，鲁本斯就迫不及待地把这个令人极为振奋的结果告诉了普朗克，并且说：“这一定不是偶然的！”

在鲁本斯之后，又有一些实验物理学家做过实验，结果都证明在当时可测量到的任何情形下，普朗克的公式都是正确的。

普朗克为此大受鼓舞、兴奋异常。但他自己也明白，他提出的公式只是一种方法巧妙的半经验半理论的公式，其价值很有限，因此他的当务之急是要为这个公式寻求一个理论上的解释。普朗克后来在获诺贝尔奖演讲时回忆了当时的情形，他说：

即使证明了这个公式是绝对精确的，但……其价值仍然有限。由于这个缘故，从那时起，也就是从公式建立那天起，我一直忙于阐明公式的真正物理特性……经过一生中最紧张的几周工作之后，我从黑暗中见到了光明，一个意想不到的崭新前景展现在我的眼前。

所谓“黑暗中”的“光明”，是指他发现：为了解释他的公式，他必须承认辐射中的能量只能是不连续的、分立的，就像水果糖一颗一颗的，而不像水一样连绵不断。并且这分立的能量ε可以用下面公式表达：

ε＝h ν

这里ε被称为“作用量子”（quantum of action），h是一个他发现的新的普适常数，后来被恰如其分地称为“普朗克常数”（Plank constant）。h犹如一把锐利的砍刀，把原来视为连续的能量砍成一份一份的，而普朗克则是第一个挥起这把砍刀的人，虽然他后来为此后悔不已。常数h现在已经被证明是宇宙中最重要的基本常数之一，在各个领域里都少不了它。普朗克的理论则被名正言顺地称为“量子论”。这是一个具有革命性的理论，一个使物理学界为之哗然和震撼，连普朗克自己也几乎噤若寒蝉的理论。