科学迷宫的阿里阿德尼线

希腊神话故事中，麦纳托设计了一个迷宫，使希腊雅典王子提修斯被困其中。阿里阿德尼女神送给提修斯一根线，提修斯用这根线走出了麦纳托的迷宫。对光的认识的各种学说和见解，也构成了科学世界的迷宫。普朗克和爱因斯坦共同编织了这根解困迷宫的阿里阿德尼线。

1900 年普朗克创造了量子理论。更准确地说，是提出了物质微观世界的量子化概念。量子理论是在他以后的科学家共同努力下逐渐创立和完善的。这个概念的影响之巨大，以致于人们以普朗克为界，把他以前的物理学称之为经典物理学，他以后的物理学称之为近代物理学。他发现了基本作用量子，其对自然科学研究的重要性可与牛顿发现了万有引力相媲美。

科学成果的创造是必然的，但那一瞬间的创造灵感，也许是偶然的。普朗克创造的量子化概念，便是这样一种写照。19 世纪末的物理学界，物理学家们正用热力学的定律去围攻一个“黑体”问题。普朗克也是这一群科学家中的一个。普朗克就是在这样一个研究过程中，意外地发现了能量量子。

“黑体”，我们用通俗不太规范的解释是：一个物体能够吸收所有的能量而辐射出的能量为零。当这个物体被加热后，它又可以向外辐射能量。这个物体就是“黑体”。它能够吸收全部的光而反射出的光为零。例如，白天从远处看建筑物的窗口时，窗口显得特别黑暗，看不见窗口里面。这是由于从窗口入射的光，经墙壁多次反射而吸收，很少有可能再从窗口射出的缘故。因此，我们可以近似地把这个建筑看成是黑体。

从 1896 年开始，普朗克就开始研究这种黑体辐射的正确理论表述。在他以前，玻尔兹曼、维恩等科学家对这个问题就进行了深入的研究并得出了一定的结论。普朗克工作的最初设想是想证明维恩的公式和玻尔兹曼常数。然而他意外地产生了量子概念的灵感。他根据玻尔兹曼方程和维恩定律，推断出 E/γ（即光量子/频率）的函数，并在 1900 年导出了能量量子和频率之间关系的著名公式 E=h.γ。其中 h 就是以他名字命名的普朗克常数。这个公式与所有的实验数据都是相符合的。普朗克把这项研究的文章发表在了德国《物理学年鉴》〔4553（1901）〕期上。在这篇文章里，首次出现了普朗克常数h，它标志着量子物理学的诞生。量子学说从此开始了他的完善、发展过程。

尽管如此，普朗克的推论仍然遭到了当时的许多非难，普朗克同时代的人对此也多表怀疑和漠不关心，甚至连玻尔兹曼这样有成就的科学家也站出来指责，尽管玻尔兹曼最后改变了观点。但是普朗克还是坚持了他的研究工作，他战胜了挫折，顶住了来自各方面的压力。尽管他成功了，他也仍旧是谦虚的。正如他在 1918 年获诺贝尔奖金的致词中所说：“即使这个辐射公式被证明是完全正确的，毕竟它只是一个由碰运气猜测而发现的内插公式，因此它使我们相当不满意。因此，我从它被发现的那天起就争取给它一个真正的物理解释，这使我按玻尔兹曼的思想考虑熵和几率间的关系。”

普朗克创造的量子理论，在科学研究中的作用是空前巨大的，贡献卓越。这个理论不仅仅为从量子角度研究光学问题提供了依据，而且为从量子角度研究物质的微观世界，为建立原子核模型等现代物理研究提供了强大的思想武器。而爱因斯坦继承和发展了普朗克的智慧结晶，把量子的概念引入了光学的领域，从量子的角度去研究光的问题，从而取得了重大的成就，并进一步提出了原子受激辐射光量子的理论，从而为激光的研究和产生奠定了坚实

的理论基础。

我们的祖先曾用文学语言表述了这样一个故事。南北朝任昉的《述异说》中讲，晋朝人王质入山伐薪，看到几个孩童弈棋。当棋局结束，砍柴的斧子已经烂掉了；回到村里的时候，所有的人都已变得不认识了。原来他在山里的一天，山下已过百年了。真可谓“天上一日，下界十年”。这个故事可以用科学的语言 E=mc2 来表述。

我们了解爱因斯坦，正是从这个著名的公式开始的。这个公式就是代表了时空概念革命的宣言——狭义相对论，甚至有人认为这个公式代表了“原子弹爆炸的秘密”。

然而，能代表爱因斯坦的成就原不止此。他充分地利用了普朗克的量子概念，成功地解释了光电效应，从而使光量子这个词在物理学的研究中发挥了巨大作用，揭示了光的本质。他身上所反映出来的那种谦虚坦率的科学品质和立志创新的科学精神，使他在自然科学海洋的遨游中，能够涉猎更宽更广的领域，能够激发更新更多的灵感，从而得到完全出人意料的结果和丰厚的收获。

1917 年，爱因斯坦发表了几篇极为重要的著作和论文，阐述了认识原子的光发射问题的新观点、新方法。在当时玻尔的原子理论尚未成熟，原子发光的秘密尚未被人获得的条件下，爱因斯坦以其敏锐的洞察力，去掀开原子内部发光秘密的盖头，为光学理论的发展建立了一个新的里程碑。他抛弃了经典物理学中的一些固有观点，确立了崭新的概念。这些文章对原子能量变化和发光机理的阐述，潜伏着引起深刻变革的因素，也包含着我们今天已经广泛应用的激光工作原理的基本概念——受激辐射理论，也是物理学中所说的“爱因斯坦 A 和 B”。

普朗克创造了量子的概念，爱因斯坦引入了光量子。他们二人作为现代量子理论的创始人，以其博大精深的思想和刻意求新的精神为半个世纪后激光的产生和应用奠定了坚实的基础。