當前位置: 華文世界 > 科學

量子力學重要創始人:路德維希·普朗克,影響力可與愛因史坦齊名

2024-07-28科學

1858 年 4 月 23 日,普朗克出生在德國基爾的一個學者之家。他曾在慕尼黑大學與柏林大學求學,1879 年拿到博士學位。隨後,他在慕尼黑大學任教,還搞起了熱力學和統計物理學的研究。

普朗克有個特別出名的成果,就是提出了能量量子化的觀念。他在鉆研黑體放射線的時候,發現用經典物理學的看法解釋不了放射線能量的分布。為處理這個難題,他假定放射線是以分散的能量小團塊或者叫「量子」的形式存在的,這就是有名的「普朗克常數」。這一理論給量子力學打下了基礎,也給後來的物理學家開拓了全新的研究方向。

普朗克在量子理論的奠基方面,還表現在他對系統能量和熵的研究上。他弄出了「普朗克放射線公式」,這公式能講清熱放射線的特點,也進一步撐了他能量量子化的理論。另外,他給熱力學第二定律弄了個統計解釋,叫「普朗克-愛因史坦關系」,這關系對量子統計的發展可重要啦。

除了量子力學,普朗克還搞了像熱力學、磁性以及電磁理論之類領域的研究。他在科學界名聲很大,在國際上合作交流也挺多。他當過柏林洪堡大學的教授,還在國際上好多科學機構和學會任過職。

普朗克貢獻非凡,是 20 世紀特偉大的科學家之一。1918 年他得了諾貝爾物理學獎,這是對他在量子理論方面開創性貢獻的表彰。他的工作不光推動了科學進步,還對好多現代技術套用有巨大影響,像雷射、核能、半導體技術啥的。

普朗克是個既謙遜又堅毅的科學家,他的精神跟成就會鼓舞後人接著探索物理學那些未知的地方。他的貢獻不光讓我們對物質的本質有了很深的了解,還為人類文明的發展作出了重大貢獻。普朗克在 1947 年 10 月 4 日離世,不過他留下的科學成果永遠會被人們記住並表示敬意。

【一、普朗克的早期經歷】

1858 年 4 月 23 日,馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克出生在德國基爾的一個學者之家。他成長在重視知識和學習的良好家庭環境裏,這對他早期的發展可起了大作用。

普朗克年輕那會就對科學特別感興趣,尤其喜歡數學和物理,在學校裏才能出眾。他爸是搞法學的教授,還是個出色的音樂家,他媽是有文學素養的夫人,他們都特別支持和鼓勵普朗克的學術愛好。

1880 年,普朗克走進慕尼黑大學讀書,上大學那會,他得到了一些頂級科學家的教導,像赫爾曼·馮·亥姆霍茲還有菲利普·馮·耳曼,這些學術大咖的指導讓他收獲很大,對他往後的科學研究有著特別深遠的作用。

1879 年,普朗克拿到了慕尼黑大學的博士學位,接著就在這所學校當講師,沒多久,他去了柏林大學,在那兒接著搞研究和教學,這期間他發表了好些重要論文,對熱力學和統計物理學領域的一些根本問題進行了探索。

在研究黑體放射線的時候,普朗克發覺用經典物理學的看法沒法解釋放射線能量的分布狀況。為把這個問題處理好,他給出了一個很大膽的假定,就是放射線是以分開的能量小團塊或者叫「量子」的形式存在的,這就是後來大名鼎鼎的「普朗克常數」出現的緣由。他的這個理論給量子力學打下了基礎,還為後來的物理學家開拓了全新的研究方向。

普朗克早期的那些經歷,給他往後的科學生涯打下了特別牢固的基礎。他早年研究熱力學和統計物理學的時候,攢下了可貴的經驗與知識,這給他後來在量子理論方面實作突破提前做好了準備。他對科學的那份熱情以及追求卓越的勁頭,會鼓舞後人接著去追求知識,推動科學不斷進步。

普朗克在科學界名聲可大啦,在國際上合作交流也挺多。他早期的經歷跟後來取得的成就相互成就,讓他成了 20 世紀最了不起的科學家之一。他幹的活兒不光影響了物理學的進步,對好多現代技術的套用也有很大作用。普朗克的貢獻會一直被大家記住,還會受到大家的敬重。

半導體器件,像晶體管跟積體電路這類的,那可是現代電子裝置的核心部份。普朗克量子理論有個重要貢獻,就是在量子力學裏對電子行為的講述,像能階結構、帶隙還有電子的波粒二象性。這些個概念在研究半導體材料的特性和設計器件的時候作用關鍵。打個比方,憑著對能帶結構的了解,咱們能把控半導體材料的電導率和載流子濃度,這樣就能做出效能更棒的電子器件。

MRI 是一種不會侵入人體的醫學成像技術,能讓人看到人體內部結構和組織的具體情況。它的原理是核自旋共振現象,得靠恒定磁場和射頻脈沖去激發、探測核自旋的活動。普朗克量子理論給核自旋共振現象的解釋和預測搭了個框架,這才讓 MRI 技術能有高分辨率,影像重建也能很準確,不得不說普朗克量子理論給 MRI 技術的發展打下了根基。

【三、普朗克的經典熱力學研究與永續能源發展】

普朗克於經典熱力學範疇有著重大貢獻,他針對黑體放射線展開研究,給出了普朗克放射線定律,也就是普朗克黑體放射線公式。這一公式很好地闡釋了黑體放射線的頻譜以及能量分布的規律,化解了經典物理學難以解釋黑體放射線的難題。普朗克的放射線定律引入了能量量子化的觀念,給後來量子力學的發展打下了根基。

普朗克的能量量子化理論對永續能源的發展作用巨大。永續能源說的是能滿足當下需求,還不會妨礙未來人需求的能源型別。普朗克的這一理論說明了能量在微觀層面是離散的,給咱們了解能源轉換的機制帶來了關鍵的指引。

光伏發電:光伏發電屬於一種把太陽能變成電能的技術。普朗克的能量量子化理論說明了光子的表現,給咱們理解光的粒子性跟波動性打下基礎。光伏電池能把光能變成電能,達成了永續能源的運用,而普朗克的理論給光伏發電技術打下了根基。

風能利用:風能屬於可再生的能源型別,風力發電靠風能讓渦輪機帶動發電機運轉,把機械能變成電能。普朗克有關熱力學的研究以及能量量子化理論,給咱們了解熱力學迴圈、能量的轉化以及轉換效率等方面給予了指引,這些理論給風力發電機的設計與最佳化打下了關鍵的理論根基。

生物質能的使用:生物質能說的是從生物原料(像植物、動物稭稈之類)變來的能源。普朗克對熱力學的研究講明白了燃燒時能量守恒還有熵增的原理,讓咱們能了解生物質能的燃燒情況以及能源轉化的效率,這些理論給生物質能有效地使用和幹凈地轉化指明了方向。

普朗克對於經典熱力學的研究,給永續能源的發展帶來了深遠作用。他的能量量子化理論,給像光伏發電、風能利用以及生物質能利用這類永續能源技術的發展打下了基礎。這些永續能源,在降低對傳統能源的依賴、減輕環境汙染以及保護生態環境上,意義重大。

【四、普朗克的學術傳承和科學教育】

普朗克特別看重學術傳承,一門心思培養年輕科學家,還主動指導他們搞研究。普朗克在柏林大學當教授的時候,教出了好多優秀學生,這裏頭就有後來拿了諾貝爾獎的科學家。他給學生們提供支持、加油打氣,大力促進他們在學術上的發展。這種學術傳承的精神讓普朗克的科學影響力一直持續,也給科學界培育出了眾多厲害的人才。

推進科學教育變革:普朗克力推以實驗為主的科學教育方式,讓學生憑借實踐和實驗來更好地明白科學原理與現象,他覺得要把科學教育跟實際問題相融合,鍛煉學生的實踐水平胡解決問題的本事,這一想法在當時的科學教育領域有重大影響,還變成了之後科學教育改革的關鍵方向。

科學普及這事兒:普朗克可積極啦,他靠著公開講座、科學展覽還有科普寫作這些辦法,把科學知識傳給大眾。他能把那些抽象又復雜的科學概念,用簡單明白的方式展現出來,就算不是專業的人,也能懂也能欣賞到科學的魅力。他這種搞科學普及的勁頭,給公眾提供了更多能得到科學知識的渠道,推動了科學普及教育的進步。

科學獎勵制度的設立:普朗克還是科學獎勵制度的提倡者之一呢,他覺得,靠著設立科學獎項去表揚優秀的科學家,能夠激發科學家們搞創新研究和追求學術,普朗克的這個看法當時被廣泛認可了,還成了後來像諾貝爾獎這類科學獎勵制度的重要根基。