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普朗克,量子之父

2024-02-11科学

普朗克,量子之父。

1900年元旦,物理学家开尔文勋爵在英国皇家学会举行的迎接新世纪招待会上充满信心地表示:物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。

然而,这番话在1874年马克斯·普朗克选择物理学专业时,就从他的物理老师菲利普·冯·约利那里听说过。在1900年看来,约利的话并没有错,物理学25年来并没有什么进展,开尔文勋爵提出物理学万里晴空中只有两朵小小的乌云。

第一朵乌云是以太假说。"以太"是一种假想的物质,曾经一度被认为是光在真空中传播的介质,后来证明不存在这种物质。

第二朵乌云是黑体辐射问题。开尔文勋爵怎么也想不到,这一朵小小的乌云,却引发了一场划时代的革命,使这幢经典的物理大厦焕然一新。

然而,物理大厦的落成并非一蹴而就。在19世纪末,一场著名的"紫外灾难"引发了普朗克的研究。这场灾难来自开尔文勋爵提出的两朵乌云之一——黑体辐射。

所谓"黑体",是基尔霍夫定义的一种理想模型——一种能够全部吸收外来辐射而没有任何反射或透射,吸收率高达100%的物体。

广义上讲,但凡加热物质发射电磁波的现象都可被称为"黑体辐射"。物理学家探索的就是"黑体辐射"的能量与温度、波长之间的关系。

1896年,德国帝国物理技术研究所的研究人员维恩从热力学角度推导出半经验的黑体辐射公式,称为"维恩近似"。

然而,这个公式并不完全准确,普朗克在这个基础上进行了研究,提出了量子论,为物理学领域带来了翻天覆地的变化。

1897年,物理学家卢梅尔和普林舍姆通过精密的实验证明,该公式只适用于短波段,对于长波段的实验结果则存在差异。

当维恩公式在长波段的表现不尽人意时,引起了英国物理学家瑞利勋爵(John William Strutt)的重视。

他开始尝试对公式进行调整,使其能更好地适应长波段。很快,另一位英国物理学家金斯(J. H. Jeans)也加入了这个研究,经过他的改良,维恩公式最终演变为瑞利-金斯公式。

德国实验物理学家鲁本斯(H. Rubens)等人的研究表明,该公式在长波段具有较高的准确性,但在短波段与实际观测值存在较大误差。

更为神奇的是,当辐射的波长趋近于零时,理论预测值将会无限大,而实际测量值则趋向于零。

普朗克公式:在经典物理学的局限性下,瑞利-金斯公式和维恩公式都与实验结果相去甚远,表现出了经典物理学的缺陷。

为了解决「紫外灾难」这一怪现象,普朗克在1900年提出了一个新的公式,它在长波部分接近瑞利-金斯公式,短波部分接近维恩公式,这就是普朗克公式。

就像伽利略曾经挑战亚里士多德的经典理论一样,普朗克公式也提供了一个全新的视角,帮助我们更好地理解自然界的运作方式。

1900年10月19日,普朗克在柏林物理学会会议上提出了以【改进维恩辐射定律】为题的报告,并揭示了他的新公式。

普朗克的观点引起强烈反响,台下的学者们议论纷纷,甚至有人质疑其为「异端邪说」。然而,只有鲁本斯,他当夜根据普朗克的新公式进行了深入的计算,并与他手头的数据进行了精确的对比。

结果出人意料地相符。他在第二天清晨第一时间向普朗克报告了这一好消息。

普朗克公式问世后,虽然成功地解释了黑体辐射现象,但这仍然是他所谓的「幸运猜测」,缺乏坚实的理论基础。他说:「经过6年的艰苦探索,我才明白经典物理学对黑体辐射问题是无能为力的……只有抛弃旧框架,引入新概念,问题才能迎刃而解。」

最终,经过近两个月的努力,普朗克成功地完成了对公式的理论推导。 在经典物理学中,系统的能量被认为是无限连续可分的,但普朗克大胆提出了量子假设,能量既不是连续的也不是无限可分的。

他认为,黑体辐射是一个最小能量整数倍跳跃式的变化,这个最小单位的能量被命名为「能量子」。这个量子的拉丁文意思是「分立的部分」或「数量」。

如果用 E代表「能量子」,那么就可以列出一个简洁的公式:E=hv。其中,v是频率,h是普朗克常数,其值为6. 625×10焦耳·秒。

1900年12月14日,普朗克在德国物理学会为他的理论作了一个报告,这一天后来被人们称为量子的诞生日。

1905年,爱因斯坦在瑞士专利局任职期间成功地用量子假说解释了光电效应。当时,普朗克的量子假说并未得到物理学界的普遍认同,但爱因斯坦独具慧眼,认识到它的价值并及时发表。

普朗克是爱因斯坦的科学伯乐,将他视为科学史上的哥白尼式人物。1909年,普朗克亲笔写下推荐信,让爱因斯坦成为苏黎士大学特约教授。

1913年,普朗克亲自邀请爱因斯坦到柏林担任教授,为他提供了上课的权利但没有义务,对爱因斯坦来说极具诱惑力。

爱因斯坦在普朗克的支持和引导下,取得了许多重大科学成就,包括狭义相对论和量子力学等。普朗克在科学界的贡献也得到了广泛认可,他执掌普鲁士科学院期间,网罗了许多科学界的英才。

这五位科学家,都曾荣获诺贝尔奖。他们中的两位,也都有着对音乐的热爱。普朗克经常在自己的家里举办音乐会,弹奏钢琴,并邀请同事和朋友前来。

他们还会互相回访,两家人之间的气氛非常融洽。爱因斯坦曾在普朗克的60岁生日庆祝会上表示,虽然许多人热爱科学是因为它能带来智力上的满足,或者出于功利考虑,但普朗克就是其中之一,因为他对量子理论的开创性贡献而获得诺贝尔物理学奖。

虽然在20世纪20年代,德国出现了一些针对爱因斯坦的反犹主义和反相对论的声音,但普朗克挺身而出,保护了他。

在爱因斯坦生命危险的情况下,他没有离开德国,这主要是为了照顾普朗克的面子,尽管当时他收到了许多国外研究机构的邀请。

在普朗克获得博士学位50周年之际,德国物理学会设立了「普朗克奖章」,并将其作为最高的荣誉。他自己是第一个获得者,紧随其后的是爱因斯坦。

"普朗克奖章":量子力学先驱的幸与不幸普朗克是幸运的,出生于德国基尔的一个教授家庭,接受良好的教育。然而,他的友谊与纳粹上台后的不幸发生了冲突。

普朗克在物理学和数学领域有出色的表现,他的博士论文【论热力学第二定律】为他的一生取得了最大科学成就奠定了基础——量子假说。

他的成就源于热力学中的一个问题。

普朗克在1879年至1889年间在慕尼黑大学、基尔大学任职,期间出版了【能量守恒原理】、【热力学讲义】等著作,并且也发表了【论熵增加原理】论文集。

在结婚后,普朗克有了两个儿子和一对双胞胎女儿。1889年,他开始在柏林大学任教,直到1926年退休。在柏林大学的年薪是6200马克,另外还有1000马克的讲课费,他住在柏林近郊的高档社区。

音乐、远足和爬山是他最喜欢的休闲方式。但在经历了妻子、儿子、女儿的相继离世和对国家的无条件忠诚后,普朗克几乎「家破人亡」。

尽管如此,普朗克仍然坚守着自己的学术态度,试图在经典物理学的基础上解释黑体辐射,调和他的量子假说与经典理论的矛盾。

在爱因斯坦的谴责下,普朗克仍然选择了「盲目爱国」。然而,普朗克的固执己见最终导致了他与爱因斯坦的友谊破裂。

普朗克在生命的最后时光中,他的心爱的儿子埃尔温被纳粹判了死刑,尽管他尽了所有的力量,但还是没能阻止埃尔温的死亡。

在二战结束后,普朗克为德国科学做出了卓越的贡献,被威廉皇家学会改名为马克斯·普朗克科学促进学会。普朗克于1947年10月因突发脑溢血逝世,享年89岁。