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普朗克,量子之父

2024-02-11科學

普朗克,量子之父。

1900年元旦,物理學家克耳文勛爵在英國皇家學會舉行的迎接新世紀招待會上充滿信心地表示:物理大廈已經落成,所剩只是一些修飾工作。

然而,這番話在1874年馬克斯·普朗克選擇物理學專業時,就從他的物理老師菲利普·馮·約利那裏聽說過。在1900年看來,約利的話並沒有錯,物理學25年來並沒有什麽進展,克耳文勛爵提出物理學萬裏晴空中只有兩朵小小的烏雲。

第一朵烏雲是以太假說。"以太"是一種假想的物質,曾經一度被認為是光在真空中傳播的介質,後來證明不存在這種物質。

第二朵烏雲是黑體輻射問題。克耳文勛爵怎麽也想不到,這一朵小小的烏雲,卻引發了一場劃時代的革命,使這幢經典的物理大廈煥然一新。

然而,物理大廈的落成並非一蹴而就。在19世紀末,一場著名的"紫外災難"引發了普朗克的研究。這場災難來自克耳文勛爵提出的兩朵烏雲之一——黑體輻射。

所謂"黑體",是基爾霍夫定義的一種理想模型——一種能夠全部吸收外來輻射而沒有任何反射或透射,吸收率高達100%的物體。

廣義上講,但凡加熱物質發射電磁波的現象都可被稱為"黑體輻射"。物理學家探索的就是"黑體輻射"的能量與溫度、波長之間的關系。

1896年,德國帝國物理技術研究所的研究人員維因從熱力學角度推匯出半經驗的黑體輻射公式,稱為"維因近似"。

然而,這個公式並不完全準確,普朗克在這個基礎上進行了研究,提出了量子論,為物理學領域帶來了翻天覆地的變化。

1897年,物理學家盧梅爾和普林舍姆透過精密的實驗證明,該公式只適用於短波段,對於長波段的實驗結果則存在差異。

當維因公式在長波段的表現不盡人意時,引起了英國物理學家瑞立勛爵(John William Strutt)的重視。

他開始嘗試對公式進行調整,使其能更好地適應長波段。很快,另一位英國物理學家金斯(J. H. Jeans)也加入了這個研究,經過他的改良,維因公式最終演變為瑞立-金斯公式。

德國實驗物理學家魯本斯(H. Rubens)等人的研究表明,該公式在長波段具有較高的準確性,但在短波段與實際觀測值存在較大誤差。

更為神奇的是,當輻射的波長趨近於零時,理論預測值將會無限大,而實際測量值則趨向於零。

普朗克公式:在經典物理學的局限性下,瑞立-金斯公式和維因公式都與實驗結果相去甚遠,表現出了經典物理學的缺陷。

為了解決「紫外災難」這一怪現象,普朗克在1900年提出了一個新的公式,它在長波部份接近瑞立-金斯公式,短波部份接近維因公式,這就是普朗克公式。

就像伽利略曾經挑戰亞里士多德的經典理論一樣,普朗克公式也提供了一個全新的視角,幫助我們更好地理解自然界的運作方式。

1900年10月19日,普朗克在柏林物理學會會議上提出了以【改進維因輻射定律】為題的報告,並揭示了他的新公式。

普朗克的觀點引起強烈反響,台下的學者們議論紛紛,甚至有人質疑其為「異端邪說」。然而,只有魯本斯,他當夜根據普朗克的新公式進行了深入的計算,並與他手頭的數據進行了精確的對比。

結果出人意料地相符。他在第二天清晨第一時間向普朗克報告了這一好訊息。

普朗克公式問世後,雖然成功地解釋了黑體輻射現象,但這仍然是他所謂的「幸運猜測」,缺乏堅實的理論基礎。他說:「經過6年的艱苦探索,我才明白經典物理學對黑體輻射問題是無能為力的……只有拋棄舊框架,引入新概念,問題才能迎刃而解。」

最終,經過近兩個月的努力,普朗克成功地完成了對公式的理論推導。 在經典物理學中,系統的能量被認為是無限連續可分的,但普朗克大膽提出了量子假設,能量既不是連續的也不是無限可分的。

他認為,黑體輻射是一個最小能量整數倍跳躍式的變化,這個最小單位的能量被命名為「能量子」。這個量子的拉丁文意思是「分立的部份」或「數量」。

如果用 E代表「能量子」,那麽就可以列出一個簡潔的公式:E=hv。其中,v是頻率,h是普朗克常數,其值為6. 625×10焦耳·秒。

1900年12月14日,普朗克在德國物理學會為他的理論作了一個報告,這一天後來被人們稱為量子的誕生日。

1905年,愛因斯坦在瑞士專利局任職期間成功地用量子假說解釋了光電效應。當時,普朗克的量子假說並未得到物理學界的普遍認同,但愛因斯坦獨具慧眼,認識到它的價值並及時發表。

普朗克是愛因斯坦的科學伯樂,將他視為科學史上的哥白尼式人物。1909年,普朗克親筆寫下推薦信,讓愛因斯坦成為蘇黎士大學特約教授。

1913年,普朗克親自邀請愛因斯坦到柏林擔任教授,為他提供了上課的權利但沒有義務,對愛因斯坦來說極具誘惑力。

愛因斯坦在普朗克的支持和引導下,取得了許多重大科學成就,包括狹義相對論和量子力學等。普朗克在科學界的貢獻也得到了廣泛認可,他執掌普魯士科學院期間,網羅了許多科學界的英才。

這五位科學家,都曾榮獲諾貝爾獎。他們中的兩位,也都有著對音樂的熱愛。普朗克經常在自己的家裏舉辦音樂會,彈奏鋼琴,並邀請同事和朋友前來。

他們還會互相回訪,兩家人之間的氣氛非常融洽。愛因斯坦曾在普朗克的60歲生日慶祝會上表示,雖然許多人熱愛科學是因為它能帶來智力上的滿足,或者出於功利考慮,但普朗克就是其中之一,因為他對量子理論的開創性貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。

雖然在20世紀20年代,德國出現了一些針對愛因斯坦的反猶主義和反相對論的聲音,但普朗克挺身而出,保護了他。

在愛因斯坦生命危險的情況下,他沒有離開德國,這主要是為了照顧普朗克的面子,盡管當時他收到了許多國外研究機構的邀請。

在普朗克獲得博士學位50周年之際,德國物理學會設立了「普朗克獎章」,並將其作為最高的榮譽。他自己是第一個獲得者,緊隨其後的是愛因斯坦。

"普朗克獎章":量子力學先驅的幸與不幸普朗克是幸運的,出生於德國基爾的一個教授家庭,接受良好的教育。然而,他的友誼與納粹上台後的不幸發生了沖突。

普朗克在物理學和數學領域有出色的表現,他的博士論文【論熱力學第二定律】為他的一生取得了最大科學成就奠定了基礎——量子假說。

他的成就源於熱力學中的一個問題。

普朗克在1879年至1889年間在慕尼黑大學、基爾大學任職,期間出版了【能量守恒原理】、【熱力學講義】等著作,並且也發表了【論熵增加原理】論文集。

在結婚後,普朗克有了兩個兒子和一對雙胞胎女兒。1889年,他開始在柏林大學任教,直到1926年退休。在柏林大學的年薪是6200馬克,另外還有1000馬克的講課費,他住在柏林近郊的高檔社區。

音樂、遠足和爬山是他最喜歡的休閑方式。但在經歷了妻子、兒子、女兒的相繼離世和對國家的無條件忠誠後,普朗克幾乎「家破人亡」。

盡管如此,普朗克仍然堅守著自己的學術態度,試圖在經典物理學的基礎上解釋黑體輻射,調和他的量子假說與經典理論的矛盾。

在愛因斯坦的譴責下,普朗克仍然選擇了「盲目愛國」。然而,普朗克的固執己見最終導致了他與愛因斯坦的友誼破裂。

普朗克在生命的最後時光中,他的心愛的兒子埃爾溫被納粹判了死刑,盡管他盡了所有的力量,但還是沒能阻止埃爾溫的死亡。

在二戰結束後,普朗克為德國科學做出了卓越的貢獻,被威廉皇家學會改名為馬克斯·普朗克科學促進學會。普朗克於1947年10月因突發腦溢血逝世,享年89歲。