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他让经典物理学崩塌,却丢了信仰,绝了子嗣

  编者按

  对科学领域来说, 20世纪之所以前所未有的伟大,是因为量子物理的诞生。量子物理的出现撼动了经典物理的绝对权威地位,把人类带到了一个全新的世界。被誉为 “量子物理之父”的普朗克在提出量子论之后的多年,竟然都在尝试推翻自己的量子论。

  德国著名诗人席勒曾说:“我们不知道20世纪会怎样或者它会有什么成就,但它之前的每个时代都致力于造就20世纪。”

  在科学领域来说, 20世纪之所以前所未有的伟大,是因为量子物理的诞生。

他让经典物理学崩塌,却丢了信仰,绝了子嗣

  量子物理的出现撼动了经典物理的绝对权威地位,把人类带到了一个全新的世界。

  但是,大家一定没有想到这个划时代的理论的提出竟来得如此 “不情愿”。

  被誉为 “量子物理之父”的普朗克在提出量子论之后的多年,竟然都在尝试推翻自己的量子论。

他让经典物理学崩塌,却丢了信仰,绝了子嗣

  普朗克

  1858年4月18日, 马克斯 · 普朗克 诞生于德国的一座小城基尔。

  他的家族可以称得上是那个年代德国的“贵族”。

  纯正的“雅利安人”血统,再加上那些光鲜体面的社会身份,牧师、法学家、大学教授等。

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  青年的普朗克

  优越的家庭背景使普朗克从小就受到很好的教育,无论是人文精神还是自然科学。

  在1867年,普朗克一家就搬离基尔城迁往慕尼黑,在那里普朗克开始了他的高中生活。

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  普朗克经典的绝美侧颜

  和其他很多天才科学家不一样,普朗克那时候并没有在科学方面表现得出类拔萃。

  在班级里面的排名大概也是前三之后,前十之前,并不起眼。

  反而是在音乐与艺术方面显现出不一样的才能,他钢琴手风琴等都演奏得很好。

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  这导致了他在进大学前都不知道选择什么方向作为一生的奋斗目标,是音乐、语言学还是科学。

  在普朗克生活的那个年代,自然科学是远不像人文和艺术那样受到重视的。

  然而他还是选择了自然科学这条不太容易走的路,当然音乐也作为一种爱好时常陪伴在他身边。

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  老年的普朗克在弹钢琴

  起初他主修的是数学,但是慢慢他的兴趣便转向了物理。

  然而在19世纪中后期,经典物理学的大厦已经基本竣工了。

  物理学家能做的顶多就是往这座辉煌的物理殿堂扫扫灰尘罢了,再也不会有什么重大理论被提出了。

  当时普朗克所在的慕尼黑大学的一位老师就曾苦口婆心地劝诫普朗克:不要再研究物理了,这一行里已经没有任何机会留给年轻人了。

  于是普朗克表示十分感动,然而,最后,普朗克还是毅然地选择了物理学。

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  因为普朗克本身就是个偏“冷淡”的人,根本不在乎什么名利。

  他并不在乎这些划时代的理论是谁提出的,只是想知道“为什么”。

  多年后他在《从相对到绝对》中就写道“绝对的东西多半是一种理想的目标,它总是显现在我们的面前,但是永远也达不到,这是一种令人感到烦闷的东西,只有在追求这个目标的时候才会觉得满足”

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  一踏入物理世界的大门,普朗克就对热力学表现出极大的兴趣,或者说沉湎其中。

  1879年,年仅21岁的普朗克就凭论文《论热力学第二定律》获得了慕尼黑大学的博士学位, 论文中贯穿了他对“熵”深刻和独特的见解。

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  1880年,他取得大学任教资格,而使他获得该资格的也是一篇关于热力学的论文。

  他后来写的《热力学讲义》一书更是在三十多年内都被认为是热力学经典著作。

  在物理学界,他的地位更是节节攀升。

  在世纪交替之际,他就已经是热力学方面公认的权威了。

  然而我们悉知的普朗克是量子论的奠基人。

  那他在热力学方面的研究又怎么跟量子论扯上关系呢?

  正如前文所言,经典物理学已经算是一座竣工的大厦。

  而普朗克就是这座神圣的物理殿堂最虔诚的信徒之一。

  一旦这座大楼有什么风吹草动,他总是第一个站出来修缮的人。

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  黑体的空腔吸收示意图

  那时候物理学就有一个让人陷入困惑的问题:黑体辐射。

  所谓黑体,是指这样一种物质,在任何温度下,它都能将入射的任何波长的电磁波全部吸收,没有一点反射和透射。

  绝对黑体在自然界中是不存在的,只是一个理想的物理模型,以此作为热辐射研究的标准物体。

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  太阳也是一种黑体

  然而,在普朗克的那个时代,人们对黑体辐射的研究却得出了两个不同的公式。

  这两个公式分别来自德国的物理学家 维恩 和英国的物理学家 瑞利和金斯。

  维恩的公式只有在短波(高频)、温度较低时才与实验结果相符,但在长波区域完全不适用。

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  德国物理学家维恩

  相反,瑞利-金斯公式却只在长波、高温时才与实验相吻合,在短波区并不适用。

  这个公式在短波区(即紫外光区)时显示辐射能力随着频率的增大而单调递增,最后趋于无限大(下图红线)。

  这和实验数据更是差了十万八千里,所以这个荒谬的结论也被称为 “紫外灾难”。

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  瑞利-金斯曲线(红色),维恩曲线(蓝色),普朗克曲线(绿色)

  一个现象,对应两个公式?

  在经典力学时代,这完全是个不可思议的悖论!

  因为自17世纪牛顿力学建立以来,自然过程连续性的观念就在物理学中深深扎根,一向认为能量是连续的。

  而普朗克父亲的老师 莱布尼兹 就说过, “自然界无跳跃”。

  “紫外灾难”更意味着整个经典物理学的“灾难”。

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  英国物理学家瑞利

  普朗克是热力学的权威,所以他对黑体辐射的研究并没有前人那样从频率和温度入手,而是想从自己擅长的熵和能量作为突破口。

  然而经过一次次实验,结果出来仍和维恩他们的公式一样并不得法。

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  玻尔兹曼

  出于无奈,他不得不投眼于之前不认同的玻尔兹曼的方法。

  而他也隐约地意识到,传统物理学的基础还是太狭窄了,需要从根本上的改造和扩充了。

  普朗克注意到,如果认为原子不是连续地而是断续地放出和吸收能量。

  或者说,把“粒子”的性质赋予光的吸收和放射。

  那么他便可以用 “内插法” 把维恩公式和瑞利-金斯公式正确的一部分综合起来,使辐射公式完整。

  1900年10月19日,普朗克在德国物理学会会议上,以 《维恩位移定律的改变》 为题,提出了他重新构造出来的新辐射公式。

  这个公式在hv远小于kT时,化为瑞利-金斯公式;而在hv远大于kT时,化为维恩公式;这个公式在任何情况下都与实验值无差异。

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  普朗克的黑体辐射公式

  在同年的12月24日(历史上也把这天认为是量子的诞生日),他发表了《关于正常光谱的能量分布定律》论文。

  文中给出了循着玻尔兹曼的思路推导出的黑体辐射公式。

  也就是著迷的 普朗克公式E=hv (其中E为单个量子的能量,v为频率,h是量子常数,后人称普朗克常数)。

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  1901年的普朗克

  论文中,他指出:“能量在辐射过程中不是连续的,而是以一份份能量的形式存在的”。

  这无疑使整座经典物理大厦开始摇摇欲坠,这也是普朗克自己都难以接受的事实。

  他表示在这篇论文发表前的几个月内,他都是抱着 孤注一掷 的心情来完成这一结论的。

  他想或许之后可以通过另外的解释,来修缮这座经典物理圣殿。

  而他也确实这样做了。

  在那篇标志量子论诞生的论文发出去后,他还一直想把自己的理论纳入经典物理学的结构中去。

  从1901年至1906年这六年间, 他都在对抗自己提出的量子理论,以至于没有做出任何新的成绩。

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  第一届索尔维会议上的普朗克(后排左二),白板上是他的辐射定律

  他一直在尝试修改自己的量子理论,想让它对经典物理造成的伤害减到最低。

  但是他越努力答案就越趋向:大自然的运转不是连续的而是跳跃的,它必然像钟表里的秒针那样一跳一跳。

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  他就像一个被逼出来的革命家,被经典物理逼得走头无路,但是却又不忍心将其毁于一旦。

  就像一个虔诚的基督徒找到了证明上帝不存在的证据,心理上的冲击着实不小。

  玻恩在评价普朗克时写道:“从天性来讲,他是一位思想保守的人,他根本不知道何为革命,只是他惊人的逻辑推理能力让他不得不折服于事实面前”。

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  在经过多年的混度后,普朗克才从对抗自己中彻底清醒过来。

  在后来的演讲中,他开始变得自豪地宣称: “量子假说将永远不会从世上消失”。

  敲开了量子论的大门,也使他获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

  普朗克像是给一片森林带来火种的人,之后量子革命的大火熊熊燃烧。

  1905年爱因斯坦的杰作《论动体的电动力学》发表,宣布 狭义相对论诞生。

  这篇论文在当时虽没几个人能看懂,但也在物理界掀起了一阵巨浪。

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  后来德国更是出现了庞大的反对相对论的机构,对爱因斯坦进行“批判”。

  而普朗克在那时作为比爱因斯坦年长,又更有地位的学界权威, 于是 他成为相对论最早的庇护人。

  普朗克作为德国《物理学年鉴》主编,他不顾反对把爱因斯坦的论文发表。

  毕竟,在五十多年前,这本刊物的主编就曾拒发过迈尔关于能量守恒定律的文章。

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  此外,普朗克还给予爱因斯坦其他方面的帮助。

  相信很多人都知道,爱因斯坦的讲课水平是实在不敢恭维的。

  但普朗克却对爱因斯坦成为教授大力支持。

  甚至在聘书中特别注明:聘请爱因斯坦为柏林洪堡大学讲席教授,一节课都不用上。

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  普朗克在德国已经可以称得上是学术最高的权威。

  一生受尽称颂和爱戴,还没有离世,他的头像就被印在两马克金币和邮票上。

  然而在科学界的勤恳和奉献,并不能带他逃离“悲情”二字。

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  在他的一生中,完整地经历了德国的崛起和德国引起的两次世界大战的悲剧。

  普朗克原本幸福的家庭,就像他的经典物理信仰一样开始土崩瓦解。

  1909年,普朗克的妻子因病去世。

  他一共有四个孩子,长子于凡尔登战场战死,两个女儿在第一次世界大战期间也死于难产。

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  而最大的不幸还是次子,他几乎是亲眼看着自己的儿子死去而又无能为力。

  次子埃尔文在一战期间就曾被法国俘虏。

  在1944年,他竟被卷入到刺杀希特勒的720政变中,被纳粹投入监狱。

  那时的普朗克几乎动用了自己所有的力量,都没能把他唯一在世的亲人救出来。

  1945年,埃尔文被处以绞刑。

  那时,普朗克已是87岁的高龄,心情不言而喻。

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  普朗克1905年至1944年住处的牌匾

  也就在那一年,他位于柏林的家在一次空袭中被摧毁。

  家中无数的藏书和毕生的研究成果也毁于一旦。

  一时间,他失去家园和亲人,只留下一副病躯。

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  即使拖着这副满身病榻的躯体,他还是远赴英国伦敦。

  参加因战乱推迟了四年的牛顿诞生300周年纪念会。

  他是唯一被邀请的德国人, 那时的他仍致力于战后重建德国科学界的地位。

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  1947年10月4日,普朗克在哥廷根逝世,享年89岁。

  而他的坟墓上只有一块长方形的石头,上面刻着他的名字。

  底部刻着属于他的普朗克常数—— “h=6.626196×10^(-27)erg·s”

  普朗克也将永远以另一种形式让人类铭记于心。

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