科學(xué)大家：量子力學(xué)的創(chuàng)始人普朗克

馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck,，1858年4月23日－1947年10月4日）,，德國物理學(xué)家，量子力學(xué)的創(chuàng)始人,，二十世紀(jì)最重要的物理學(xué)家之一,，因發(fā)現(xiàn)能量量子而對物理學(xué)的進(jìn)展做出了重要貢獻(xiàn)，並在1918年獲得諾貝爾物理學(xué)獎,。

普朗克十分具有音樂天賦,，他會鋼琴,、管風(fēng)琴和大提琴，還上過演唱課,，曾在慕尼黑學(xué)生學(xué)者歌唱協(xié)會為多首歌曲和一部輕歌劇（1876年）作曲,。但是普朗克并沒有選擇音樂作為他的大學(xué)專業(yè)，而是決定學(xué)習(xí)物理,。

普朗克在1874年在慕尼黑開始了他的物理學(xué)學(xué)業(yè),。起初他研究氫氣在加熱后的鉑中的擴(kuò)散，但很快就把研究轉(zhuǎn)向了理論物理學(xué),。

1877年至1878年,，普朗克轉(zhuǎn)學(xué)到柏林，他主要從魯?shù)婪颉た藙谛匏?/SPAN>[1]的講義中自學(xué),，并受到這位熱力學(xué)奠基人的重要影響,，熱學(xué)理論變成為了普朗克的工作領(lǐng)域。

1878年10月,，普朗克在慕尼黑完成了教師資格考試,，1879年2月遞交了他的博士論文《關(guān)于熱力學(xué)第二定律》，而后他暫時(shí)回到之前在慕尼黑所待的學(xué)校,，並在那教數(shù)學(xué)及物理學(xué),。1880年6月以論文《各向同性物質(zhì)在不同溫度下的平衡態(tài)》獲得大學(xué)任教資格。

1885年4月,，基爾大學(xué)聘請普朗克擔(dān)任理論物理學(xué)教授,，普朗克繼續(xù)對“熵”及其應(yīng)用的研究，主要解決物理化學(xué)方面的問題,，為阿倫尼烏斯的電解質(zhì)電離理論提供了熱力學(xué)解釋,，但卻是矛盾的。在基爾這段時(shí)間,，普朗克已經(jīng)開始了對原子假說的深入研究,。

1897年，哥廷根大學(xué)哲學(xué)系授獎給普朗克的專著《能量守恒原理》（1897年）,。1889年4月,，普朗克前往柏林，接手基爾霍夫的工作,，1892年接手教職,。1894年，普朗克被選為普魯士科學(xué)院的院士,。1907年維也納曾邀請普朗克前去接替路德維希·玻爾茲曼的教職,，但他沒有接受,，而是留在了柏林,，受到了柏林大學(xué)學(xué)生會的火炬游行隊(duì)伍的感謝。普朗克于1926年10月1日退休,，他的繼任者是薛定諤[2],。

在普朗克前往柏林工作后，全家住在柏林的一棟別墅中,，與不計(jì)其數(shù)的柏林大學(xué)教授們?yōu)猷?，普朗克的莊園發(fā)展成為了一個社交和音樂中心，許多知名的科學(xué)家如阿爾伯特·愛因斯坦,、奧托·哈恩和莉澤·邁特納等都是普朗克家的?？停@種在家中演奏音樂的傳統(tǒng)來自于亥姆霍茲家,。

    在柏林期間,，普朗克為柏林物理學(xué)會做出了貢獻(xiàn)，在普朗克的倡議下,，柏林物理學(xué)會在1898年改為了德國物理學(xué)會,。

普朗克在柏林洪堡大學(xué)教授理論物理學(xué)課程，整個課程長達(dá)6個學(xué)期,。莉澤·邁特納認(rèn)為他講課“冷靜理智,，有些一本正經(jīng)”；一位英國人曾表述普朗克講課“不用講稿,，從不犯錯誤,，從不手軟，是我所聽過的最好的講師,?！甭犉绽士耸谡n的人從1890年的18人增加到了1909年的143人。

普朗克僅有過約20名博士生,，其中馬克斯·馮·勞厄（1914年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）,、瓦爾特·博特（1954年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）。

大約是在1894年,，普朗克開始把心力全部放在研究黑體輻射的問題上,，他曾經(jīng)委托過電力公司製造能消耗最少能量,，但能產(chǎn)生最多光能的燈泡,，這一問題也曾在1859年被基爾霍夫所提出：黑體在熱力學(xué)平衡下的電磁輻射功率與輻射頻率和黑體溫度的關(guān)系。帝國物理技術(shù)學(xué)院對這個問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,，但是經(jīng)典物理學(xué)的瑞利-金斯定律無法解釋高頻率下的測量結(jié)果,，但這定律卻也創(chuàng)造了日后的災(zāi)難，威廉·維恩給出了維恩位移定律,，可以正確反映高頻率下的結(jié)果,，但卻又無法符合低頻率下的結(jié)果,。這些定律之所以能發(fā)起有一小部分是普朗克他的貢獻(xiàn)，但大多數(shù)的教科書卻都沒有提到他,。

普朗克在1899年就率先提出解決此問題的方法,，叫做“原則的基本障礙”，並把瑞利-金斯定律和維恩位移定律這兩條定律使用一種熵列式進(jìn)行內(nèi)插,，由此發(fā)現(xiàn)了普朗克輻射定律,，可以很好地描述測量結(jié)果，不久后,，人們發(fā)現(xiàn)他的這項(xiàng)新理論是沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)的,，這也讓普朗克在當(dāng)時(shí)感到無奈?？墒撬麃K沒有因此而氣餒,，反而修正了自己的方式，最后成功的推衍出著名的第一版普朗克黑體輻射定律,，此定律是在描述由實(shí)驗(yàn)觀察來的黑體輻射光譜呈現(xiàn)良好的狀態(tài),，這一定律于1900年10月19日在德國物理學(xué)會上首次提出。也因為普朗克黑體輻射定律是第一個不包括能源量化以及統(tǒng)計(jì)力學(xué)的推論,，故在發(fā)表的當(dāng)時(shí),，也引起了許多人的反感

不久后的1900年12月14日，普朗克得出了輻射定律的理論推論,，其中他使用了此前曾被他所否定的奧地利物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)力學(xué),，熱力學(xué)第二定律的每個純統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)都讓普朗克感到厭惡,。普朗克提出了能量量子化的假說：

E = hυ

其中E是能量，ν是頻率,，並引入了一個重要的物理常數(shù)h——普朗克常數(shù),，能量只能以不可分的能量元素（即量子）的形式向外輻射。這樣的假說調(diào)和了經(jīng)典物理學(xué)理論研究熱輻射規(guī)律時(shí)遇到的矛盾,?；?/SPAN>這樣的假設(shè)，他并給出了黑體輻射的普朗克公式,，圓滿地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,。這個成就揭開量子論與量子力學(xué)的序幕，因此12月14日成為了量子日,，以作紀(jì)念,。普朗克也因此獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎。盡管在后來的時(shí)間里，普朗克一直試圖將自己的理論納入經(jīng)典物理學(xué)的框架之下,，但他仍被視為近代物理學(xué)的開拓者之一,。

不過在當(dāng)時(shí)，這一假說與玻爾茲曼的理論相比,，可謂無足輕重,。普朗克說“一個純公式的假說，我其實(shí)并沒有為此思考很多,?！?/SPAN>

如今這個與經(jīng)典物理學(xué)相悖的假說被作為是量子物理學(xué)誕生的標(biāo)志和普朗克最大的科學(xué)成就。但是需要提及的是,，玻爾茲曼大約于1877年已經(jīng)將一個物理學(xué)系統(tǒng)的能量級可以是不連續(xù)的作為其理論研究的前提條件,。

其他物理學(xué)家如瑞利（1877年—1946年）和亨德里克·洛倫茲在幾年后仍將普朗克常數(shù)設(shè)為零，以便其不與經(jīng)典物理學(xué)相悖,，但是普朗克十分清楚,，普朗克常數(shù)是一個不等于零的確切的數(shù)值。

1905年,，當(dāng)時(shí)尚完全不為人所知的愛因斯坦在科學(xué)雜志《物理學(xué)大事記》中發(fā)表了三篇開創(chuàng)性的論文,，普朗克是少數(shù)很快發(fā)現(xiàn)愛因斯坦狹義相對論重要性的人之一，由于普朗克的影響力,，相對論很快在德國內(nèi)得到認(rèn)可,，普朗克自己也對狹義相對論的完成做出了重要的貢獻(xiàn)。

除了相對論,，愛因斯坦還對1887年由赫茲和威廉·哈爾瓦克斯（1859年—1922年）發(fā)現(xiàn)，1902年由菲利普·萊納德進(jìn)一步研究的光電效應(yīng)提出了光量子假說,，但是這一假說卻遭到了普朗克的反對,，他并不準(zhǔn)備放棄麥克斯韋的電動力學(xué)，“光量子理論不是后退了幾十年,，而是后退了幾百年,，那時(shí)克里斯蒂安·惠更斯提出反對牛頓業(yè)已占據(jù)優(yōu)勢的輻射理論?！?/SPAN>

1910年,，愛因斯坦指出低溫下比熱的不正常表現(xiàn)，是又一個無法用經(jīng)典理論解釋的現(xiàn)象,，為了對這些有悖經(jīng)典理論的現(xiàn)象尋求合理的解釋,，普朗克和能斯特于1911年在布魯塞爾組織了第一次索爾維會議，在這次會議上,，愛因斯坦終于說服了普朗克,。

其間,，普朗克成為柏林大學(xué)的校長，他將愛因斯坦請到了柏林，并在1914年為愛因斯坦設(shè)立了一個新的教授職位,，他們很快便結(jié)下了很好的友誼。